帶狀弓絲與傳統(tǒng)正畸弓絲機械力學性能對比研究

謝 勤，李 多，2，梁甲興，林 立，張玉華，林 斌

近些年來，唇側和舌側托槽都陸續(xù)出現(xiàn)了將弓絲以帶狀弓方式(方絲寬面與牙面貼合)入槽的設計，唇側如帶狀直絲弓托槽，舌側如Tandem archwire technique托槽[1-2]。由于傳統(tǒng)方絲弓原理主導了正畸領域太長時間，以至于現(xiàn)在正畸醫(yī)師們普遍忽略了方絲弓矯正器的基本原理是來自這個非常有價值的結構設計。由于當時科技水平的制約，Angle時代的帶狀弓矯正器是由金鉑合金打造，彈性與剛性都不理想，材料性能的落后極大的影響了帶狀弓的臨床運用[3]。隨著現(xiàn)代材料學的發(fā)展，不銹鋼和超彈性鎳鈦合金絲逐漸成為正畸弓絲的主要材料，這使得帶狀弓的應用重新回到正畸學者的視野。弓絲是固定矯治器的重要組成部分，充分了解弓絲機械力學性能是開展正畸治療的基礎。由于臨床使用習慣，以往研究多偏重于對方絲寬面(傳統(tǒng)入槽方式)的機械性能研究[4-5]。本研究將對帶狀弓和傳統(tǒng)正畸弓絲的機械性能進行對比研究。

1 材料與方法

1.1材料 選取臨床常用的Plasdent(美國賽光公司)，3M(美國明尼蘇達礦業(yè)及機器制造公司)和Ormco(美國卡瓦盛邦公司)3個品牌正畸不銹鋼方絲，按0.016×0.022英寸(1英寸=25.4 mm)、0.017×0.025英寸、0.018×0.025英寸、0.019×0.025英寸分為寬面(傳統(tǒng)弓絲)與窄面(帶狀弓)共8組。Plasdent圓絲直徑0.016英寸，0.018英寸，0.020英寸及澳絲直徑0.018英寸，0.020英寸英寸共5組。每組10根弓絲，每根長40 mm。

1.2方法 采用福州大學測試中心材料試驗機(Instron-1185，英國)進行三點彎曲實驗。傳感器最大載荷100 N,載荷分辨率10-3N,精度0.1%。兩支撐點間距14 mm，加載點位于兩支撐點中點。實驗室室溫維持25 ℃，濕度維持60%。

三點彎曲實驗：加載速度為1 mm/min。帶狀弓絲的位移量為2 mm，傳統(tǒng)不銹綱方絲、圓絲及澳絲的位移量為3 mm。每根弓絲測試1次，每組10根。弓絲的抗彎剛度EI由曲線的線性部分通過公式計算得出。結果取平均值。

EI=PL3/48Y，P代表加載力值(N),L代表兩支點跨距(mm),Y代表撓度(mm,即位移量)

1.3統(tǒng)計學處理 采用Origin 8.0軟件繪制試驗力-位移曲線，進行分析比較。將各品牌帶狀弓與傳統(tǒng)弓絲的測量結果按尺寸進行配對t檢驗。將0.017×0.025帶狀弓絲與各尺寸傳統(tǒng)弓絲的測量結果進行成組t檢驗。使用SPSS10.0統(tǒng)計軟件對實驗結果進行統(tǒng)計學分析，P<0.05為差別具有統(tǒng)計學意義。

2 結 果

帶狀弓三點彎曲實驗的試驗力-位移曲線見圖1。帶狀弓與傳統(tǒng)弓絲的三點彎曲實驗的試驗力-位移曲線見圖2。圖1顯示，帶狀弓0.016×0.022，0.017×0.025，0.018×0.025，0.019×0.025英寸線性部分的斜率隨尺寸增大而增大。圖2顯示帶狀弓0.017×0.025英寸的斜率大于傳統(tǒng)方絲，圓絲和澳絲。0.016×0.022英寸帶狀弓的斜率較0.016×0.022英寸傳統(tǒng)方絲以及直徑0.020英寸圓絲和澳絲大。

圖1 帶狀弓(3M)試驗力—位移曲線圖

各樣本帶狀弓與傳統(tǒng)方絲的抗彎剛度比較結果見表1。各品牌0.016×0.022，0.017×0.025，0.018×0.025，0.019×0.025英寸帶狀弓絲抗彎剛度均較傳統(tǒng)弓絲大。各品牌0.017×0.025英寸帶狀弓與傳統(tǒng)方絲及圓絲的抗彎剛度比較顯示，各品牌0.017×0.025帶狀弓抗彎剛度均較傳統(tǒng)弓絲大，差別均有統(tǒng)計學意義。

各品牌0.017×0.025英寸帶狀弓與傳統(tǒng)方絲及圓絲的抗彎剛度比較結果見表2。各樣本抗彎剛度列表可見0.017×0.025英寸帶狀弓的抗彎剛度均大于各自品牌的0.019×0.025，0.018×0.025，0.017×0.025，0.016×0.022英寸傳統(tǒng)不銹綱方絲，以及各直徑圓絲和澳絲，除3M的0.017×0.025英寸帶狀弓與0.019×0.025傳統(tǒng)方絲差別無統(tǒng)計學意義外，其余均有統(tǒng)計學意義。0.016×0.022英寸帶狀弓的抗彎剛度均大于各自品牌的0.016×0.022英寸、0.017×0.025英寸傳統(tǒng)方絲以及直徑0.020英寸圓絲和澳絲，而小于0.018×0.025英寸、0.019×0.025英寸傳統(tǒng)不銹綱方絲。

圖2 帶狀弓與傳統(tǒng)正畸弓絲(Plasdent)試驗力—位移曲線圖

表1 帶狀弓絲與傳統(tǒng)方絲抗彎剛度比較

n=10. 同品牌同尺寸帶狀弓絲與傳統(tǒng)方絲比較，△：P<0.05，△△：P<0.01.

表2各品牌0.017×0.025帶狀弓與各尺寸傳統(tǒng)弓絲抗彎剛度比較

Tab 2The bending strength of the ribbon arch and the orthodontic rectangular wires

分組弓絲尺寸/(英寸)抗彎剛度/(N·mm2)Plasdent0.017×0.025(帶狀弓)1195.89±10.410.019×0.0251039.25±9.24△0.018×0.025914.64±6.26△0.017×0.025726.00±7.20△△0.016×0.022515.63±6.17△△0.020圓絲698.56±6.24△△0.018圓絲451.62±3.23△△0.016圓絲257.25±1.16△△0.020澳絲661.97±5.30△△0.018澳絲483.62±3.27△△3M0.017×0.025(帶狀弓)1141.25±10.360.019×0.0251088.42±9.380.018×0.025914.66±7.30△0.017×0.025768.30±8.28△△0.016×0.022560.22±6.22△△Ormco0.017×0.025(帶狀弓)906.09±9.290.019×0.025737.45±7.66△0.018×0.025635.69±7.01△△0.017×0.025632.70±6.29△△0016×0.022455.03±5.27△△

n=10. 與各自組內(nèi)0.017×0.025帶狀弓比較，△：P<0.05, △△：P<0.01.

3 討 論

正畸弓絲作為矯治器中的重要組成部分，其機械力學性能很大程度影響最終的矯治療效。對弓絲力學性能的研究方法主要有懸臂梁實驗與三點彎曲實驗。正畸弓絲與托槽在結構上形成了連續(xù)梁的結構，兩托槽之間的弓絲可視為支撐梁進行力學分析，三點彎曲實驗更貼近弓絲在口腔內(nèi)的狀況，所以本研究采用業(yè)內(nèi)相關研究領域大多采用的三點彎曲實驗來分析帶狀弓機械力學性能[6-7]。通過實驗數(shù)據(jù)繪制弓絲載荷-位移曲線，曲線的線性部分的斜率體現(xiàn)材料的抗彎剛度，曲線的斜率越大，弓絲抗彎剛度越大。

弓絲的力學性能受多種因素的影響，如不同的材質(SS/TMA/NiTi/熱激活NiTi)、不同的尺寸(橫截面積)、不同的長度(托槽間距)等。許多學者已對其進行深入研究[8-9]。然而，矩形弓絲寬面與窄面不同的入槽方式對弓絲性能影響的研究則較少。本研究對相同尺寸的不銹綱方絲，在同等實驗條件下，寬面與窄面抗彎剛度的研究結果顯示，0.016×0.022英寸不銹鋼方絲窄面(帶狀弓形式)的抗彎剛度大于同品牌的0.017×0.025英寸方絲寬面以及各直徑的圓絲和澳絲。0.017×0.025英寸帶狀弓的抗彎剛度甚至強于同品牌0.019×0.025英寸的傳統(tǒng)弓絲。提示，以帶狀弓方式(方絲寬面與牙面貼合)入槽時，較小尺寸的不銹鋼絲，就可產(chǎn)生較強的齦牙合向抗彎剛度，抵抗弓絲彎曲變形的能力強，具備更好的平面支撐性能。劉筱琳指出，弓絲剛度是指由弓絲材質、橫截面形狀及橫截面面積決定的內(nèi)在剛性[10]，該觀點與本研究結果相符。

弓絲在槽溝內(nèi)滑動會受到滑動阻力影響。Kusy 等提出滑動阻力分為3種類型:經(jīng)典摩擦力，彈性約束力和刻痕阻力[11]。當牙齒傾斜或弓絲彎曲導致弓絲與托槽槽溝之間的傾斜超過一定的角度時，形成彈性約束力，此時牙的移動效率降低，當托槽與弓絲之間的成角增大使得弓絲發(fā)生永久變形時，則產(chǎn)生刻痕阻力，嚴重防礙牙齒移動。臨床觀察發(fā)現(xiàn)，弓絲彎曲形變多發(fā)生在齦向，特別是在拔牙間隙處，因為此處弓絲跨度增大，抗彎強度減小[12]。本實驗結果顯示，帶狀弓絲齦向剛性強，不易變形，因此較傳統(tǒng)方絲能有助于防止約束阻力和刻痕阻力的產(chǎn)生，從而減小因弓絲形變產(chǎn)生額外磨擦力的可能性。

目前傳統(tǒng)直絲弓矯正技術多以0.019×0.025英寸不銹鋼方絲作為主弓絲。本研究結果顯示，3個品牌0.017×0.025英寸帶狀弓絲抗彎剛度均較0.019×0.025英寸的傳統(tǒng)方絲大，可以認為0.017×0.025英寸帶狀弓絲具備優(yōu)于0.019×0.025英寸傳統(tǒng)方絲的水平向剛性，足以支撐平面。盡管0.016×0.022，0.017×0.025，0.018×0.025，0.019×0.025英寸帶狀弓的抗彎剛度隨尺寸增大而增大，但是弓絲唇舌向厚度越大則托槽厚度也要相應增大，會降低患者舒適感。另一方面，大尺寸的帶狀弓在齦向上同等程度的形變產(chǎn)生的力值也大，有增加牙根損傷的風險。因此從滿足剛度要求，安全性以及患者舒適度這幾個角度出發(fā)，可考慮選擇0.017×0.025英寸帶狀弓作為帶狀弓矯正器的主弓絲。