齒科隱形正畸矯治器用膜片的力學(xué)性能研究

摘 要：本文通過測試不同厚度的PETG/PC/TPU齒科隱形正畸矯治器用膜片的力學(xué)性能，得到相應(yīng)的拉伸彈性模量、屈服應(yīng)力、屈服拉伸應(yīng)變以及直角撕裂強(qiáng)度，為選擇厚度適宜的齒科隱形正畸矯治器用膜片制作無托槽隱形矯治器提供指導(dǎo)。結(jié)果顯示，彈性模量隨膜片厚度增加而逐漸增大（膜片的厚度從0.3mm增至0.7mm，彈性模量從622.4MPa增至1027.6MPa），PETG/PC/TPU膜片厚度從0.3mm增至0.7mm，直角撕裂強(qiáng)度均＞280kN/m。綜合分析不同厚度膜片的拉伸彈性模量、屈服應(yīng)力以及屈服拉伸應(yīng)變，當(dāng)PETG/PC/TPU膜片厚度為0.5mm時，矯治器的矯治效果較優(yōu)異。

關(guān)鍵詞：正畸矯治器用膜片；無托槽隱形矯治；力學(xué)性能

中圖分類號：R 783" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

無托槽隱形矯治改變了人們對傳統(tǒng)正畸矯治的認(rèn)識，更注重矯治器本身的隱蔽性與美觀性。不同于傳統(tǒng)的固定矯治技術(shù)，無托槽隱形矯治是通過熱壓膜材料緊密貼合在牙面，擠壓產(chǎn)生彈性形變，進(jìn)而帶動牙齒移動，達(dá)到矯治目的[1-2]。值得注意的是，熱壓膜材料的厚度對矯治器矯治力具有顯著影響。任超超等[3]發(fā)現(xiàn)隨著材料厚度增加，矯治器矯治力也相應(yīng)增加。Kwon等探究了不同厚度材料的硬度和韌性，發(fā)現(xiàn)厚度越小，越適合臨床使用。經(jīng)恒溫水浴中浸泡后，材料的力學(xué)性能增加。因此，要了解某種熱壓膜材料對牙齒的移動能力，就必須深入研究該材料力學(xué)性能[4]。

經(jīng)前期調(diào)查，本文選用有高透明度的PETG（對苯二甲酸乙二醇酯-1，4-環(huán)己烷二甲醇酯）為基體材料，利用PC（聚碳酸酯）和TPU（熱塑性聚氨酯）對其改性。當(dāng)PETG/PC/TPU最佳配比為60/40/15時[4]，探究混合材料在不同厚度下的力學(xué)性能，并與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，以篩選出制備無托槽隱形矯治器的最佳厚度，為臨床選用厚度適宜的齒科隱形正畸矯治器用膜片制作無托槽隱形矯治器提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

將PETG置于恒溫干燥箱中，在70℃下恒溫4h；PC置于恒溫干燥箱中，在110℃恒溫5h；TPU置于恒溫干燥箱中，在90℃恒溫5h。將配比為60/40的PETG/PC添加15份TPU，均勻混合，在溫度為200℃下通過微型擠出機(jī)擠出，將其冷卻并切粒，轉(zhuǎn)速為110r/min。將擠出的混合物顆粒置于恒溫干燥箱，在80℃恒溫5h后，在210℃的溫度下利用注塑機(jī)進(jìn)行注塑，得到片狀試樣[5]。

1.2 設(shè)備和儀器

設(shè)備和儀器包括微型擠出機(jī)（DSR，美國Prism公司）、注塑機(jī)（JPH-120，廣東泓利機(jī)器公司）、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9070A，上海精宏試驗(yàn)設(shè)備公司）、精密萬能材料試驗(yàn)機(jī)（AGX-V10KN，日本島津）和氣動沖片機(jī)（KDQ4025，凱德儀器）。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法具體如下。

第一，力學(xué)拉伸性能測試。對于正畸矯治器用膜片，根據(jù)YY/T1819—2022標(biāo)準(zhǔn)[6]，利用氣動沖片機(jī)將片狀試樣制備成標(biāo)準(zhǔn)試樣，同一厚度的試樣各5片（如圖1所示）。使用低倍放大鏡檢查樣品邊緣，檢查樣品邊緣應(yīng)無缺口。在常溫下，將樣品固定至精密萬能材料試驗(yàn)機(jī)上，以5mm/min的速度對試樣施加拉力，直至試樣斷裂。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)計算拉伸彈性模量、屈服應(yīng)力和屈服拉伸應(yīng)變，利用Origin8.5軟件繪出拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線（如圖2所示）。

第二，直角撕裂強(qiáng)度測試。使用氣動沖片機(jī)，根據(jù)QB/T1130—1991中的要求制備試樣，同一厚度的試樣各5片（如圖3所示）。使用低倍放大鏡檢查試樣邊緣，確保試樣無缺口。在常溫下，測量試樣直角口處的厚度d（mm）。將試樣夾在精密萬能材料試驗(yàn)機(jī)夾具上，夾入部分為20mm，并使其受力方向與試樣方向垂直。以200mm/min的速度進(jìn)行試驗(yàn)。記錄最大負(fù)荷值P（N）。按σ=P/d計算直角撕裂強(qiáng)度σ（kN/m），并取平均值[6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同厚度膜片的力學(xué)拉伸性能分析結(jié)果

本文通過精密萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試了PETG/PC/TPU-0.3、PETG/PC/TPU-0.5、PETG/PC/TPU-0.7和PETG/PC/TPU-1.0齒科隱形正畸矯治器用膜片的力學(xué)拉伸性能，并利用origin做圖得到了不同厚度PETG/PC/TPU膜片的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線（如圖2所示）。通過進(jìn)一步計算，得出其相應(yīng)的拉伸彈性模量曲線（如圖4所示）與屈服應(yīng)力、屈服拉伸應(yīng)變曲線（如圖5所示）。

根據(jù)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線（如圖3所示）可知，齒科隱形正畸矯治器用膜片厚度增加，其相應(yīng)的應(yīng)力也隨之增大，但這種增大趨勢并不會隨PETG/PC/TPU膜片厚度增加呈線性關(guān)系。

進(jìn)一步分析不同厚度PETG/PC/TPU膜片的彈性模量結(jié)果，發(fā)現(xiàn)彈性模量隨膜片厚度增加而逐漸增加。當(dāng)PETG/PC/TPU膜片的厚度從0.3mm增至0.7mm時，其彈性模量從622.4MPa增至1027.6MPa，隨著膜片厚度繼續(xù)增至1.0mm，彈性模量反而降至564.8MPa。值得注意的是，當(dāng)PETG/PC/TPU膜片的厚度為0.7mm時，其相應(yīng)的彈性模量達(dá)到最大值，即1027.6MPa。根據(jù)正畸矯治器用膜片的行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)要求，材料的彈性模量數(shù)值應(yīng)為700MPa～3000MPa[6]。根據(jù)對PETG/PC/TPU膜片的拉伸彈性模量的分析可知，當(dāng)PETG/PC/TPU膜片厚度為0.5mm～0.7mm時，其材料的拉伸彈性模量數(shù)值均符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

齒科隱形正畸矯治器用材料的屈服應(yīng)力即代表材料移動牙齒的能力。材料的屈服應(yīng)力太小，無法達(dá)到矯治牙齒的目的，而過大則會使佩戴者感到不適。因此，屈服應(yīng)力需要保持在一個適當(dāng)?shù)乃絒5]。要想使隱形正畸矯治器具有合適的矯治力，隱形正畸矯治器用材料就應(yīng)具有適當(dāng)?shù)那?yīng)力。通過對進(jìn)口膜片材料的屈服應(yīng)力進(jìn)行分析可知，其屈服應(yīng)力為55MPa～66MPa。此時隱形正畸矯治器具有足夠的矯治力，同時患者佩戴感覺較舒適[5]。值得注意的是，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)屈服應(yīng)力≥25MPa時，即可達(dá)到正畸矯治用膜片的行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)要求[6]。

本文選用屈服應(yīng)力較高的PC對材料進(jìn)行改性，通過測試得到了不同厚度PETG/PC/TPU膜片的屈服應(yīng)力和屈服拉伸應(yīng)變。結(jié)果表明，4種厚度PETG/PC/TPU膜片的屈服應(yīng)力均＞25MPa（PETG/PC/TPU-0.3膜片的屈服應(yīng)力為36.3MPa，PETG/PC/TPU-0.5膜片的屈服應(yīng)力為59.4MPa，PETG/PC/TPU-0.7膜片的屈服應(yīng)力為48.2MPa，PETG/PC/TPU-1.0膜片的屈服應(yīng)力為27.2MPa），符合行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)的要求。進(jìn)一步分析可知，PETG/PC/TPU-0.5膜片的屈服應(yīng)力高達(dá)59.4MPa，該數(shù)值與進(jìn)口膜片的屈服應(yīng)力（55MPa～66MPa）相當(dāng)，達(dá)到了既能產(chǎn)生足夠大的矯治力，又不會矯治力過大，使佩戴者感覺不適的目的。因此，就材料的矯治力而言，當(dāng)PETG/PC/TPU膜片厚度為0.5mm時，材料具有更優(yōu)異的矯治力。

材料的彈性模量越大，其相應(yīng)的形變能力越弱。因此，使用隱形正畸矯治器對患者進(jìn)行矯治時，要求相應(yīng)的材料具有較高的屈服應(yīng)力與較小的彈性模量[5]。綜合分析不同厚度PETG/PC/TPU膜片拉伸彈性模量、屈服應(yīng)力以及屈服拉伸應(yīng)變，當(dāng)PETG/PC/TPU膜片厚度為0.5mm時，其相應(yīng)的正畸矯治器佩戴舒適且矯治力較優(yōu)異。

2.2 不同厚度膜片的直角撕裂強(qiáng)度分析結(jié)果

通過精密萬能材料試驗(yàn)機(jī)測試了PETG/PC/TPU-0.3、PETG/PC/TPU-0.5、PETG/PC/TPU-0.7和PETG/PC/TPU-1.0齒科隱形正畸矯治器用膜片的直角撕裂強(qiáng)度，利用origin做圖得出不同厚度PETG/PC/TPU膜片的位移-載荷曲線（如圖6所示）。再通過進(jìn)一步計算，得出不同厚度PETG/PC/TPU膜片的直角撕裂強(qiáng)度（如圖7所示）。

根據(jù)圖6可知，隨著PETG/PC/TPU膜片載荷增大，位移也逐漸增加，但位移的增量會隨載荷的增加而變小。直角撕裂強(qiáng)度是材料的一項重要性能參數(shù)，是試樣拉斷時的最大負(fù)荷值與試樣直角口處厚度的比值，代表了材料的抗撕裂性能和韌性。由于正畸矯治器在成型過程中會發(fā)生一定量形變，因此需要矯治器的制作材料具有一定的直角撕裂強(qiáng)度。正畸矯治用膜片的行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)要求規(guī)定，直角撕裂強(qiáng)度應(yīng)≥100kN/m。

根據(jù)圖7可知，PETG/PC/TPU膜片厚度從0.3mm增至0.7mm，直角撕裂強(qiáng)度均＞100kN/m（PETG/PC/TPU-0.3膜片的直角撕裂強(qiáng)度為281.4kN/m，PETG/PC/TPU-0.5膜片的直角撕裂強(qiáng)度為286.6kN/m，PETG/PC/TPU-0.7膜片的直角撕裂強(qiáng)度為299.9kN/m，PETG/PC/TPU-1.0膜片的直角撕裂強(qiáng)度為198.5kN/m），符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[6]。其中PETG/PC/TPU-0.5與PETG/PC/TPU-0.7膜片的直角撕裂強(qiáng)度均超過285kN/m，表明當(dāng)PETG/PC/TPU材料厚度為0.5mm和0.7mm時，材料具有較好的韌性和較優(yōu)異的抗撕裂性能。更重要的是，PETG/PC/TPU-0.5與PETG/PC/TPU-0.7膜片的直角撕裂強(qiáng)數(shù)值相差不大，因此制作無托槽隱形矯治器的最終選材厚度還應(yīng)綜合考慮材料的拉伸彈性模量、屈服應(yīng)力和屈服拉伸應(yīng)變。

3 結(jié)論

本文通過對4種厚度的PETG/PC/TPU膜片進(jìn)行力學(xué)拉伸性能測試和直角撕裂強(qiáng)度測試，研究了不同厚度對膜片力學(xué)性能的影響，并對其拉伸彈性模量、屈服應(yīng)力、屈服拉伸應(yīng)變和直角撕裂強(qiáng)度進(jìn)行了比較。

當(dāng)PETG/PC/TPU-0.5膜片的彈性模量為732.1MPa、屈服拉伸應(yīng)力高達(dá)59.4MPa且直角撕裂強(qiáng)度為286.6MPa時，材料的抗撕裂性和韌性較好且具有一定彈性，符合行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)，可作為熱壓膜材料制作無托槽隱形矯治器的選材厚度。綜上所述，當(dāng)PETG/PC/TPU材料的厚度為0.5mm時，制作出的隱形正畸用矯治器佩戴較舒適安全，同時可達(dá)到較優(yōu)異的矯治效果。

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通信作者：袁文洪（1982-），四川簡陽人，大學(xué)本科，主管藥師，研究方向?yàn)槭称匪幤丰t(yī)療器械的檢驗(yàn)檢測。

電子郵箱：624369756@qq.com。