隱形矯治技術(shù)生物力學(xué)的研究進(jìn)展

龍惠青 荊 璇 武秀萍

作者單位：030001太原，山西醫(yī)科大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院·口腔醫(yī)院

隱形矯治器因其舒適美觀、節(jié)省椅旁操作時(shí)間、利于口腔自潔等因素備受正畸醫(yī)生及患者的青睞。但目前有關(guān)隱形矯治生物力學(xué)的研究報(bào)道較少，使得正畸醫(yī)師對(duì)隱形矯治力的作用力系難以有直觀的判斷和控制。因此本文就隱形矯治器對(duì)牙齒、牙周、顳下頜關(guān)節(jié)的生物力學(xué)做一綜述。

一、隱形矯治器對(duì)牙齒不同移動(dòng)方式的生物力學(xué)分析

牙齒由于施加矯治力方式的不同，會(huì)產(chǎn)生不同類型的牙齒移動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致牙齒應(yīng)力的變化。Rudolph[1]等發(fā)現(xiàn)：伸出、壓入、旋轉(zhuǎn)載荷使根尖應(yīng)力集中，容易引起根尖吸收，而整體移動(dòng)和傾斜移動(dòng)載荷方式其應(yīng)力集中在牙槽峭頂區(qū)出現(xiàn)，而非根尖區(qū)。因此，在達(dá)到矯治目標(biāo)的同時(shí)，選用合適的載荷方式可大大降低牙根吸收的可能性。而隱形矯治器不同于傳統(tǒng)固定矯治的弓絲剛性施力模式，采用熱壓膜的彈性回復(fù)力來(lái)實(shí)現(xiàn)牙齒的移動(dòng)。牙齒不同移動(dòng)方式其生物力學(xué)表現(xiàn)不同。

1.近遠(yuǎn)中移動(dòng)對(duì)牙齒生物力學(xué)的影響

前牙的近遠(yuǎn)中移動(dòng)常應(yīng)用于關(guān)閉前牙散隙等臨床病例中。有學(xué)者對(duì)隱形矯治關(guān)閉上中切牙間隙進(jìn)行三維線性有限元分析，將牙冠位置向近中移動(dòng)0.3mm，發(fā)現(xiàn)瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心位于牙根距根尖三分之一根長(zhǎng)處，即轉(zhuǎn)動(dòng)中心在牙齒的阻抗中心的根方，此時(shí)，牙齒移動(dòng)類型為傾斜移動(dòng)。但中切牙根尖區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)高的應(yīng)力集中[2]。有學(xué)者將隱形矯治技術(shù)應(yīng)用于牙周病致前牙間隙的患者，結(jié)果表明治療前后間隙關(guān)閉良好，根尖未見(jiàn)明顯吸收[3，4]。因此，使用隱形矯治器對(duì)前牙間隙患者進(jìn)行矯治，可降低根尖吸收發(fā)生的可能性。

尖牙中性關(guān)系對(duì)弓形及咬合關(guān)系的建立至關(guān)重要，臨床中常通過(guò)尖牙的近遠(yuǎn)中移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)尖牙中性關(guān)系的建立。因此，對(duì)尖牙移動(dòng)的力學(xué)分析成為研究熱點(diǎn)。目前多數(shù)觀點(diǎn)認(rèn)為，在臨床中使尖牙遠(yuǎn)中移動(dòng)的矯治力值為50～120g，在有限元研究中大多選用的矯治力值是100～150g[5]，根據(jù)隱形矯治器公司提供的材料參數(shù)，估算出將牙齒移動(dòng)0.4mm需提供100g的水平矯治力，將尖牙旋轉(zhuǎn)5～6°約需提供125～130g的力偶[6]。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)隱形矯治器施加的遠(yuǎn)中力與逆時(shí)針力偶的力量比值為100:125～130，即力與力矩的比值為7.25～7.50時(shí)，尖牙根部遠(yuǎn)中面受力更均勻，接近整體移動(dòng)[7]?？梢?jiàn)，隱形矯治可通過(guò)合理的施力模式來(lái)實(shí)現(xiàn)尖牙的整體移動(dòng)，以降低尖牙牙根吸收的風(fēng)險(xiǎn)。

2.唇舌向移動(dòng)對(duì)牙齒生物力學(xué)的影響

目前研究證明隱形矯治對(duì)牙齒的唇舌向移動(dòng)控制效果理想，且實(shí)現(xiàn)冠舌傾的效率較冠唇傾效率高，前者為53.1%，后者為37.6%，上切牙的效率更高[8]。Kassas等應(yīng)用美國(guó)正畸模型分析系統(tǒng)（american board of orthodontics model brading system，ABO）對(duì)隱形矯治效果進(jìn)行評(píng)分，發(fā)現(xiàn)其對(duì)后牙區(qū)的唇舌向傾斜有著較好的控制[9]。但是對(duì)于大量頰舌向移動(dòng)牙齒的病例，應(yīng)注意加強(qiáng)轉(zhuǎn)矩控制，防止出現(xiàn)骨開(kāi)窗等不良后果[10]。

在固定矯治中，用雙曲唇弓矯治上頜切牙唇向錯(cuò)位，發(fā)現(xiàn)切牙舌向移動(dòng)1mm，可產(chǎn)生0.98～1.47N的矯治力[11]。而隱形矯治中，當(dāng)矯治器頂端位移為0.05mm時(shí)，牙體上的合力大小為0.5N[12]。蔡永清用三維有限元模擬無(wú)托槽隱形矯治，對(duì)下頜尖牙唇舌側(cè)整體位移量的數(shù)值進(jìn)行分析，模擬結(jié)果顯示尖牙傾斜移動(dòng)0.35mm是該牙頜模型尖牙在唇舌向的最佳位移量，此時(shí)旋轉(zhuǎn)中心接近根尖且應(yīng)力分布較為合理[13]。因此，對(duì)于牙齒唇舌向的移動(dòng)，隱形矯治器可通過(guò)設(shè)置合理的位移量來(lái)實(shí)現(xiàn)牙根合理的應(yīng)力分布。

3.垂直向移動(dòng)對(duì)牙齒生物力學(xué)的影響

有學(xué)者對(duì)189副需壓低的牙齒樣本進(jìn)行矯治效率測(cè)量，結(jié)果顯示前牙壓低的平均效率為41.3%，平均壓低量是0.72mm。壓低效率最高的是上下頜中切牙，最低的是上頜側(cè)切牙[14]。在壓低下前牙的過(guò)程中，應(yīng)力主要集中在牙頸部，并向根尖逐漸減小，且牙齒壓低量與牙根吸收程度呈正相關(guān)[7]。目前隱形矯治治療中，矯治器壓低位移的取值范圍為0.15～0.35mm[15]。此外，牙齒壓低的同時(shí)還做牙齒內(nèi)收移動(dòng)者的牙根吸收程度要重于單純做牙齒壓低移動(dòng)者[16]。有學(xué)者模擬正常范圍內(nèi)3種不同唇傾度下前牙在壓低時(shí)的應(yīng)力分布，結(jié)果提示下切牙唇傾度在偏離正常值越遠(yuǎn)，其在壓低時(shí)，牙根唇、舌側(cè)的應(yīng)力值有增大趨勢(shì)[17]。由此說(shuō)明，牙齒進(jìn)行垂直向控制中，在注意壓低量的同時(shí)，還需關(guān)注牙齒的矢狀向的位置，以防牙根吸收的可能性出現(xiàn)。

二、隱形矯治器對(duì)牙周組織生物力學(xué)的影響

矯治力大小及其在牙周組織的分布是使牙周組織發(fā)生改建的始動(dòng)因子[18]。Nikolai認(rèn)為確定最佳力值不應(yīng)以加載牙冠的力為準(zhǔn)，而牙周膜的應(yīng)力狀況才是推動(dòng)骨重建和正畸牙移動(dòng)的關(guān)鍵[19]。與傳統(tǒng)固定矯治器點(diǎn)狀加力的施力方式不同，隱形矯治器是面狀加力[20]，這種矯治器反作用于牙齒上的力系差異決定了隱形矯治器對(duì)牙周的應(yīng)力狀態(tài)不同于固定矯治器。

1.近遠(yuǎn)中移動(dòng)對(duì)牙周組織生物力學(xué)的影響

研究發(fā)現(xiàn)，用隱形矯治器關(guān)閉中切牙間隙時(shí)，牙周膜頸部應(yīng)力集中數(shù)值遠(yuǎn)高固定矯治器，牙周膜其他范圍的應(yīng)力值與固定矯治器基本一致，根尖區(qū)應(yīng)力值沒(méi)有明顯升高，根尖吸收發(fā)生的可能性大大減少[21]。學(xué)者用三維有限元法建模分析，當(dāng)上中切牙近中移動(dòng)0.3mm，上頜中切牙的牙周膜應(yīng)力最大，側(cè)切牙次之，第一磨牙的牙周膜應(yīng)力相對(duì)較小，其他牙齒應(yīng)力均較小。由于隱形矯治器即刻加載后產(chǎn)生形變，形成與牙弓彎曲方向相同的彎矩，導(dǎo)致支抗磨牙牙周產(chǎn)生相應(yīng)的較小應(yīng)力[22]。有學(xué)者用隱形矯治技術(shù)治療因牙周病導(dǎo)致前牙間隙的患者，短期觀察未見(jiàn)明顯牙周損傷，相對(duì)于固定矯治技術(shù)而言，隱形矯治技術(shù)產(chǎn)生的牙周應(yīng)力分布更小，更均勻，有利于牙周病患者治療時(shí)牙周組織的健康[2～4，23]。因此，分析認(rèn)為隱形矯治技術(shù)作用于牙周的應(yīng)力分布均勻且大小合理，可用于輕、中度牙周病致前牙間隙的患者。

通過(guò)對(duì)比隱形矯治技術(shù)與固定矯治技術(shù)在拔牙病例中遠(yuǎn)中移動(dòng)尖牙的生物力學(xué)特點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)隱形矯治器載荷下牙齒及牙周膜的平均主應(yīng)力和Von Mises應(yīng)力均小于固定矯治器載荷，且牙齒旋轉(zhuǎn)中心更接近根尖[24]，得到類似傾斜移動(dòng)的結(jié)果。如果在尖牙唇面放置一對(duì)優(yōu)化附件，使尖牙受到2.8N遠(yuǎn)中方向的力以及30N·mm的逆時(shí)針?lè)较蛄?，尖牙牙周膜遠(yuǎn)中面廣泛受壓，近中面廣泛牽張，則可使位移模式與遠(yuǎn)中整體移動(dòng)相同。牙周應(yīng)力與牙齒移動(dòng)方式息息相關(guān)，當(dāng)尖牙整體遠(yuǎn)中移動(dòng)時(shí)，與做傾斜移動(dòng)相比，牙周最大應(yīng)力值降低40%[25，26]。說(shuō)明隱形矯治技術(shù)尖牙整體移動(dòng)的位移模式有利于牙周組織的健康。

2.唇舌向移動(dòng)對(duì)牙周組織生物力學(xué)的影響

單個(gè)舌向力作用于牙齒唇側(cè)表面時(shí)，力的大小表現(xiàn)為頸部應(yīng)力集中，沿牙根表面向根尖方向應(yīng)力逐漸減小，到牙根根尖部應(yīng)力又稍增大。而牙周膜、牙槽骨的應(yīng)力分布趨勢(shì)與牙根表面相近，只是應(yīng)力絕對(duì)值較牙根表面有所減小[11，27]。唐娜等使用三維有限元研究上中切牙傾斜移動(dòng)時(shí)的牙周應(yīng)力分布，設(shè)計(jì)上中切牙繞阻抗中心作2°冠舌向傾斜移動(dòng)，結(jié)果顯示：根中1/3阻力中心附近的牙周膜應(yīng)力較小，根尖1/3和頸緣1/3的牙周膜應(yīng)力相對(duì)集中[7]。說(shuō)明隱形矯治在矯治唇舌向錯(cuò)位牙齒時(shí)，應(yīng)力分布狀況與傳統(tǒng)固定矯治相似。

Drake等對(duì)整體內(nèi)收前牙的應(yīng)力進(jìn)行臨床研究，比較上中切牙整體內(nèi)收0.5mm前后的患者CBCT圖像。結(jié)果顯示上中切牙產(chǎn)生傾斜移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)中心位于牙根根尖至唇舌側(cè)牙槽嵴頂41%處[28]。學(xué)者研究隱形矯治器整體內(nèi)收上頜前牙1.5mm過(guò)程中，上頜前牙所受的初始移動(dòng)規(guī)律與上述結(jié)果類似。在隱形矯治器載荷下，上頜尖牙牙周膜所受綜合應(yīng)力最大，側(cè)切牙次中，而中切牙最小。兩側(cè)對(duì)應(yīng)牙所受應(yīng)力分布趨勢(shì)相似[29]。因此，在整體內(nèi)收前牙過(guò)程中，應(yīng)控制尖牙的移動(dòng)方式，以利于牙周健康。

3.旋轉(zhuǎn)移動(dòng)對(duì)牙周組織生物力學(xué)的影響

有學(xué)者使用三維有限元法研究隱形矯治上切牙旋轉(zhuǎn)移動(dòng)的牙周應(yīng)力分布，切牙沿牙冠長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)2°，牙周膜應(yīng)力分布雖然與傳統(tǒng)固定矯治相似，但隱形矯治載荷時(shí)唇舌側(cè)、近遠(yuǎn)中的應(yīng)力分布更加均勻[7]。同理，在牙冠頰舌兩側(cè)區(qū)域施加一對(duì)大小相等（矯治力為1.47N）、方向相反的頰舌方向的分布載荷，牙齒產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，結(jié)果顯示：牙槽骨和牙周膜在嵴頂處局部較小區(qū)域有應(yīng)力集中，唇舌兩側(cè)的應(yīng)力數(shù)值較大；牙根中部應(yīng)力分布相對(duì)均勻，根尖部分的應(yīng)力較小[30，31]。與固定矯治器頰側(cè)施加矯治力相比，隱形矯治器全覆蓋式作用于牙頜組織，其應(yīng)力分布更加均勻，應(yīng)力集中的區(qū)域相對(duì)減少，即：隱形矯治器因頰舌雙側(cè)分布式的載荷模式使得牙周的受力更加均衡。

三、隱形矯治器對(duì)顳下頜關(guān)節(jié)的影響

隱形矯治器通過(guò)熱壓膜的自身回彈力實(shí)現(xiàn)了對(duì)錯(cuò)牙合畸形患者牙齒的矯正[32]，而熱壓膜的厚度對(duì)患者頜位及關(guān)節(jié)的影響很有研究意義。有學(xué)者研究長(zhǎng)時(shí)間佩戴無(wú)托槽隱形矯治器對(duì)顳下頜關(guān)節(jié)及下頜位置的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)佩戴隱形矯治器三個(gè)月后，CBCT觀察患者的關(guān)節(jié)間隙并無(wú)顯著變化，也并未對(duì)下頜骨的位置產(chǎn)生明顯不可復(fù)性移位。佩戴隱形矯治器顳肌前束肌力在早期有所増加，隨著佩戴時(shí)間的増加這種影響逐漸減小[33]。有學(xué)者采用厚度為1.5mm的正畸透明成型膜片制成改良式真空壓膜肌激動(dòng)器，對(duì)安氏Ⅱ類Ⅰ分類患者進(jìn)行功能矯形治療，治療結(jié)束后患者下頜前移，ANB角明顯減小，頜位變化明顯；通過(guò)CBCT觀察，雙側(cè)顳下頜關(guān)節(jié)未發(fā)現(xiàn)明顯病理性改變[34]。此外，對(duì)于深覆牙合的顳下頜關(guān)節(jié)紊亂病患者，佩戴隱形矯治牙合墊治療后，其顳下頜關(guān)節(jié)及下頜骨的應(yīng)力分布較治療前更合理[35]。亦有德國(guó)醫(yī)生Schupp[36]在正畸治療中巧妙的將咬合板與隱形矯治器結(jié)合起來(lái)，聯(lián)合應(yīng)用治療TMD，初期利用咬合板適當(dāng)?shù)暮穸葋?lái)恢復(fù)后牙的垂直距離，繼而利用隱形矯治器靈活移動(dòng)牙齒的特點(diǎn)來(lái)達(dá)到后牙伸長(zhǎng)的目的，這樣可以使下頜骨穩(wěn)定在健康舒適的位置上?，F(xiàn)如今，隱形矯治公司設(shè)計(jì)了專門用于青春期骨性Ⅱ類錯(cuò)牙合患者的隱形矯治器，其將下頜引導(dǎo)在正常位置，將利于后期的常規(guī)隱形治療。因此，隱形矯治過(guò)程中，恰當(dāng)?shù)某C治措施將利于患者頜位的正確建立及顳下頜關(guān)節(jié)的改建。

綜上所述，隱形矯治器對(duì)牙齒、牙周、顳下頜關(guān)節(jié)的生物力學(xué)特點(diǎn)與傳統(tǒng)固定矯治器有明顯差異：其通過(guò)設(shè)置合理的牙齒移動(dòng)方式可降低牙根吸收的風(fēng)險(xiǎn)；矯治過(guò)程中牙周應(yīng)力的大小及分布也更加合理；同時(shí)可應(yīng)用于顳下頜紊亂患者的正畸治療。將來(lái)隨著隱形矯治技術(shù)的發(fā)展及其對(duì)牙齒、牙周、顳下頜關(guān)節(jié)生物力學(xué)的深入研究，將使其更合理地應(yīng)用于臨床矯治中。