口腔新型正畸弓丝的研究进展

2019-9-11 10:09  来源:临床口腔医学杂志
作者:李豆豆 曹猛 阅读量:1409

    正畸弹性弓丝、橡皮圈、永磁体和肌收缩力等是正畸矫治力的主要来源,而正畸弓丝作为最重要的正畸力来源,在正畸治疗中一直备受关注。正畸弓丝与托槽之间的相互作用直接关系着正畸的治疗效果、周期以及治疗后的稳定性。此外,随着越来越多的成人患者选择正畸,人们对于正畸矫治器的美学性能和生物安全性的要求也愈发突出,这使得弓丝的高效、美学和安全成为必要条件。本文将结合国内外文献,对正畸传统弓丝和新型弓丝的研究进展、性能和应用做一阐述。

    1.正畸弓丝的发展

    1.1传统贵金属弓丝

    正畸弓丝的研究发展受一系列因素的影响,最主要是与临床实践相关。十九世纪80年代晚期,临床上使用的是镍银和铂金合金等贵金属合金,这些合金的优点是柔软、有较高的弹性,但弓丝不能移动个别牙齿或整平牙弓。方丝弓矫治技术是二十世纪20年代由Dr Edward Angle引入,方丝弓系统虽然能在三维方向上控制牙齿的移动,但由于当时依然采用贵金属合金,并不能对牙齿的移动进行稳定、有效的控制。

    1.2传统非贵金属弓丝

    不锈钢丝出现于二十世纪20年代末,其具有更高的强度和良好的延展性和耐腐蚀性。二十世纪30年代早期,锻造不锈钢和氟助溶剂的产生,成功地实现了焊接技术,贵金属弓丝退出历史舞台。二十世纪30~50年代,美国正畸主要受Dr Charles Tweed的影响,口内矫治力都是相对较重且间歇性的。50年代中期,P.R.Begg将轻力矫治引入正畸领域,这促使正畸学者寻求有更低硬度、更高弹性性能的弓丝。

    二十世纪60年代早期,美国海军研究实验室发现了一种具有形状记忆效应的合金,被称为镍钛合金。这种合金可预先成形,当再次加热时能够恢复原来的形状。镍钛丝在升温加热时,应力应变模式发生改变(奥氏体和马氏体的相互转化)并有形状记忆功能,更重要的是回弹性好、承受张力时其弹性模量远小于不锈钢。镍钛丝良好的性能引起了正畸界的广泛关注。

    1.3橡胶合金

    Beta钛合金(titanium molybdenum alloy,TMA)同镍钛丝相比,前者可焊接、成形性好,更重要的是比不锈刚丝弹性高,不含有可致敏的镍,其缺点为摩擦系数大,常用于后期调整阶段,可以更好地控制牙齿。2001年,日本丰田研究中心研制出一种新的Beta钛合金-“橡胶合金”(Gum Metal),橡胶合金在强冷加工下的“超”性能包括:超低的杨氏模量、超高强度、高屈服应变、高延性,以及室温下的超塑性变形能力。橡胶合金的超低杨氏模量可以提供稳定、温和而持久的力量,可以在正畸临床中更好的控制牙齿的移动。

    1.4美学弓丝

    随着成人正畸患者的增加,学者对正畸弓丝的美观和安全性研究越来越多。陶瓷托槽的出现使美学正畸一度掀起热潮,然而,陶瓷托槽与普通镍钛丝和不锈钢等金属弓丝联合应用时,并不能真正实现美学正畸,陶瓷托槽的美学优势大打折扣。此外,应用金属弓丝材料时存在如金属过敏和干扰磁共振成像等问题。纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer/plastic,FRP),是由纤维材料与基体材料(树脂)按一定的比例混合后形成的高性能型材料。

    有学者认为,FRP有可能成为口腔临床中的常用材料,如义齿的修复材料,前牙的固定保持器,以及代替常规的不锈钢丝来移动牙齿等。Imai等研究出一种兼具美学和生物相容性的PRP弓丝,该弓丝是由聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate,PMMA)作为基质和CaO-P2O5-SiO2作为纤维的新型丝。FRP的拉伸和三点弯曲测试显示其性能可与镍钛丝媲美,温度发生变化时,其性能基本稳定并可提供持续的矫正力。FRP与牙齿颜色相近,尤其是使用陶瓷托槽时,如配合FRP弓丝,能真正实现美学正畸。

    在矫正治疗的不同阶段,弓丝的机械性能要求不同,可通过调整FRP的纤维材料、纤维含量、纤维排列等成分,以改变性能满足不同治疗阶段对弓丝的多种要求。此外,FRP可以应用于成人的舌侧矫治,为美学需求高的患者提供完全隐形的矫治器。另一种美学弓丝是被膜涂层弓丝,通过刚丝上的涂层来模拟牙齿的颜色。用于涂层的材料主要是含氟树脂或环氧树脂等聚四氟乙烯类的塑料树脂。这种弓丝需要由超强粘附性能的粘接剂实现环氧涂层和弓丝之间的粘接。

    而许多学者认为被膜涂层弓丝是不耐用的,涂层弓丝在口腔环境中、咀嚼活动和口腔中酶的作用下,通常3周左右就会被破坏,出现被膜裂开、露出底层金属等问题;涂层弓丝的颜色往往随着时间的推移在口中发生变化。此外,涂层弓丝与相同尺寸的其他弓丝相比,其更小的合金内核使其不能提供充足的牙齿移动动力;有学者认为这种弓丝的表面涂层会增大弓丝与托槽之间的摩擦力。但有其他学者认为由同一制造商生产的塑料涂层弓丝与未涂层的弓丝相比,前者摩擦性显著地降低。

    还有一些学者认为,美学弓丝的粗糙度并不取决于美学涂层材料的类型,而是受涂层涂覆方法的影响,涂层的孔隙率越低,弓丝的粗糙度越低。虽然存在争议,被膜弓丝依然在临床中占有一定的市场和使用率。此外,还有一种机械性能和热性能优于传统材料的塑料,称为工程塑料。超级工程塑料(super engineering plastics,SEPs)由于其机械强度高,并有改良的热稳定性和化学稳定性,得到了广泛使用。在各种SEPs中,聚醚醚酮(polyetheretherketone,PEEK)的机械强度最高。医学上,聚醚醚酮(PEEK)已被证明是一种在整形外科应用中钛的优秀替代品,并已用于口腔修复植入物、临时基台等。

    Shirakawa等研究的PEEK管复合弓丝是由弓丝穿过PEEK管制造的丝状物,这种弓丝不仅表现出良好的强度和低摩擦性,而且可以满足患者的美观要求,甚至可以根据不同种族、性别和年龄来调整弓丝颜色。

    2.正畸弓丝的性能

    弓丝的性能主要包括力学性能、生物安全性和美学性能。目前对弓丝的性能研究主要在体外进行,而在口腔环境中,受温度、pH值等的影响,弓丝性能会受到不同程度的影响。尽管这些测试不一定完全反映弓丝在口腔环境中的情况,但可以提供弓丝之间最基础的比较。

    2.1弹性和塑性

    物体在外力作用下产生形变,外力恢复后可以完全恢复其原来的形状,这种变形是弹性变形。力量超过弹性极限,去除外力后物体不能完全恢复其原始形状被称为是塑性形变。从分子和原子水平上分析,金属是多晶体,弹性形变时,相互连接的原子被打开,应力应变间有相对确定的线性关系;塑性形变时,晶粒内部的晶面发生滑动、晶粒间发生转动和移动。滑移的动力是滑移面上沿滑移方向的分切力,当这个分切力超过金属晶体的临界分切力时,发生晶面的滑动以及晶粒间的转动和移动,产生塑性形变。塑性形变时金属外形发生改变,不再有弹性形变的线性关系。

    2.2刚性

    弹性模量是衡量刚性的量,也称杨氏模量,它表示材料抵抗弹性变形的量。弹性模量通常被认为是牙齿生物学移动的重要参数,通常在实验室的三点弯曲实验中被用来评判材料的刚性。在国际标准DINENISO15841(2007-01)中,定义了正畸钢丝的三点弯曲测试的确切参数。

    2.3摩擦性

    低摩擦力是理想弓丝的性能之一。固定矫治器中支抗的保护与丧失、快与慢,甚至矫治的成败很大程度与摩擦力有关,如何控制应用摩擦力在正畸治疗中尤为重要。在实际临床中,摩擦和表面粗糙度没有直接关系。摩擦系数高并不意味着摩擦力大,摩擦力与其他很多因素有关,如结扎类型,牙齿位移量、弓丝的相变等。

    2.4生物相容性

    材料的生物安全性主要取决于其溶解或腐蚀而释放的物质及其与宿主和组织之间的反应。弓丝的耐腐蚀性与生物安全性相关。Eliades等认为,不锈钢和镍钛合金中释放的离子和其引起的生物危害没有直接证据。从不锈钢和镍钛合金中释放的离子对牙周膜和牙龈成纤维细胞的生理活性没有明显的影响。此外,镍是每日膳食补充的一种重要的维生素和矿物质。但是,更多的学者认为不锈钢和镍钛丝具有细胞毒性;还有学者发现当患者使用各种漱口水来增白牙齿时,镍和铬可能会从不锈钢丝和镍钛丝中释放出来,并可能导致过敏反应和细胞毒性。基于此,大量的研究着眼于改善弓丝的腐蚀性,如对镍钛丝进行钛涂层可能减少镍过敏的机率,氟包绕的钛丝在细胞预实验中表现出良好的细胞生存率,另外电极处理、与相变相关的应力应变可改变超弹镍钛丝的腐蚀速率等。

    2.5可焊接性

    焊接是用加热或者不加热的方式连接物体的表面。焊接附件的弓丝可以传递适当的力,这有利于临床医生施加的力向阻抗中心转移,从而更好的控制牙齿的移动。

    2.6美观性

    目前美学弓丝主要有FRP、被膜涂层弓丝和工程塑料等,通过模拟或透出牙齿的颜色达到美学效果。

    2.7口腔环境的影响

    弓丝的体外实验大多模拟人工唾液、电解质、水和其他媒介,但与口腔环境最大的不同在于口腔环境中的菌群、菌群产物和菌斑累积。口腔材料在口腔环境中的老化现象可能会改变弓丝的形态、结构和性能,其影响也日益受到学者的关注。含Cu的NiTi形状记忆合金的回复力依赖于温度,其温和复苏力的最优范围是常规口腔温度。而且,这些材料表现出良好的可逆性和恢复原来形态后力的持久性,形状记忆合金大部分时间都是温和的力使牙齿移动,只有当患者喝热饮吃热的食物时才会产生更大的力,间断地加速牙齿的移动。Hobbelink等认为唾液的pH值协同弯曲度共同影响不锈钢丝的机械性能。体外研究表明,漱口水可以改变弓丝的加载力、卸载力以及表面形态,这可能会影响正畸治疗期间弓丝的机械性能。

    3.小结

    不锈钢丝从引入正畸届界以来一直受到欢迎,临床上常用的不锈钢丝有澳丝、多股丝等。不锈钢丝刚度大,可成形性、生物相容性和环境稳定性较好,在临床中多用于后期牙齿的定位、骨改建和关闭牙列间隙等。目前,不锈钢丝在口腔中的腐蚀也引起学者的广泛关注。临床上常用的钛合金丝主要有镍钛丝和TMA。镍钛丝具有良好的形态记忆和超弹性、力量柔和持续等优点,常用在正畸初期的排齐整平阶段。但镍钛丝刚度低,不适合转矩的控制;同时镍钛丝的腐蚀性和细胞毒性不容忽视。

    橡胶弓丝是近年来钛合金的研究热点,虽然其变形机制存在争议,但应用潜力巨大。FRC是目前最受关注、前景最广阔的新型美学弓丝。通过调整基质和纤维的成分,可能同时实现对美学和性能的要求。对不锈钢丝过敏和对美观要求高的患者而言,纤维增强复合材料制造的弓丝可能是传统不锈钢丝的有效替代品。正畸弓丝从正畸学科始初就受到学者的关注,弓丝发展至今已取得很大的进步,但其与矫治技术、附件的发展和正畸患者的需求密切相关,相信在未来会有更多的改进和创新。未来的弓丝必然向高弹、高效、美观、安全方向发展,或许还可借助计算机辅助设计满足性能的个性化需求。

编辑: 陆美凤

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