熱成形時(shí)間對(duì)正畸熱壓膜材料厚度和彈性模量的影響

石佳怡 張一葦 徐寶華

1.北京大學(xué)口腔醫(yī)院綜合科，北京 100081；2.北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100029；3.中日友好醫(yī)院口腔醫(yī)學(xué)中心，北京 100029

熱塑性矯治器施加的正畸力與熱壓膜材料的厚度和力學(xué)性能密切相關(guān)[1]，是影響隱形矯治效果的重要因素之一[2-3]。以往的研究主要集中在對(duì)正畸熱壓膜材料原始力學(xué)性能及模擬口腔環(huán)境下的力學(xué)性能[4-6]，而熱成形對(duì)熱壓膜材料影響的研究較少，尤其對(duì)聚氨酯熱壓膜材料的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。為了解熱成形時(shí)間對(duì)熱壓膜材料厚度和力學(xué)性能的影響，本研究選用ZenduraAT 正畸熱壓膜材料，通過(guò)測(cè)量不同原始厚度的膜片材料經(jīng)不同時(shí)間熱成形處理后厚度和彈性模量的變化，研究熱成形時(shí)間對(duì)熱壓膜材料厚度和彈性模量的影響，以期為臨床選擇更適宜正畸力發(fā)揮的熱塑性矯治器材料及研發(fā)高性能新材料提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.2 主要儀器及設(shè)備

熱壓膜機(jī)（D-3300Drufomatscan，德國(guó)福科斯醫(yī)療）；全自動(dòng)壓片機(jī)（JZP-40，上海精勝科學(xué)儀器有限公司）；數(shù)字電子游標(biāo)卡尺，精度0.001 mm（Mitutoyo500-196-30，日本三豐）；電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（UTM5205XHD，深圳三思縱橫科技股份有限公司）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 試樣制備 將3 種不同厚度的熱壓膜材料按熱成形時(shí)間不同分為未處理組、熱成形60 s 組、熱成形90 s 組，每組不同材料各10 個(gè)試樣。未處理組：原始材料未經(jīng)處理。熱成形60 s 組：模擬隱形矯治器制作過(guò)程為經(jīng)壓膜機(jī)預(yù)熱并在預(yù)成模型上（直徑為9.5 mm，厚度為8 mm 的鐵制品）熱壓處理60 s。熱成形90 s組：按上述熱壓方法處理90 s。將上述熱壓膜材料用全自動(dòng)壓片機(jī)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1040.3-2006[7]沖切制成5 型標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型試樣。

1.3.2 厚度測(cè)量 用電子游標(biāo)卡尺隨機(jī)測(cè)量每組每個(gè)試樣各3 個(gè)點(diǎn)厚度，再計(jì)算每組10 個(gè)試樣的均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3.3 彈性模量測(cè)量 檢查每組試樣表面有無(wú)裂痕、劃紋，上夾具后保證試件未受力未變形，應(yīng)用電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其力學(xué)性能，拉伸速度為10 mm/min，計(jì)算機(jī)記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算彈性模量。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

采用SPSS 26.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。計(jì)量資料采用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示，多組計(jì)量資料比較采用單因素方差分析，組間兩兩比較采用LSD-t 檢驗(yàn)。以P＜0.05 為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 0.380、0.625、0.760 mm 熱壓膜材料不同處理組厚度比較

0.380、0.625、0.760 mm 熱壓膜材料中，熱成形60 s組、熱成形90 s 組厚度低于未處理組，且熱成形90 s組低于熱成形60 s 組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見(jiàn)表1。

表1 0.380、0.625、0.760 mm 熱壓膜材料不同處理組厚度比較（mm，±s）

表1 0.380、0.625、0.760 mm 熱壓膜材料不同處理組厚度比較（mm，±s）

注 與未處理組比較，aP＜0.05；與熱成形60 s 組比較，bP＜0.05。

2.2 0.380、0.625、0.760 mm 熱壓膜材料不同處理組彈性模量比較

0.380 mm 熱壓膜材料中，熱成形60 s 組、熱成形90 s 組彈性模量均高于未處理組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。0.625、0.760 mm 熱壓膜材料不同處理組彈性模量比較，差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。見(jiàn)表2。

表2 0.380、0.625、0.760 mm 熱壓膜材料不同處理組彈性模量比較（MPa，±s）

表2 0.380、0.625、0.760 mm 熱壓膜材料不同處理組彈性模量比較（MPa，±s）

注 與未處理組比較，aP＜0.05。

3 討論

本研究選用同一品牌3 種厚度的正畸熱壓膜材料進(jìn)行研究，通過(guò)測(cè)量經(jīng)不同時(shí)間熱成形前后材料厚度和彈性模量的變化，探討熱成形時(shí)間對(duì)材料厚度和彈性模量的影響。

3.1 熱成形時(shí)間對(duì)熱壓膜材料厚度的影響

隱形矯治器具有不同的厚度，為0.50～1.50 mm不等，這可能會(huì)影響其在引導(dǎo)牙齒移動(dòng)時(shí)的性能。研究表明，使用漸進(jìn)式增厚矯治器可以更好地控制牙齒移動(dòng)，并減少正畸力造成的疼痛[8]。既往針對(duì)其他品牌熱壓膜材料的研究結(jié)果均顯示，熱成形后材料厚度顯著減小[9-11]，與本研究結(jié)論基本一致。在本研究中，熱壓膜材料經(jīng)熱成形后厚度變薄，熱成形時(shí)間越長(zhǎng)，材料越薄。0.380 mm 熱壓膜材料在熱成形后厚度變化范圍最大，提示與0.625、0.760 mm 材料比較，0.380 mm熱壓膜材料熱穩(wěn)定性相對(duì)較差。0.625 mm 熱壓膜材料在熱成形90 s 后厚度變化較小，提示其穩(wěn)定性較好。

3.2 熱成形時(shí)間對(duì)熱壓膜材料彈性模量的影響

在傳統(tǒng)的固定矯治中，根據(jù)各階段矯治目標(biāo)的不同需要更換不同彈性的弓絲。臨床認(rèn)為該理念同樣適用于隱形矯治中，即不同類型的牙齒移動(dòng)應(yīng)匹配不同力學(xué)特性的隱形矯治器，例如應(yīng)在早期擁擠排齊階段使用彈性更好的熱壓膜材料。這就要求臨床工作中必須更深入、全面地了解隱形矯治用熱壓膜材料的彈性性能及其影響因素。

隱形矯治正畸力源于熱壓膜材料的彈性形變，矯治效率與材料彈性模量有關(guān)[12]。Inoue 等[13]利用有限元法分析研究了4 種熱塑性矯治器的物理性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)在4 種熱塑性材料的彈性模量和正畸力之間均有顯著相關(guān)性，得出彈性模量適用于正畸力評(píng)估的結(jié)論。

用于制造隱形矯治器的熱塑性材料力學(xué)性能受到多方面因素影響，例如與功能性和非功能性運(yùn)動(dòng)相關(guān)的機(jī)械應(yīng)力、與熱成形過(guò)程相關(guān)的熱應(yīng)力及在口腔內(nèi)受溫度變化和唾液影響的化學(xué)應(yīng)力[14-15]?，F(xiàn)有成果大多集中在對(duì)材料原始機(jī)械性能的研究[8,16-17]，關(guān)于熱成形對(duì)材料力學(xué)性能的影響鮮有報(bào)道。

在本研究中0.380 mm 熱壓膜材料彈性模量熱成形后明顯增大，而0.625、0.760 mm 熱壓膜材料熱成形前后的彈性模量未產(chǎn)生明顯變化，這與Tamburrino 等[18]的研究結(jié)果近似，提示0.380 mm 的材料熱成形后彈性模量在一定程度上得到了增強(qiáng)；而在一定熱成形時(shí)間范圍內(nèi)，0.625、0.760 mm 的材料能夠保證力學(xué)性能的相對(duì)穩(wěn)定，這對(duì)臨床使用具有十分重要的意義。

張寧等[19]的研究發(fā)現(xiàn)，3 種不同厚度Biolon 膜片在熱成形后彈性模量均降低，并將彈性模量降低的原因歸結(jié)于熱成形后膜片材料厚度的減小，這與本研究結(jié)果不甚一致。本研究分析認(rèn)為，差異的原因首先來(lái)自材料的差別，不同材料、不同品牌的隱形矯治器力學(xué)性能差異明顯，即便是以同一種材料為主要成分的熱壓膜材料，不同廠家的成品力學(xué)性能也有顯著差異[20]。因此，在正畸臨床工作中，需全面認(rèn)識(shí)材料的性能，根據(jù)患者自身情況及矯治需求和難度的不同，選用合適的材料進(jìn)行治療。

關(guān)于厚度對(duì)彈性模量的影響，材料學(xué)的研究認(rèn)為，材料的彈性性能本質(zhì)上是受到化學(xué)鍵和微結(jié)構(gòu)等因素的影響，即相同材質(zhì)的薄膜，其彈性模量大致是處于一個(gè)穩(wěn)定范圍的，造成彈性模量隨厚度變化的主要影響來(lái)源于材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)應(yīng)力的變化[21-22]。從宏觀角度，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度；從微觀角度，則是原子、離子或分子之間鍵合強(qiáng)度的反映。凡是影響鍵合強(qiáng)度的因素均能影響材料的彈性模量，如鍵合方式、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、微觀組織、溫度等[23]。本研究中0.380 mm 的熱壓膜材料在熱成形之后，微觀結(jié)構(gòu)可能發(fā)生了一定變化，如分子鏈纏繞方式、氫鍵排列、分子結(jié)晶度等[24-25]。同時(shí)，0.625、0.760 mm 的材料內(nèi)部可能也發(fā)生了類似的變化，但尚未引起顯著變化，后續(xù)將圍繞這一觀點(diǎn)進(jìn)一步深入研究。