无托槽隐形矫治正畸牙齿材料及生物力学性能分析

2020 年2月第7卷/第5期V ol.7, No.5 Feb. 2020
全科口腔医学电子杂志Electronic Journal Of General Stomatology
29无托槽隐形矫治正畸牙齿材料及生物力学性能分析
向 彪 ，王星星2，王梦含2，吴 刚2*
（1.上海正雅齿科科技股份有限公司，上海 201210；2.上海正雅口腔门诊部，上海 201210）
【摘要】目的 测量并比较三种不同材料热压膜的力学性能，为临床更有效地提高无托槽隐形矫治提供依据。

方法 选用隐形矫治市场上常见的3种热压膜材料，包括Scheu、Crystal Ⅰ和Diamond Ⅰ膜片。

采用
电子万能材料试验机检测材料弹性模量、屈服应变、屈服应变力、拉伸强度和断裂应变，所得的数据用IBM
SPSS21软件进行单因素方差分析，比较不同材料的力学性能。

结果 Diamond Ⅰ弹性模量、屈服应变、屈服
应变力、拉伸强度和断裂应变均高于另外两种材料，弹性模量和屈服应变差异无统计学意义（P＞0.05）；
而屈服应变力、拉伸强度和断裂应变差异有统计学差异（P＜0.05）。

结论 热压膜材料受材料本身内部结
构和外界环境影响，导致不同的热压膜材料具有不同的力学性能。

【关键词】隐形矫治；热压膜材料；力学性能
【中图分类号】R783.5 【文献标识码】A 【文章编号】ISSN.2095-7882.2020.5.29.03
无托槽矫治技术自诞生至今已有二十多年发展历史，
此技术利用计算机辅助设计的矫治器为患者提供一种美
观、舒适和卫生的矫治方法，深受患者和正畸临床医生喜
爱[1]。

在设计软件平台、数字化牙颌模型、功能性辅助附
件不断完善下，正畸医生认识和临床经验也得到不断积
累，无托槽隐形矫治完成矫治病例的数量和质量也在不断
提高。

有研究资料显示，国内外有超过300万例病例量通过
隐形矫治技术完成了正畸治疗；而完成病例数量越多，矫
治病例难度也越来越高，要求矫治器能实现更精准的牙齿
三维方向移动。

而无托槽隐形矫治移动牙齿的正畸力主要
来自热压膜材料变形后的回弹力。

与固定矫治相比，无托
槽隐形矫治技术在矫治机制、材料和设计等方面的差异，
其矫治效果与预期还存在差距，而制约无托槽隐形矫治的
主要技术环节还是在热压膜材料方面，受材料力学性能限
制，此技术在牙齿移动和控制上达不到预期，易引起矫治
病例重启和精调，从而降低无托槽隐形矫治效率[2]。

本研究
以国内外市场上常用的几种膜片为研究对象，分析热压膜
材料力学多项性能指标，以期寻找到更加适合无托槽隐形
矫治材料。

1 实验材料和方法
1.1 实验材料
本研究使用目前国内外市场上常见的热压膜膜片：
Scheu（肖尔，德国），Crystal Ⅰ（上海，中国），
Diamond Ⅰ（上海，中国）。

每种膜片厚度为0.75 mm，每
组10片。

本研究与相关公司无商业利益关系。

仪器设备：国产Byes3050微机控制电子万能材料试
验机。

1.2 试验方法
1.2.1 拉伸试验
进行拉伸试验前将各种热压膜材料按照ASTM标准制作
成标准哑铃形测试样品，并检查保证材料表面无裂痕、划
纹，上夹具后确保试件未受力变形，将万能试验机校准调
零后开始检测样品，计算机软件记录并计算弹性模量、屈
服应变、屈服应变力、拉伸强度断裂应变，并获得相应的
应力应变曲线（见图2
）。

图1
万能材料试验机测试材料装置图
图2 隐形矫治材料应力-应变曲线
1.2.2 抗撕裂强度试验
将试样置于拉力试验机的夹持器上，拉力方向平行试
样的割口方向，以25 cm/min的速度对试样进行拉伸，直至
试样撕裂，计算机软件记录并计算。

1.3 统计分析
所得数据应用IBM SPSS 21软件进行数据统计和单因素
方差分析，比较不同材料之间弹性模量、屈服应变、屈服
应力、拉伸强度和断裂应变的差异，P＜0.05被认为有统计
学意义，P＜0.01，结果有显著性统计学意义。

2 结 果
2.1 弹性模量
作者简介：向彪，硕士，主要从事隐形矫治材，电话：185********，E-mail:237955427@。

通讯作者：吴刚，博士，副主任医师，主要从事口腔正畸学，电话：138********，E-mail:wsqwg@。

3种材料的弹性模量（见表1），3种材料的弹性模量不一样，Diamond Ⅰ组弹性模量最大，Crystal Ⅰ组次之，Scheu 组弹性模量最小。

与Scheu 组弹性模量相比，Crystal Ⅰ组和Scheu 组弹性模量无显著性差异；与Crystal Ⅰ组相比，Diamond Ⅰ组和Scheu 组弹性模量无显著性差异；与Scheu 组相比，Diamond Ⅰ组和Crystal Ⅰ组弹性模量无显著性差异。

2.2 屈服应变
3种材料屈服应变（见表2），与Scheu 组屈服应变相比，Diamond Ⅰ组和Crystal Ⅰ组屈服应变高一点，但3种膜片之间的屈服应变没有显著性差异。

2.3 屈服应变力
3种材料屈服应变力（见表3），3种材料的屈服应变力不一样，Diamond Ⅰ屈服应变力最大，Crystal Ⅰ组次之，Scheu 组屈服应变力最小，与Scheu 组屈服应变力相比，Crystal Ⅰ组和Scheu 组屈服应变力有统计学差异；与Crystal Ⅰ组相比，Diamond Ⅰ组和Scheu 组屈服应变力有统计学差异；与Scheu 组相比，Diamond Ⅰ组和Crystal Ⅰ组屈服应变力有统计学差异。

2.4 拉伸强度
3种材料拉伸强度（见表4），3种材料的拉伸强度不一样，Diamond Ⅰ拉伸强度最大，Crystal Ⅰ组次之，Scheu 组拉伸强度最小，与Scheu 组拉伸强度相比，Crystal Ⅰ组和Scheu 组拉伸强度有统计学差异；与Crystal Ⅰ组相比，Diamond Ⅰ组和Scheu 组拉伸强度有统计学差异；与Scheu 组相比，Diamond Ⅰ组和Crystal Ⅰ组拉伸强度有统计学差异。

2.5 断裂应变
3种材料断裂应变（见表5），3种材料的断裂应变不一样，Diamond Ⅰ断裂应变最大，Scheu 组次之，Crystal Ⅰ组断裂应变最小，与Scheu 组断裂应变相比，Crystal Ⅰ组和Scheu 组断裂应变有显著性统计学差异；与Crystal Ⅰ组相比，Diamond Ⅰ组和Scheu 组断裂应变有显著性统计学差异；与Scheu 组相比，Diamond Ⅰ组和Crystal Ⅰ组断裂应变有显著性统计学差异。

表1 3种材料的弹性模量（x ±s ）
分组弹性模量/Mpa Scheu 组1150.0±163.0Crystal I 组1215.8±240.5Diamond I 组
1264.6±629.4
注：与Scheu 组相比，a P ＞0.05，结果无统计学意义；b P ＜0.05，结果有统计学意义；c P ＞0.05，结果无统计学意义。

表2 3种材料的屈服应变（x ±s ）
分组屈服应变/%Scheu 组 6.2±0.39Crystal I 组 6.4±0.59Diamond I 组
6.4±0.25
注：与Scheu 组相比，a P ＞0.05，结果无统计学意义；b P ＜0.05，结果有统计学意义；c P ＞0.05，结果无统计学意义。

表3 3种材料的屈服应变（x ±s ）
分组屈服应变/Mpa Scheu 组38.2±0.42Crystal I 组40.5±0.43Diamond I 组
55.6±1.69
注：与Scheu 组相比，a P ＜0.05，结果无统计学意义；b P ＜0.05，结果有统计学意义；c P ＜0.05，结果无统计学意义。

表4 3种材料的拉伸强度（x ±s ）
分组屈服应变/Mpa Scheu 组46.2±1.72Crystal I 组54.4±2.65Diamond I 组
76.0±4.70
注：与Scheu 组相比，a P ＜0.05，结果无统计学意义；b P ＜0.05，结果有统计学意义；c P ＜0.05，结果无统计学意义。

表5 3种材料的断裂应变（x ±s ）
分组断裂应变/Mpa Scheu 组171.1±9.06Crystal I 组136.8±12.25Diamond I 组
232.2±21.87
注：与Scheu 组相比，a P ＜0.05，结果无统计学意义；b P ＜0.05，结果有统计学意义；c P ＜0.05，结果无统计学意义。

3 讨 论
3.1 厚度与无托槽隐形矫治材料力学性能关系
隐形矫治材料多为具有热塑性的聚丙烯类和共聚酯类高分子聚合物，Scheu 和Crystal Ⅰ膜片为PETG 材料，但两组材料原料配比不同，公司没有具体透露组成，其具有热成型性能、耐候性、坚韧性、耐化学性、高透明度，光泽好和高抗冲击强度等特性。

Diamond Ⅰ为TPU （Thermoplastic polyurethanes ）材料，其硬度范围广，耐磨，耐油，透明，弹性好等特性[3]。

应用热压膜材料制作无托槽隐形矫治器，其控制牙齿移动与矫治器产生应力存在紧密联系，有研究报道同一种材料制作的矫治器产生的应力与膜片厚度存在密切关系，并比较了0.5 mm 、0.75 mm 和1.0 mm 三种厚度膜片产生应力大小，结果1.0 mm 膜片应力最大，0.75 mm 膜片应力略小，两者之间没有统计学差异，两者产生的应力都达到矫治要求；而0.5 mm 膜片应力过小，满足不了矫治需求。

膜片厚度也能影响正畸应力大小，膜片在热成形矫治器过程中，膜片厚度会发生改变，有资料显示同种材料0.5 mm 、0.75 mm 和1.0 mm 三种厚度膜片，经热成形后，0.75 mm 矫治器的厚度变化范围最小。

在制作无托槽隐形矫治器方面，基于膜片应力和膜片厚度变化综合考量，0.75 mm 膜片比另外两种厚度膜片有优势[4]。

因此本研究选择Scheu 、Crystal Ⅰ和Diamond Ⅰ三种材料的0.75 mm 膜片作为本研究的受试对象。

（下转46页）
表1 两组口腔功能评分的对比（分）
组别n 咀嚼功能评分语言功能评分固定功能评分观察组168.8±1.69.5±0.77.4±1.7对照组167.4±1.38.5±0.6 6.2±1.5t - 2.71 4.33 2.11P
-0.01
0.00
0.04
表2 两组并发症发生率的对比
组别n 牙龈出血牙齿疼痛修复体脱落总发生率（%）
对照组163216（37.50%）观察组161001（1.67%）
x 2---- 4.57P
----0.03
3 讨 论
综合来看：在牙列修复中相较于常规修复治疗，口腔种植修复效果更好，并发症发生率较低，患者美观满意度高，临床应用价值显著，可推广。

参考文献
[1] 黄会杰,陈贵丰.口腔种植修复与常规修复治疗牙列缺失
的效果比较[J].广东医学,2016,37(4):583-584.
[2] 陈 宇,陈 柯,刘梓林,等.不同方式修复年轻恒磨牙牙
体严重缺损的咬合功能评价[J].牙体牙髓牙周病学杂志,2017,27(7):407-409.
3.2 三种隐形矫治材料力学性能研究
影响热压膜材料力学性能的因素包括自身因素和外界因素，而材料自身因素在力学性能中发挥决定性作用，其内部结构一般包括结晶区和非结晶区两部分，Scheu 和Crystal Ⅰ为非结晶型高聚酯材料，结构基团为聚对苯二甲酸乙二醇酯；而Diamond Ⅰ为结晶型聚氨酯材料。

往往有很多因素可以影响热压膜高聚物内部结构，包括热压膜分子链缠绕方式、相对分子质量大小、交联程度、氢键、填料和加工程序等均可引起内部结构改变，从而导致热压膜材料力学性能不同[5]。

弹性模量是指材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系，其比例系数称为弹性模量。

弹性模量作为衡量弹性形变难易程度指标，其值越大，弹性形变越小，材料刚度越大。

有资料显示：Biolon 、DR 、Erkodent 三种膜片中DR 弹性模量最高，而这三种热压膜原材料都为PETG ，表明即使来自同种材料而膜片提供商不同，其弹性模量不同。

本研究结果显示Diamond Ⅰ弹性模量最大，Scheu 弹性模量最小，表明相同厚度不同材料的膜片弹性模量不同，而统计结果显示三种膜片之间弹性模量没有显著性差异，来自材料自身内部结构或加工等外界坏境因素影响，从而导致三种材料弹性模量不同。

屈服应力是材料在拉伸应力应变曲线上屈服点的应力，超过物件材料的屈服点后所产生的应变称为屈服应变。

研究报道材料相对分子质量降低和材料内部结晶结构增加能减少材料屈服应力和屈服应变。

在本研究中，Diamond Ⅰ的屈服应变和屈服应变力是三种材料中最高的。

受材料内部相对分子质量和结晶度影响，从而导致三种材料热压膜片屈服应变和屈服应力不一样。

拉伸强度即材料最大均匀塑性变形的抗力；断裂应力，为材料截面积上能承受的最大拉伸力。

有研究报道，TPU 含有柔性的软段分子链，使其柔韧性能优于PETG ；同时分子链间发生的良好的缠结作用，使TPU 的断裂受到一定的阻碍作用，从而使TPU 断裂伸长率高于PETG 。

本研究结果显示Diamond Ⅰ在三种材料中具有最大的拉伸强度和最大断裂应力，受TPU 分子内部软段分子链以及缠结阻碍影响，TPU 的拉伸强度和断裂应变能力高于Scheu 和Crystal Ⅰ。

参考文献
[1] 白玉兴.无托槽隐形矫治技术快速发展中的思考[J].中华
口腔正畸学杂志,2017(2).
[2] Ihssen B A,Willmann J H,Nimer A,et al.Effect of in
vitro aging by water immersion and thermocycling on the mechanical properties of PETG aligner material[J].Journal of Orofacial Orthopedics/Fortschritte der Kieferorthopädie,2019:1-12.
[3] 张 宁,白玉兴,张昆亚.正畸用热压膜材料的力学性能分
析[J].中华医学杂志,2010,90(34):2412-2414.
[4] 张 宁,方东煜,白玉兴.四种热压膜正畸材料力学性能的
比较[J].中华口腔医学杂志,2011,46(9):551-553.
[5] 刘明东,丁雪佳,何旺彤.PETG/PC/TPU 共混物的制备及结
构性能[J].塑料,2016(6):21-24.
（上接30页）。