正畸用热压膜材料现状与展望

2018-7-9 15:07  来源:华西口腔医学杂志
作者:王如意 赵志河 李宇 阅读量:11271

    热压膜材料因其优秀的成形性、美观性和形状记忆性,已经广泛应用于口腔科,不仅可用于制作热压膜保持器、咬合板、颞下颌关节板、阻鼾器以及漂白装置等,同时得益于计算机辅助设计与制造(computer aided design/computer aided manufacturing,CAD/CAM)技术的不断发展,它也可以用于系列隐形矫治器的制作。本文将主要介绍应用于正畸保持器与隐形矫治器的热压膜材料。

    1971年Ponitz通过在真空或加压条件下加热丙烯酸膜片后覆盖工作模型来形成一种透明热压膜保持器。它具有耐用、弹性强、易清洁及价格低廉的优点。1945年Kesling提出弹性牙齿定位器的概念,之后随着材料与工艺的不断发展,逐渐形成了今天的无托槽隐形矫治技术(clear plastic appliance)。它采用塑胶压膜成型固位并施力于牙齿,是一种热塑性覆盖型矫治器。由于隐形矫治器是依据患者错特点逐一个性化定制的,可以逐渐引导牙齿进入预设的位置,因而使得矫治过程更加具有可预测性。无论是热压膜保持器还是隐形矫治器,其发展都离不开材料的进步,同时为了达到预期的疗效,掌握热压膜材料的相关性能也有重要的意义。

    1. 材料种类及发展

    正畸使用的热压膜材料是一类有不同特性的聚合物,主要包括苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)、聚对苯二甲酸乙二酯-聚乙二醇[poly(ethylene terephthalate)-glycol,PETG]、热塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane,TPU)、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)、聚丙烯(polypropylene,PP)材料及乙烯乙酸乙烯酯(ethylene vinyl acetate,EVA)。PET是一种应用非常广泛的材料,目前临床上常用于透明压膜保持器制作的Biolon膜片即为PET材料。它也可作为矫治器材料,可以释放较大的应力。

    PET具有应变介导的结晶化特性,可以增加材料密度,增加其对气体渗透的抵抗性,从而获得长期尺寸稳定性,同时可使最终的产品获得各向异性。而各向异性的重要性在于可以在某一特定方向上增加产品的刚强度。PET因其优越的耐疲劳性以及尺寸稳定性成为一种广泛使用的热压膜材料。PETG是乙二醇改性的PET,Erkodent公司推出的Erkodur膜片及Scheu公司推出的Duran膜片均为PETG材料。它是一种非结晶性无定形聚合物,具有良好的机械性能、光学性能、耐疲劳性及尺寸稳定性,也表现出了良好流动性及耐溶解性。

    TPU是无托槽隐形矫治器中常用的热塑性材料,目前隐适美(Align Technology公司,美国)所推出的Ex30、Ex40、SmartTrack几代材料均为TPU材料,它们具有较高的弹性,被认为可以满足正畸过程中轻而持续矫治力的需求。TPU既有硫化橡胶的机械性能,又有热塑性聚合物的加工性能。因为没有普通橡胶中的化学网络结构,因此它可以反复地融化和加工。

    TPU拥有多种优秀的性能,包括高抗张强度、高撕裂强度、高耐磨性、耐油耐溶剂性、低温柔韧性等。但材料中TPU的增加会导致产品的透明度下降,影响最终的美观性。PC可以与其他聚合物联合用于正畸用热压膜膜片的制作,如Durasoft膜片即为PC与TPU组合而成,可以释放较为恒定的矫治力。PC有着高强度、高尺寸稳定性、高耐久性以及低吸水速率。PC熔化后的黏性使得它表现出了很好的抗冲击强度以及韧性。它与聚甲基丙烯酸甲酯的性能类似,但是PC强度更大,并且可以在更大的温度范围内使用。同时PC有着优于很多玻璃材料的透光性,使得其产品具有优秀的美观性。

    PP是一种重要且常用的聚合物,Scheu公司推出的Hardcast膜片即为PP材料。它拥有良好的机械性能、绝缘性、热稳定性、化学稳定性和生物相容性。但是其尺寸稳定性较差,热成型性受限,其脆性也限制了它某些方面的应用。EVA是由乙烯和乙酸乙烯酯(vinyl acetate,VA)合成的一种具有良好的生物相容性、抗溶性并且无毒的热塑性聚合物,Densply公司推出的Essix A+膜片即为EVA材料,可用于制作透明压膜保持器。EVA中VA的含量不同可以改变其性能。VA含量高时,EVA的极性、黏附性、抗冲击性、弹性和兼容性都会增加,但同时其结晶度、刚度、软化温度及熔点将会下降。

    2. 材料性能及影响因素

    理想的正畸材料特性包括较好的弹性恢复能力,较高的储能性,较低的硬度,良好的成形性、透明性、生物相容性以及环境稳定性。又由于矫治器和保持器在摘戴过程中需要抵抗短而剧烈的形变而不断裂,且不能引起摘戴困难;在长时间的使用过程中又需要释放轻而恒定的矫治力,因此高屈服应力、适宜的弹性模量以及尽可能低的应力松弛速率也是必需的。目前关于热压膜矫治器的性能及其影响因素研究众多,主要包括材料的应力释放、应力松弛、老化性、吸水性、耐磨性等,现分述如下。

    2.1 应力释放

    正畸牙移动过程中需要轻力、持续力,材料能否释放最适应力对于理想的牙齿移动至关重要。热压膜矫治器释放的矫治力取决于材料的种类、厚度、结构、材料的加工方式以及负载情况等因素。材料的种类不同其应力释放特性也有差异。Hahn等研究发现相同厚度下Biolon膜片(PET材料)产生的矫治力明显大于Erkodur膜片(PETG材料)。Kwon等则发现EVA材料产生的矫治力明显大于PP材料。其次,同种材料形变量相同而厚度不同时,应力释放随着厚度的增加而增加。同时热压成型后膜片厚度将会发生改变,这也会影响材料的机械性能。

    张宁等研究发现,初始厚度为0.75 mm的膜片热压成型后的厚度变化最小,且其弹性及抗断裂能力位于0.05 mm及1.0 mm膜片之间,综合性能为三者中最佳。这可以防止材料在热压成型和矫正过程中的过度变形,进而导致矫治器内的力学数值无法充分发挥作用,影响最终的矫治效果,同时又可减小患者口内的异物感,提高舒适度。此外,材料的结构也会影响应力释放,单层结构材料的最大绝对应力值比双层结构者高4倍,而双层材料则表现出了更为恒定的应力释放。热压成型过程也会影响矫治器所产生的矫治力。

    真空成型的膜片与压力成型的膜片相比,有约0.05 mm初始厚度的额外分隔层,该分隔层在热压成型过程中将被消除。因此压力成型矫治器对牙列有更好的适合性,可以增加阻止矫治器向上脱位的摩擦力,使得其对牙齿的平均应力比真空成型的矫治器更高。热压膜材料在口腔内的使用过程中也可能会受到温度变化以及咀嚼力的影响。Kwon等发现,热压膜材料释放最佳应力时材料的形变量范围为0.2~0.5 mm,在此范围内进行热循环实验并不影响材料的应力释放特性与释放极限水平,而在负载循环实验后会对材料的应力释放产生明显影响,说明使用过程中咀嚼力将影响材料应力释放性能。

    2.2 应力松弛

    热压膜材料具有黏弹性,即同时具有类似液体的黏性和类似固体的弹性。其应力-应变关系是随时间变化的,在恒定应变下随着时间的增加,材料的应力会逐渐减少,这种现象被称为应力松弛。应力松弛可能会导致一些矫治器无法提供足够的矫治力以引导牙齿进入预设的位置,因此在制定临床矫治方案时需要考虑到材料的这种特性。材料的种类和结构会影响其应力松弛特性,Lombardo等研究显示,单层材料F22 Aligner(TPU)和Duran(PETG)的应力松弛速率大于双层材料Durasoft(TPU/PC)和Erkoloc-Pro(PETG/TPU)。应力松弛现象还与温度、湿度等环境因素有关。温度越高,湿度越大,材料老化越明显,发生应力衰减也越明显。因此,温暖湿润的口腔环境会加速热压膜材料的应力松弛。

    2.3 老化

    热压膜材料的老化可以发生在热压成型和口内使用两个过程中,其中以暴露于口内环境对于材料的影响更大。材料暴露于口腔后将增加其表面的粗糙度,且这种改变具有位点相关性,即在长期戴用时前牙区比后牙区的粗糙度更高,而在短期暴露时后牙区的粗糙度高于前牙区。Schuster等发现暴露于口腔后矫治器的表面形态学发生了明显的改变,包括表面变形、裂纹、无定形物覆盖以及钙化物覆盖等。Ahn等发现的保持器表面形态学变化与Schuster等的发现一致。拉曼光谱分析和X射线能谱仪(energy dispersive X-ray spectroscopy,EDX)分析发现材料组成中碳含量的降低并出现了硅、磷、钙,说明老化过程会引起材料的分子组成发生显著改变。抗压强度实验和拉伸试验表明口内老化过程将导致材料的极限拉伸强度、弹性模量、储能性等发生显著性改变。

    分析口内暴露加速材料表面形态学、分子组成以及机械性能改变的机制,可能是由水解以及机械磨耗等所致,以下将分述材料的吸水性和耐磨性。

    2.3.1 吸水性

    聚合物吸水对于材料有塑化作用,将影响聚合物分子间副键,进而导致材料老化,因此热压膜材料的老化与其吸水性密切相关。水可以与聚合物主链通过水解发生化学反应。吸水性将使得材料发生物理、化学改变,导致聚合物的机械性能发生不可逆性退变。同时在口内,由于吸湿膨胀导致的尺寸改变可能会影响矫治器的适合性,进而改变矫治器的应力释放。因此,理想的热压膜材料应该有尽可能低的吸水性。材料的吸水性受多种因素影响。首先吸水性将受材料种类的影响,材料的种类不同,其结晶度也不同,继而影响材料的吸水性。一般来说,用于正畸领域的聚合物被分为了无定型非晶态聚合物,包括PC、PETG和TPU等;半晶体聚合物,包括聚乙烯、PP、EVA等。无定型聚合物有较高的吸水速率,而半晶体材料的吸水速率较低。其次,材料的层次结构也将影响其吸水性。一般情况下,随着材料层数的增加,吸水速率将随之增加。但也有研究显示,3层结构的热压膜保持器的吸水率比2层结构者要低,并且在吸水性实验的24 h,其吸水速率与1层结构者相近。

    2.3.2 耐磨性

    研究表示热压膜保持器在仅仅使用几个月后,其切端和面便表现出了低耐磨性和低耐久性。Campbell等研究显示,38%的患者更换保持器的原因是过度磨损。因此研究材料的耐磨性对于延长保持器及矫治器的使用寿命非常重要。材料的耐磨性与材料的种类有关。研究显示PP、PETG、EVA的耐磨性依此递增,且相同成分不同品牌的热压膜材料间耐磨性没有显著性差别。除了机械性磨损外,腐蚀性磨损在热压膜保持器的使用中也有非常重要的作用。乙醇将使聚合物塑化,水分会导致材料中的填料滤出,而微生物产生的酯酶将降解聚合物,这些都将引起材料的腐蚀性磨损,影响其使用寿命。

    3. 展望

    目前关于热压膜材料的结构材料如PET、PETG、TPU、PC、PP等的研究已经比较透彻,因此通过各种方法改善结构材料的性能成了热压膜材料发展的新方向。现在主要是通过添加其他物质进行改性或者改变材料的层次结构来获得比市场上的商业材料拥有更优秀性能的新材料。共混改性,是通过将不同的聚合物按一定的比例混合来获得新的材料。这种共混物可以具有各组分的优点,通过选择不同的原材料及改变各组分的的质量比可以很好地改善共混物的相关性能。比如PETG、PC和TPU进行共混改性,当混合比例为7︰1︰2时,PETG/PC/TPU表现出了最佳的机械性能,其吸水性及应力松弛特性也优于商业产品Erkodur和Biolon。

    虽然PETG/PC/TPU三元共混物较其他共混物有更好的机械性能,但是TPU降低了材料的透明性和抗张强度,同时为了防止氧化,这种共混物的制作条件非常严格。而PC有非常优越的抗张强度和抗挠曲强度,与TPU相比,它同PETG的兼容性更好。因此也有学者使用PC对PETG进行改性,随着PC含量增加,共混物的抗张强度和抗冲击强度增加,但是断裂伸长率下降。当混合比例为7︰3时,PETG/PC2858表现出了最佳的机械性能,且优于Erkodur和Biolon。Ahn等则是通过改变材料的结构来改善材料性能。他们研制了一种新型多层混合材料用于制作透明保持器。它含有3层结构,内层为加强型树脂核心,中间层为TPU软型聚合物,外层为PETG硬型聚合物。面及切端增加的树脂核心提高了材料的耐磨性和机械强度,可以防止保持器颊-腭侧变形,TPU层有缓冲作用,而PETG层有良好的成形性、光学性能、抗疲劳性和尺寸稳定性,有助于维持弓形。

编辑: 陆美凤

网友评论