模拟口腔环境下隐形矫治热塑性材料的力学性能、结构及化学成分的变化

1. 材料预处理
目碳支持膜 TEM 专用铜网上，室温干燥。TEM 观
将 Erkodur 材 料（Erkodent Erich Kopp GmbH, 测在日本电子的 JEM-2100F 型场发射 TEM 上进行
Pfalzgrafenweiler, Germany， 厚 1.0 mm） 用 压 膜 （JEOL, Japan），工作电压为 200 kV。
【Abstract】 Objective To evaluate the effect of heat treatment, water and heat on the composition, structure and mechanical properties of orthodontic thermoplastic materials in the simulated oral environment. Methods Erkodur materials were heat softened (160 ℃ ), soaked in artificial saliva, aged in a 37 ℃ incubator, and then soaked for 12 hours, 3 days, 2 weeks and 4 weeks, respectively, and their mechanical properties and molecular structures (FTIR), surface morphology and internal structure (SEM and TEM) and chemical composition (STEM-XEDS) were observed. Results After heat treatment, the chemical composition and primary structure of the material did not change significantly, but the mechanical properties decreased. After immersion in artificial saliva at 37 ℃ for 4 weeks, the primary structure of the material did not changed significantly, but the mechanical properties were improved. Conclusions The simulated oral environment does not change the primary structure of Erkodur, but its advanced structure may be damaged to some extent due to water swelling. Therefore, the changes of mechanical properties of thermoplastic materials are mainly due to the changes of these advanced structures of polymer.
的烧杯中，加入人工唾液（科达 AR-8802，东莞 子万能材料试验机（CMT6104, SANS, 中国），其中
市科鸿化工有限公司），用 Parafilm 膜封口，并用 5 个试样进单轴拉伸试验，拉伸速度为 2 mm/min，
锡箔纸包裹后，置于 37 ℃恒温箱中老化，分别于 获得弹性模量（Et）、拉伸强ar aligner therapy; Thermoplastic materials; Mechanical properties; Infrared spectroscopy
近 20 年来，应用隐形矫治技术矫治各种错牙合 畸形的患者总数在国际上已经超过了 500 万例，其 适应征在不断扩大，临床应用也在不断的推广 。 [1-3] 然而，临床使用发现，多数病例出现了牙齿移动 滞 后， 未 能 达 到 预 期 的 治 疗 效 果 等 现 象。 其 中， 70%~80% 的病例需要在治疗过程中，修正预定的 牙齿移动方案（治疗中途重启）、增加矫治步骤，
机（Erkoform-3D，Erkodent Erich Kopp GmbH,
5. 单轴拉伸试验及应力松弛测试
Pfalzgrafenweiler, Germany）进行热软化处理（160 ℃），
将经过热处理及人工唾液浸泡的 Erkodur 膜片，
为了防止材料在软化过程中变形，在材料的下方 按国家标准 GB/T1040.3-2006[12] 将样品用冲切方法
【关键词】 无托槽隐形矫治 ；热塑性材料 ；力学性能 ；红外光谱 【中图号】 R783.5 【文献标识码】 A 【文章编号】 1006-673X(2021)03-0129-06
Mechanical property, structural and compositional changes of orthodontic thermoplastic materials in simulated oral environment FANG Dong-yu, ZHANG Li, LI Xiao-wei,ZHANG Ning, WANG Hong-mei, BAI Yu-xing. Department of Orthodontics, Capital Medical University School of Stomatology, Beijing 100050, China
品，应用傅里叶红外光谱仪（Nicolet 6700，Thermo Electron Corporation, USA）进行研究。扫描范围为
结 果
600~4000 /cm，分辨率为 0.5/cm，以空气为参比，
1. 红外光谱分析结果
在室温下进行光谱采集。为了提高信噪比，每个样
Erkodur 膜片原始材料的红外光谱见图 1。由
因素的影响。一般而言，材料越厚，形变后产生的 瞬时力量更大 [10]，而 Kwon 等 [9] 的研究表明材料厚
值，并参照红外光谱图谱数据库和相关文献，判定 各主要吸收峰所代表的官能团，从而推断材料的可
度越小，储存的能量越多，更适合于临床使用 ；同 能分子结构及其变化。
时，材料的力学性能在热成型后下降，在恒温水浴
放置一平滑石英片（厚约 3.0 mm），软化后不进行 制成 5 型标准试样，试样边缘应光滑无缺口，并用
正 / 负压成型处理，得到经过热处理的 Erkodur 膜片。 低倍数放大镜检查，每组各 8 个。在室温大气条
将经过热处理的 Erkodur 膜片放入经干热灭菌 件下（测试温度 23 ℃，相对湿度 31 %），应用电
基金项目 ：国家自然科学基金（81701000）；国家重点研发计 划子课题 - 隐形矫治器材料（2017YFC1104304（YB））
作者单位 ：100050 北京 首都医科大学口腔医学院正畸科 通 讯 作 者 ：白 玉 兴，E-mail ：byuxing@， 电 话 ： 010-57099004
行以下研究。
并记录 1 h 后的剩余应力 N1。1 h 内的应力松弛速
2. 红外光谱分析
率按公式 (N0 -N1)/3600 计算，单位为 N/S。对比
将经过热处理及人工唾液浸泡的 Erkodur 膜片 老化前后的指标变化，用单因素方差分析（SPSS
切 割 成（1.0×1.0）cm 的 小 片， 每 组 制 作 3 个 样 17.0）观察老化处理对材料这些指标的影响。
浸泡 12 h、3 天、2 周和 4 周后，取出样品，用蒸 率（ε tB）等指标。
馏水超声波洗涤样品 3 次，每次 3 min，用吸水纸
另 3 个试样进行应力松弛试验，以 2 mm/min
吸取表面吸附的水分，在室温下（20 ℃）进行真 的速度在 1 min 中内将试样拉伸到 1% 的应变，记
空干燥 12 h，得到经人工老化的 Erkodur 材料，进 录初始应力 N0，然后进行为期 1 h 的应力松弛试验，
以及在模拟口腔环境下，水和热等物理、化学因素 观测电压为 2 kV，工作距离为 6 mm。
对该材料的成分、结构和力学性能的影响，从而认
4. 透射电子显微镜分析
识材料的老化变化。
用干净锋利的手术刀片从样品边缘刮取少量
材料和方法
碎屑，置于石英研钵中，加入少量无水乙醇，轻 轻研磨 3 min，然后取 5 μl 试样悬浮液滴加到 200
甚至有些病例仍需要更换为传统的固定矫治技术继 续进行治疗 [4, 5]。Rossini 等 [6] 综述表明，隐形矫治 中，伸长移动是可预测性最低的，精确度为 30%， 其次是旋转运动（36%）。研究推测，热塑性材料 的力学性能及其在口腔环境中的老化可能是导致临 床治疗效果欠佳的因素之一。
在无托槽隐形矫治中，施加正畸力的是热塑性 材料，应力 - 应变关系随时间而改变，且受使用环 境（如溶液、温度等物理化学因素）的强烈影响 [7]。 前人对正畸热塑性材料的基本力学性能已开展了大 量的研究，研究方法包括单轴拉伸试验、三点弯曲
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北京口腔医学 2021年第29卷第3期 Beijing Journal of Stomatology June 2021，Vol. 29，No. 3
试验和纳米压痕试验等 [8-11]。这些研究表明，材料 品扫描 200 条红外光谱，最后取平均值。对获得的
的力学性能受到材料种类或品牌、厚度和预处理等 红外谱图进行基线校正后，标出主要吸收峰的波数
3. 扫描电子显微镜观测
中浸泡后增加 ；加载 - 卸载循环或冷热循环后，力
将经过热处理及人工唾液浸泡的 Erkodur 膜
学性能下降，维克硬度增加。
片切割成（1.0×1.0）cm 的小片，每组制作 3 个
然而上述研究很少探究（模拟）口腔环境对材 样品，用双面导电铜胶带粘贴在 SEM 专用铝座
料性能的影响机制。因此，开展正畸热塑性材料的 上，并用专用喷碳 / 金仪（LEICA EM SCD 500,
口腔环境中老化变化的研究分析极为必要，本研究 Leica, Germany） 对 样 品 进 行 喷 金（5 nm） 处
选取临床上常用的 Erkodur 热塑性材料，综合红外 理， 并 用 Zeiss Super 55 型 SEM（Carl ZEISS AG,
光谱学、电子显微学和机械力学技术，研究热处理、 Germany） 对 Erkodur 膜 片 的 表 面 形 貌 进 行 观 测，
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·基础研究·
模拟口腔环境下隐形矫治热塑性材料的力学 性能、结构及化学成分的变化
方东煜 张莉 李晓玮 张宁 王红梅 白玉兴
【摘要】 目的 研究在模拟口腔环境下，热处理、水和热等物理、化学因素对常用的正畸热塑性材料的成分、 结构和力学性能的影响，从而认识材料的老化变化，为临床上正确选择和使用隐形矫治器，更精确的预测和控 制牙齿移动提供一定的指导作用。方法 将 Erkodur 材料用压膜机进行热软化处理（160 ℃），浸泡在人工唾液中， 置于 37 ℃恒温箱中老化，分别于浸泡 12 h、3 天、2 周和 4 周后，测试观察其力学性能、分子结构（红外光谱， FTIR）、表面形貌和内部结构以及化学成分的变化。结果 热处理后，材料的化学组成和一级结构没有发生明显 的变化，但力学性能下降。37 ℃人工唾液浸泡后（最长 4 周），材料的一级结构仍没有明显的改变，但力学性能 提升。结论 模拟口腔环境并不改变 Erkodur 材料的一级结构，但其高级结构可能由于吸水膨胀而存在一定程度 上的破损。因此，热塑性材料力学性能的变化主要来源于高分子聚合物的这些高级结构的改变。