三種無托槽隱形矯治器的牙科膜片力學(xué)性能對比研究

葉祥海 宋雷 宣夢潔 寧楠 王春蝶 王啟超

錯(cuò)頜畸形是一種常見的口腔疾病，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和家長重視，越來越多的錯(cuò)頜畸形患者接受正畸治療［1-2］。無托槽隱形矯正技術(shù)最早于1997年在美國Invisalign公司問世［3］，之后由于其美觀和可預(yù)測性的特點(diǎn)，無托槽隱形矯治器得到了廣泛應(yīng)用［4-5］。牙科膜片是制備無托槽隱形矯治器的關(guān)鍵耗材，其性能的好壞直接決定了無托槽隱形矯治器的性能。目前市面主流牙科膜片有聚對苯二甲酸乙二醇酯-1,4-環(huán)己烷二甲醇酯（polyethylene terephthalate glycol-modified，PETG）材料，熱塑性聚氨酯（thermoplastic urethanes，TPU）材料和多層復(fù)合材料［6-8］，然而，大多研究單獨(dú)某種牙科膜片的生物相容性、臨床和材料學(xué)等性能不同［9-11］，尚無文獻(xiàn)系統(tǒng)比較分析這三種主流牙科膜片材料的力學(xué)性能。為研究三種牙科膜片材料的力學(xué)性能差異，從而為臨床醫(yī)師和患者選擇不同牙科膜片材料制成的隱形矯治器提供數(shù)據(jù)支持，本文進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和應(yīng)力松弛試驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料 本文三種牙科膜片樣品均選用典型的市售品牌，厚度均為0.75 mm，其中PETG牙科膜片選用市售的德國肖爾膜片，TPU牙科膜片選用市售的美國bay material公司的Zendura 牙科膜片，多層復(fù)合牙科膜片選用杭州美齊科技有限公司研發(fā)的用于制作YMQ-M型無托槽正畸矯治器的牙科膜片。拉伸試驗(yàn)和應(yīng)力松弛試驗(yàn)試樣尺寸均選用GB/T 1040.3-2006中5型試樣尺寸［12］，每種材料試樣個(gè)數(shù)為5個(gè)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法 拉伸試驗(yàn)和應(yīng)力松弛試驗(yàn)設(shè)備均采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)（5565，INSTRON，美國），其中拉伸試驗(yàn)過程為：將膜片樣品以5 mm/min的速度拉伸至斷裂，用設(shè)備軟件記錄應(yīng)力應(yīng)變曲線；應(yīng)力松弛試驗(yàn)過程為：將膜片樣品以5 mm/min的速度拉伸至5%應(yīng)變后保持3 h［13］，監(jiān)測應(yīng)力松弛情況。分別對拉伸試驗(yàn)獲得的實(shí)驗(yàn)曲線的力學(xué)數(shù)據(jù)（彈性模量，拉伸屈服強(qiáng)度，拉伸屈服延伸率）和應(yīng)力松弛試驗(yàn)獲得的實(shí)驗(yàn)曲線的力學(xué)數(shù)據(jù)（最大應(yīng)力，松弛率）進(jìn)行比較分析，每種材料試樣的力學(xué)數(shù)據(jù)平均值作為該種材料的力學(xué)數(shù)據(jù)。

1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 采用SPSS 11.5 統(tǒng)計(jì)軟件。計(jì)量資料符合正態(tài)分布以（±s）表示，采用單因素方差分析，比較不同材料的力學(xué)數(shù)據(jù)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 彈性模量 PETG牙科膜片的彈性模量最大，TPU牙科膜片次之，多層復(fù)合牙科膜片最小。三種牙科膜片的彈性模量的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見表1。

表1 三種牙科膜片材料的彈性模量［MPa，（±s）］

表1 三種牙科膜片材料的彈性模量［MPa，（±s）］

組別 彈性模量PETG 1995.0±24.2 TPU 1888.4±10.5多層復(fù)合牙科膜片 990.4±17.6

2.2 拉伸屈服強(qiáng)度 TPU牙科膜片的拉伸屈服強(qiáng)度最大，PETG牙科膜片次之，多層復(fù)合牙科膜片最小。三種牙科膜片的拉伸屈服強(qiáng)度的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見表2。

表2 三種牙科膜片材料的拉伸屈服強(qiáng)度［MPa，（±s）］

表2 三種牙科膜片材料的拉伸屈服強(qiáng)度［MPa，（±s）］

組別 拉伸屈服強(qiáng)度PETG 44.2±1.1 TPU 67.0±1.5多層復(fù)合牙科膜片 28.9±0.8

2.3 拉伸屈服延伸率 TPU牙科膜片的拉伸屈服延伸率最大，多層復(fù)合牙科膜片次之，PETG牙科膜片最小。三種牙科膜片的拉伸屈服延伸率的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見表3。

表3 三種牙科膜片材料的拉伸屈服延伸率［%，（±s）］

表3 三種牙科膜片材料的拉伸屈服延伸率［%，（±s）］

組別 拉伸屈服延伸率PETG 3.0±0.2 TPU 8.3±0.3多層復(fù)合牙科膜片 5.5±0.2

2.4 應(yīng)力松弛性能 在應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)中，三種牙科膜片材料均呈現(xiàn)出不同程度的應(yīng)力松弛現(xiàn)象，應(yīng)力松弛曲線，見圖1。三種牙科膜片的應(yīng)力松弛性能，其中松弛率為松弛量與最大應(yīng)力的比值［14］。結(jié)果顯示，PETG牙科膜片的松弛率最大，TPU牙科膜片次之，多層復(fù)合牙科膜片最小。三種牙科膜片的松弛率的差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。見表4。

表4 三種牙科膜片材料的應(yīng)力松弛性能（±s）

表4 三種牙科膜片材料的應(yīng)力松弛性能（±s）

組別 最大應(yīng)力（MPa） 松弛量（MPa） 松弛率（%）PETG 45.7±1.3 28.0±2.8 61.2±4.3 TPU 55.5±1.7 26.2±2.3 47.2±2.6多層復(fù)合牙科膜片 27.6±1.1 10.8±1.6 39.2±3.9

圖1 三種牙科膜片材料的應(yīng)力松弛曲線

3 討論

3.1 牙科膜片關(guān)鍵力學(xué)性能指標(biāo)牙科膜片關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)包括應(yīng)力松弛率，彈性模量，拉伸強(qiáng)度和延伸率［15］。牙科膜片力學(xué)性能的影響因素主要分為內(nèi)部因素和外部因素，其中內(nèi)部因素是材料本身的材料成分和材料結(jié)構(gòu)，是影響力學(xué)性能的主要因素，外部因素為材料使用的環(huán)境。高分子材料結(jié)構(gòu)分結(jié)晶型和非結(jié)晶型，PETG為非結(jié)晶型高聚酯材料，結(jié)構(gòu)基團(tuán)為聚對苯二甲酸乙二醇酯；TPU為結(jié)晶型聚氨酯材料；多層復(fù)合材料是通過TPU和PETG共擠而成。影響牙科膜片的材料結(jié)構(gòu)因素有很多，常見的有加工工藝的種類，添加劑成分，交聯(lián)程度和填料比例等。

前期研究表明，不同品牌的PETG牙科膜片的應(yīng)力松弛性能存在差異［13］，可能與不同廠商采取的工藝有關(guān)，而不同材料的牙科膜片的應(yīng)力松弛性能區(qū)別和多層復(fù)合牙科膜片的力學(xué)性能鮮有報(bào)道。本文選取應(yīng)力松弛率，彈性模量，拉伸屈服強(qiáng)度和拉伸屈服延伸率四項(xiàng)關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)，對市面三種主流牙科膜片（PETG、TPU、多層復(fù)合材料）力學(xué)性能進(jìn)行研究。

3.2 三種主流牙科膜片力學(xué)性能的對比 彈性模量是指材料彈性變形過程中應(yīng)力應(yīng)變曲線的斜率，其值愈大，表示這種材料的剛度愈大，在同樣變形程度下材料應(yīng)力愈大。根據(jù)《牙膠片式矯治器產(chǎn)品注冊技術(shù)審查指導(dǎo)原則（征求意見稿）》［16］，為了滿足足夠的矯治力，牙科膜片彈性模量應(yīng)不低于600 MPa。對于牙科膜片來說，在能滿足基本施力要求的情況下，牙科膜片的彈性模量應(yīng)盡量降低，這樣可以在兼顧矯治器的施力性能的前提下提高佩戴舒適度。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，PETG牙科膜片的彈性模量最大，TPU牙科膜片次之，多層復(fù)合牙科膜片最小。本研究結(jié)果表明，PETG牙科膜片雖然能提供足夠的矯治力，但矯治器佩戴舒適度較差；TPU佩戴舒適度較PETG稍好，尚需進(jìn)一步改善；多層復(fù)合牙科膜片具有優(yōu)秀的彈性模量性能，能同時(shí)滿足矯治器力學(xué)性能和佩戴舒適度要求。

屈服強(qiáng)度是材料在拉伸屈服點(diǎn)處的應(yīng)力，屈服延伸率則為屈服點(diǎn)處的應(yīng)變，屈服強(qiáng)度為彈性模量和屈服延伸率的乘積。由于材料到達(dá)屈服點(diǎn)之前的變形為彈性變形，當(dāng)外力消失后這種變形能恢復(fù)原狀，因此屈服延伸率可以表示膜片材料的回彈性。在彈性模量滿足不低于600 MPa的前提下，膜片的屈服延伸率越大越好。本文實(shí)驗(yàn)表明PETG牙科膜片回彈性最小，而TPU牙科膜片和多層復(fù)合牙科膜片回彈性較PETG牙科膜片具有顯著改善，本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果與臨床上PETG矯治器容易發(fā)生重啟失效相吻合。

牙科膜片應(yīng)具有產(chǎn)生持續(xù)、安全、有效、可控的正畸矯治力的能力［17］，這就要求牙科膜片具備良好的應(yīng)力松弛性能。本文應(yīng)力松弛結(jié)果表明，在應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)3 h內(nèi)，TPU牙科膜片的保持力大于PETG牙科膜片保持力，PETG牙科膜片的保持力大于多層復(fù)合牙科膜片，這解釋了臨床上TPU和PETG矯治器剛佩戴時(shí)矯治器施力較大，患者容易出現(xiàn)疼痛的現(xiàn)象；同時(shí)結(jié)果顯示PETG牙科膜片松弛率最大，TPU牙科膜片次之，多層復(fù)合牙科膜片最小。綜合剛佩戴時(shí)矯治器施力和后期應(yīng)力松弛兩個(gè)因素，多層復(fù)合牙科膜片佩戴舒適度高，同時(shí)可提供長時(shí)間有效矯治力，是制備矯治器的理想材料。值得注意的是，圖1中PETG牙科膜片應(yīng)力松弛曲線呈現(xiàn)不光滑的現(xiàn)象，原因可能是由于PETG牙科膜片回彈性最差，在5%范圍內(nèi)發(fā)生了局部屈服，導(dǎo)致局部高分子鏈劇烈重構(gòu)失穩(wěn)；而TPU牙科膜片和多層復(fù)合牙科膜片彈性范圍均超過5%，未出現(xiàn)局部屈服失穩(wěn)，因此應(yīng)力松弛曲線比較光滑。

綜上所述，TPU牙科膜片的拉伸屈服強(qiáng)度和拉伸屈服延伸率性能在三種牙科膜片中表現(xiàn)最好，而彈性模量和應(yīng)力松弛性能則多層復(fù)合牙科膜片表現(xiàn)最好，綜合力學(xué)性能而言，多層復(fù)合牙科膜片性能高于TPU牙科膜片性能，TPU牙科膜片性能高于PETG牙科膜片性能，在正畸過程中可根據(jù)實(shí)際情況選擇不同材料的牙科膜片，如牙齒控根移動(dòng)需要較大的矯治力，適合用彈性模量較大的PETG和TPU牙科膜片，而牙齒過度擁擠或不齊，會(huì)造成佩戴不方便，此時(shí)適合選擇佩戴舒適度高的多層復(fù)合牙科膜片。本研究結(jié)果可為廣大醫(yī)師和患者選用牙科膜片提供數(shù)據(jù)支持，為充分利用不同牙科膜片的力學(xué)性能特點(diǎn)。