正畸固定矫治中摩擦力控制的方法与机制

2019-3-13 10:03  来源:北京口腔医学
作者:吕汶諠 韩冰 阅读量:10243

    在固定正畸治疗中,不同矫治阶段对摩擦力的需求也不同,在用滑动法关闭间隙阶段,减小摩擦力有利于减短矫治时间、减小支抗损失,而在纠正扭转牙及精细调整阶段,增大摩擦力则能使矫治效率提高,托槽数据更充分表达。因此在临床过程中对摩擦力的把控能力,会直接影响矫治的效果与疗程。正畸过程中影响摩擦力的因素主要可分为两大类:机械因素和生物因素。研究者针对这两种因素对摩擦力影响中的大部分观点已经达到共识,但针对其中的部分观点仍然有争议。本文将正畸过程中摩擦力的影响因素作一综述。

    1.机械因素

    固定矫治中有3个常用装置对摩擦力的影响最大,分别是托槽、弓丝及结扎丝。而在三者组合结构中,又以结扎对摩擦力的影响最显著;若排除结扎因素,则弓丝材料本身对矫治摩擦力的影响最大,其次是托槽的材质及托槽表面的摩擦系数。

    1)托槽设计:弓丝与槽沟的接触面积越大产生的摩擦力也越大。以Begg托槽为例,其槽沟与弓丝为点接触,摩擦力可接近于零;Tip-edge托槽在Begg托槽的基础上做了改进,改变弓丝入槽的方式,其摩擦力相较于Begg托槽稍大,但仍远小于方丝托槽。自锁托槽消除了结扎摩擦力,当牙齿平行移动时摩擦力明显较传统托槽小,但这项优势在牙齿做倾斜移动时则不明显,甚至不如传统托槽;此外自锁托槽多为单翼窄托槽,被动低摩擦力范围较传统托槽更大。

    自锁托槽可分为主动型自锁和被动型自锁,被动型自锁托槽减小摩擦力的表现比主动型更优秀,原因在于两者结构不同。主动型自锁托槽的锁夹关闭并加力于弓丝,托槽内的弓丝段与托槽壁及锁夹的贴合始终较紧密,也有较大的接触面积;而被动型自锁托槽的锁帽则不会主动对弓丝施加压力,仅是限制弓丝在槽沟里滑动而不脱出,故摩擦力始终较小,仅为几克。

    低摩擦轻力托槽,如六翼结构的托槽,中间的主翼较高,结扎主翼时仅被动限制了弓丝在槽沟内滑动,槽沟内仍有较大余隙,可以实现低摩擦力;托槽两侧的辅翼较低,当同时结扎主翼及辅翼,则与传统托槽的常规结扎无区别。

    材料:在临床常用的不同托槽材质中,摩擦力从大到小依次是塑料托槽、陶瓷托槽、不锈钢托槽,也有学者认为后两者的摩擦力无显著差异。塑料托槽因为材质较软,在较大结扎力下形变明显,给位于槽沟内的弓丝施以较大约束力,在各种托槽材质中摩擦力最大。

    陶瓷托槽摩擦力较大的原因主要取决于陶瓷本身的材料特性。经过长时间的持续性外力作用,容易增大、增多陶瓷中固有的微小裂纹,导致材料逐渐遭受腐蚀;另一原因为陶瓷托槽与弓丝滑动时所产生,单晶体氧化铝陶瓷在与弓丝滑动时会以坚硬的边缘切削弓丝,而多晶体氧化铝陶瓷在与弓丝滑动时会产生锉刀样动作,故多晶体者摩擦力较单晶体者更大。

    纯钛托槽的摩擦力比陶瓷托槽、塑料托槽都低,原因是纯钛托槽的表面易形成碳氧化合物的基层结构,使其与不锈钢托槽有着相近的摩擦系数,从而减小摩擦力。但由于纯钛材质易被磨损、擦伤,故摩擦力仍大于不锈钢材质所制的托槽。有研究通过在托槽上镀金刚石样碳、氮化钛涂层、离子植入等表面处理方法,也能使得材料表面粗糙度减小,从而降低摩擦力。

    制作工艺:通过烧结工艺制成的不锈钢托槽,其摩擦系数小于传统铸造打磨的托槽,原因是烧结工艺制造出的托槽表面较光滑,约能使它的摩擦力比传统铸造降低约40%~45%。

    近远中宽度:有学者研究显示托槽越宽时摩擦力越大,原因可能与结扎圈在宽托槽上拉伸较大造成更大的结扎力有关,也有研究显示摩擦力与托槽的宽度成反比,造成不同结果的原因可能在于实验设计中模拟牙移动的自由度,自由度大时窄托槽允许牙有较大的倾斜度,托槽与弓丝的接触角较大,使滑动摩擦增大。

    托槽位置:不同的托槽位置会影响摩擦力,原因是槽沟与弓丝间的垂直压力发生变化。

    2)弓丝材料:弓丝的表面结构越粗糙,则摩擦力越大。经扫描电镜及镜面反射技术观察,可见不锈钢丝的表面最光滑,其他依次是钴铬合金丝、β-Ti(TMA)和镍钛丝。TMA摩擦力大的原因是其弓丝较软,易产生磨损,进而增大了摩擦力。有研究发现,在不同自锁托槽中使用0.019×0.025的不锈钢丝及镍钛丝,两者摩擦力并无明显区别,原因可能是该实验并未设置弓丝与托槽的角度,在弓丝及槽沟平行的状态下自锁托槽的余隙较大,故未产生明显差异。而在同样装置中,TMA丝的摩擦力在各尺寸上都大于不锈钢丝和镍钛丝。

    表面处理方法也能有效减小弓丝的摩擦力,比如有研究发现氮化钛涂层能使镍钛丝表面惰性钝化,降低摩擦系数,故经过氮化钛涂层处理后可显著减小弓丝与托槽间的摩擦力。形状:矩形弓丝较圆形弓丝产生的摩擦力大,原因是矩形弓丝的有效转矩更大,对托槽施加的压力也大。但在托槽与弓丝出现约束的情况下,圆丝也可能比方丝摩擦力更大。有研究显示,在托槽与弓丝呈6°夹角或更大时,0.020英寸的圆形弓丝所产生的摩擦力大于0.017×0.025英寸的方形弓丝。硬度、刚度:在矫治错位的牙时,弓丝硬度、刚度越大则摩擦力越大。圆形弓丝的刚度小于矩形弓丝,故在排齐初期摩擦力较方丝小,随着牙齿排齐两者差距渐小。

    3)结扎

    结扎力量:结扎力量越大则摩擦力越大。原因是力量加大时会增大弓丝与托槽间的压力,从而增大摩擦力。结扎方式:结扎圈的摩擦力大于结扎丝,原因是橡皮圈与弓丝间的摩擦系数较大。有研究表明,结扎圈产生的摩擦力约等于用结扎丝施以225g结扎的力,若将结扎丝先紧扎后松扎,让弓丝可以更自由地滑动,则能减小其摩擦力。

    橡皮圈结扎方式:弹力圈单翼双结扎比传统结扎摩擦力增大70%~220%。尺寸:研究表明橡皮圈的厚度、外径越大,其摩擦力也越大,故大号结扎橡皮圈比小号、中号结扎橡皮圈增大了13%~17%的静摩擦力。结扎丝尺寸越粗摩擦力越大,原因是与弓丝的接触面积增加,从而增大摩擦力。

    设计:低摩擦力结扎圈可封闭槽沟使其形成一个封闭的管道,弓丝在槽沟内可自由滑动,加速牙齿排齐。经实验证明,低摩擦力结扎圈在减低矫治系统摩擦力上不亚于自锁托槽。

    制作工艺:包括表面处理和加工方法。表面处理:经过表面处理的超滑橡皮圈、浸透硅酮的橡皮圈可降低摩擦力。超滑橡皮圈是在橡皮圈外层涂布化学聚合物硅酮,在干燥条件下比常规的橡皮圈结扎静摩擦力更小,在湿润的条件下可减至将近原来的20%摩擦力。浸透硅酮的橡皮圈,在干燥条件下仅为小号、中号常规橡皮圈摩擦力的66%~77%,为大号常规橡皮圈摩擦力的57%~65%。

    加工方法:有实验表明,通过模具形成的橡皮圈比通过切割产生的橡皮圈摩擦力低。通过切割产生的橡皮圈,根据临床需要有圆形、方形和不规则形,但研究表明摩擦力并不受截面形状所影响。

    4)弓丝与槽沟的搭配尺寸:在托槽槽沟尺寸固定的情况下,弓丝的尺寸越大,两者的余隙越小,则产生的摩擦力也随之增大。弓丝与槽沟的角度:研究发现,随着弓丝与托槽间夹角的增大,摩擦力也跟着增大,原因可能在于弓丝与槽沟的接触面积变化。当弓丝与托槽间夹角较小时,不锈钢丝搭配不锈钢托槽摩擦力最小,可以获得最高的滑动效率,原因是其表面较光滑,此外,金属托槽与金属弓丝间硬度差别小,不易产生弓丝-托槽间的磨损和刻痕现象;当弓丝角度恰与托槽槽沟的两端均有接触时,镍钛丝和单晶陶瓷托槽的组合滑动效率最低。

    弓丝与槽沟的材料:当两接触物体间作相对滑动或有相对滑动的趋势时,物体表面之间存在阻碍物体相对滑动的相对作用力称为滑动摩擦力,其大小与压力成正比,并受接触物体的材料性质以及接触表面的状况(光洁度,温度,湿度及表面有无润滑等)影响,与接触面积无关。在托槽与弓丝搭配的组合中,弓丝材料的影响力最大,大于托槽的种类及其表面的摩擦系数。

    有学者分别用不锈钢、陶瓷、塑料材质的3种常用托槽,搭配不锈钢丝并测量其摩擦力,研究结果表示摩擦力最大的组合为塑料托槽搭配不锈钢丝,而不锈钢托槽搭配不锈钢丝所测得的摩擦力最小。弓丝在槽沟内的滑动速度:不锈钢和镍钛弓丝与不锈钢或铝托槽之间的摩擦因数不受弓丝滑动速度的影响,但当弓丝滑动速度从1 cm/min降到0.00005 cm/min时,钴铬合金和B-钛弓丝组合的动、静摩擦系数分别有轻微升高及明显下降。

    5)牙齿移动方式

    作用于牙齿上的力对摩擦力的影响因素包括了施力位置、力的方向、临近牙的位置、牙齿倾斜量、移动方式等,力的作用点越靠近牙颈部、越接近牙齿的阻抗中心时摩擦力越小。由于牙冠是以非连续性方式移动的,这样的移动能释放捆绑力,进而降低摩擦力。研究表明在近远中方向移动0.16mm,牙移动产生的滑动阻力分别在0.016镍钛丝下降19%,在0.019×0.025的TMA丝下降27%,在0.019×0.025及0.021×0.025的不锈钢丝上分别降低80%和85%。

    2.生物因素

    1)唾液温度、作用时间:有研究表明,在22~60℃的温度范围内,弓丝机械性能变化小。而关于作用时间对摩擦力的影响,学者们有不同看法。有研究发现无论是镍钛合金丝还是不锈钢丝,在模拟口腔环境中放置一段时间均呈现机械性能下降的趋势,可能是由于弓丝表面发生腐蚀,最终导致摩擦力增加。也有研究显示,不锈钢丝在连续5个月后摩擦力的变化并不明显,对牙齿移动和支抗维持都没有显著影响。

    水解作用:长时间的水解作用会使弹力结扎圈发生永久变形,使其弹力衰减,进而减小摩擦力。腐蚀作用:腐蚀作用的产生必然会使得金属表面粗糙度增加,进而对摩擦力产生影响。研究发现,当唾液的流速降低、流量减少时,可侵袭金属表面形成腐蚀性凹陷,进而增大摩擦力。临床上可以引起唾液分泌减少的药物主要是M受体阻断剂类药品,如阿托品、山莨菪碱、东莨菪碱等。粘性和润滑作用:关于唾液对摩擦力的影响,学者们研究的结果不尽一致。

    粘性作用:有学者认为唾液的粘性作用使摩擦力增加,可能是弓丝与托槽表面的氧化层被唾液破坏,或是唾液作为极性液体在极性物质中使粘力或引力均增大(摩擦粘性理论),也可能是弓丝浸泡在人工唾液里,使其表面附着了纤维素,表面粗糙度增大进而使产生的摩擦力增大。还有学者认为当唾液存在于间隙中时,会吸附于在两表面上,在其间形成像负压一样的封闭空间,增大了弓丝与托槽发生相对滑所需的力,进而使摩擦力增大。

    润滑作用:部分学者认为由于唾液的自身性质,导致金属的粗糙表面被唾液分子占据,使金属表面变得光滑;另有数据表明,唾液在弓丝与托槽间形成的薄膜可减小15%~19%的摩擦力,原因是薄膜阻挡了两个粗糙界面的直接接触,降低接触面的强度,减少弓丝与托槽间形成的桥梁结构,发挥了润滑效果。双重作用:另外还有学者认为人工唾液起双重作用,既可以减小摩擦力,起到润滑剂的效果,也可以增加摩擦力,起黏滞剂功效。

    人工唾液减小摩擦力的效果优于唾液和水。在被动装置及人的自然唾液条件下,唾液随着垂直作用力的增加,表现为粘附作用、滑动作用交替出现,摩擦阻力上升、下降交替。无作用:部分人认为唾液对弓丝、托槽间摩擦力无影响。有学者进行了体外研究,结果表明当托槽轴倾角在5°~150°范围内,滑动阻力随着轴倾角增大而增大,由于滑动阻力较大可忽略唾液所带来的润滑作用。另一个原因可能是由于弓丝与托槽间压力较大,将唾液挤出间隙故没有起到润滑作用,不管在干、湿状态下所产生的摩擦力并无区别。

    pH值:同浸泡时间,摩擦力大小与唾液pH值成反比,原因是随着pH值的下降,弓丝中的金属离子析出,腐蚀增强;弓丝浸泡在酸性环境时间越长,则被腐蚀的程度增加,故在相同pH值条件下,摩擦力大小与浸泡时间成正比。

    2)获得性膜和菌斑增大摩擦力:成熟的菌斑会形成不可逆的微晶沉淀,并附着于弓丝和托槽的表面,使其表面成分及局部结构发生改变,最终加大弓丝、托槽间的摩擦力。

    双重作用:一方面,由于唾液蛋白的吸附、菌斑的聚集及生物膜的形成,大大降低了接触面的摩擦系数,摩擦力随之减小;另一方面,由于膜的钙化,增加了表面粗糙度和剪切阻力,进而增大摩擦力。咀嚼、咬合力:关于咀嚼、咬合力对摩擦力的影响,学者们有不一样的看法。有学者认为咀嚼时,牙周膜的缓冲效应和牙齿的生理性移动能有效降低摩擦力。而部分学者应用有限元分析后,却得出相反的结论,认为随着咬合力增大,引起的牙体垂直向位移会增大托槽结扎翼对弓丝产生的正压力,因此弓丝托槽间的摩擦力也是增大的。

    生物抗力:生物抗力即由牙齿支持组织产生的正畸力的反作用力,当它增加会使压力及摩擦力增加,增加几乎呈一个线性关系。生物抗力由机体内部的因素决定,如骨密度、年龄、牙根情况(数目,结构,牙根表面积)以及咬合关系,它是牙齿移动的抗力之一。

    3.正畸临床常用的控制摩擦力的方法

    在正畸的不同阶段所需的摩擦力不同。在需要牙齿沿着弓丝滑动的阶段,低摩擦力有利于更高效地达到矫治目标,如排齐牙列阶段、利用滑动法关闭拔牙间隙时;在需要精准控制牙齿时,则需要较大的摩擦力,如关闭间隙阶段时前牙的转矩控制、矫正扭转牙、精细调整阶段。

    临床上常用的控制摩擦力的方法如下:①在选用托槽时应针对矫治需求挑选,塑料托槽的摩擦力最大,其次是陶瓷托槽,不锈钢托槽摩擦力最小;而烧结不锈钢托槽又比铸造不锈钢托槽减小约40%的摩擦力。②用不锈钢托槽时选用不锈钢弓丝,摩擦力最小,滑动最有效。③使用结扎丝比使用结扎圈摩擦力更小,使用较厚的结扎圈或较粗的结扎丝时摩擦力更大。④陶瓷托槽是摩擦力较大的一种托槽,但搭配镀Teflon(氟聚物)的结扎丝可以有效减小摩擦力。⑤在牙齿滑动阶段,使用较松、较轻的结扎力,或者使用单翼结扎、斜结扎等结扎方式使摩擦力较小,滑动效率较高;而表达转矩时则加大结扎力量,或者使用紧结扎、弹力圈的8字形结扎使弓丝完全入槽,也可以增加摩擦力。⑥滑动时尽量避免使用摩擦力大的弓丝,如TMA丝。⑦在关闭间隙前彻底整平牙弓,若未整平则当弓丝与托槽的接触角大于3.7°时,增长的紧缚力会使得滑动效率降低。⑧不锈钢方丝比不锈钢圆丝的摩擦力大,在不需要转矩控制的阶段,尽量使用圆丝以提高矫治效率;控制转矩时,使用方丝内收牙齿效率最高。⑨对于前牙用陶瓷托槽、后牙用不锈钢托槽的病例,应使用在两种托槽间摩擦力差别较小,且尺寸较大的弓丝来关闭间隙。原因是不锈钢托槽的摩擦力较陶瓷托槽小,容易使得作为支抗的后牙移动比前牙移动更快,产生丢失支抗的结果,弓丝的尺寸越小则此现象更明显。⑩关闭间隙阶段可以考虑使用刚度较高的不锈钢圆丝,防止因约束角产生的摩擦力。在关闭间隙的圆丝选择上,建议使用硬度大于0.018英寸不锈钢圆丝的弓丝,或使用0.020英寸的不锈钢圆丝;使用较大尺寸的弓丝时,弓丝与托槽间的余隙减小,会产生更大摩擦力。内收牙齿阶段,可以先在方丝上弯制第三序列弯曲,对牙齿进行转矩控制,再在较细的弓丝上应用滑动法来关闭间隙,以避免在滑动过程中,由于方丝边缘与槽沟产生过大紧缚力,进而加大滑动摩擦力。

    综上所述,影响正畸中摩擦力的因素是多种多样的,在临床中可以结合实际情况对摩擦力进行控制,达到良好的矫治效果,目前尚有争议的影响因素,是将来研究者们着重研究的方向。

编辑: 陆美凤

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