熱成形時間對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.北京大學口腔醫院綜合科，北京 100081；2.北京化工大學材料科學與工程學院，北京 100029；3.中日友好醫院口腔醫學中心，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性能密切相關[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正畸熱壓膜材料原始力學性能及模擬口腔環境下的力學性能[4-6]，而熱成形對熱壓膜材料影響的研究較少，尤其對聚氨酯熱壓膜材料的研究鮮見報道。為了解熱成形時間對熱壓膜材料厚度和力學性能的影響，本研究選用ZenduraAT 正畸熱壓膜材料，通過測量不同原始厚度的膜片材料經不同時間熱成形處理后厚度和彈性模量的變化，研究熱成形時間對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揮的熱塑性矯治器材料及研發高性能新材料提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.2 主要儀器及設備

熱壓膜機（D-3300Drufomatscan，德國福科斯醫療）；全自動壓片機（JZP-40，上海精勝科學儀器有限公司）；數字電子游標卡尺，精度0.001 mm（Mitutoyo500-196-30，日本三豐）；電子萬能試驗機（UTM5205XHD，深圳三思縱橫科技股份有限公司）。

1.3 實驗方法

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 個試樣。未處理組：原始材料未經處理。熱成形60 s 組：模擬隱形矯治器制作過程為經壓膜機預熱并在預成模型上（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壓片機按國家標準GB/T1040.3-2006[7]沖切制成5 型標準啞鈴型試樣。

1.3.2 厚度測量 用電子游標卡尺隨機測量每組每個試樣各3 個點厚度，再計算每組10 個試樣的均數和標準差。

1.3.3 彈性模量測量 檢查每組試樣表面有無裂痕、劃紋，上夾具后保證試件未受力未變形，應用電子萬能材料試驗機測試其力學性能，拉伸速度為10 mm/min，計算機記錄數據并計算彈性模量。

1.4 統計學方法

采用SPSS 26.0 統計學軟件進行數據分析。計量資料采用均數±標準差（±s）表示，多組計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。以P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

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，差異有統計學意義（P＜0.05）。見表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，差異有統計學意義（P＜0.05）。0.625、0.760 mm 熱壓膜材料不同處理組彈性模量比較，差異無統計學意義（P＞0.05）。見表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行研究，通過測量經不同時間熱成形前后材料厚度和彈性模量的變化，探討熱成形時間對材料厚度和彈性模量的影響。

3.1 熱成形時間對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，這可能會影響其在引導牙齒移動時的性能。研究表明，使用漸進式增厚矯治器可以更好地控制牙齒移動，并減少正畸力造成的疼痛[8]。既往針對其他品牌熱壓膜材料的研究結果均顯示，熱成形后材料厚度顯著減小[9-11]，與本研究結論基本一致。在本研究中，熱壓膜材料經熱成形后厚度變薄，熱成形時間越長，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熱壓膜材料熱穩定性相對較差。0.625 mm 熱壓膜材料在熱成形90 s 后厚度變化較小，提示其穩定性較好。

3.2 熱成形時間對熱壓膜材料彈性模量的影響

在傳統的固定矯治中，根據各階段矯治目標的不同需要更換不同彈性的弓絲。臨床認為該理念同樣適用于隱形矯治中，即不同類型的牙齒移動應匹配不同力學特性的隱形矯治器，例如應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[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，發現在4 種熱塑性材料的彈性模量和正畸力之間均有顯著相關性，得出彈性模量適用于正畸力評估的結論。

用于制造隱形矯治器的熱塑性材料力學性能受到多方面因素影響，例如與功能性和非功能性運動相關的機械應力、與熱成形過程相關的熱應力及在口腔內受溫度變化和唾液影響的化學應力[14-15]。現有成果大多集中在對材料原始機械性能的研究[8,16-17]，關于熱成形對材料力學性能的影響鮮有報道。

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生明顯變化，這與Tamburrino 等[18]的研究結果近似，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；而在一定熱成形時間范圍內，0.625、0.760 mm 的材料能夠保證力學性能的相對穩定，這對臨床使用具有十分重要的意義。

張寧等[19]的研究發現，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于熱成形后膜片材料厚度的減小，這與本研究結果不甚一致。本研究分析認為，差異的原因首先來自材料的差別，不同材料、不同品牌的隱形矯治器力學性能差異明顯，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性能也有顯著差異[20]。因此，在正畸臨床工作中，需全面認識材料的性能，根據患者自身情況及矯治需求和難度的不同，選用合適的材料進行治療。

關于厚度對彈性模量的影響，材料學的研究認為，材料的彈性性能本質上是受到化學鍵和微結構等因素的影響，即相同材質的薄膜，其彈性模量大致是處于一個穩定范圍的，造成彈性模量隨厚度變化的主要影響來源于材料內部微觀結構和內應力的變化[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度的反映。凡是影響鍵合強度的因素均能影響材料的彈性模量，如鍵合方式、晶體結構、化學成分、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，微觀結構可能發生了一定變化，如分子鏈纏繞方式、氫鍵排列、分子結晶度等[24-25]。同時，0.625、0.760 mm 的材料內部可能也發生了類似的變化，但尚未引起顯著變化，后續將圍繞這一觀點進一步深入研究。