自锁托槽配合双丝技术倾斜力学性能的三维数字化分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.34.007

中国组织工程研究 ›› 2017, Vol. 21 ›› Issue (34): 5449-5454.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2017.34.007

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自锁托槽配合双丝技术倾斜力学性能的三维数字化分析

周容，何淞，吴稀，白蕊，贺涵，黄跃

西南医科大学附属口腔医院，四川省泸州市 646000

收稿日期:2017-11-01 出版日期:2017-12-08 发布日期:2018-01-04
通讯作者: 黄跃，博士，副教授，硕士生导师，西南医科大学附属口腔医院，四川省泸州市 646000
作者简介:周容，女，汉族，1991年生，西南医科大学口腔医学院在读硕士，医师，主要从事口腔生物力学研究。
基金资助:
四川省医学会青年课题(川学会医字[2016]2号)；四川省人力资源和社会保障厅基础研究课题(川人社办发[2015]93号)；西南医大校课题([2016]217号2016145)

A three-dimensional finite element analysis of the tip mechanical capabilities of self-ligating brackets with double wires

Hospital of Stomatology, Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China

Received:2017-11-01 Online:2017-12-08 Published:2018-01-04
Contact: Huang Yue, M.D., Associate professor, Master’s supervisor, Hospital of Stomatology, Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China
About author:Zhou Rong, Studying for master’s degree, Physician, Hospital of Stomatology, Southwest Medical University, Luzhou 646000, Sichuan Province, China
Supported by:
the Youth Project of Sichuan Provincial Medical Association, No. [2016]2; the Basic Research Project supported by the Sichuan Provincial Department of Human Resources and Social Security, No. [2015]93; the Project of Southwest Medical University, No. [2016]217-2016145

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

双丝技术：是多股麻花丝技术的升级，指同时应用两根弓丝进行正畸加力，而实验主要针对被动自锁托槽代表DamonQ双丝的应用。相对于传统托槽，DamonQ托槽增设了辅助性水平槽沟，利用主、辅弓丝形成双丝系统，将传统单丝系统的两点接触受力变为四点接触，即形成平面受力，其力学效果有明显的变化。

倾斜力学：是指正畸牙移动过程中，牙齿受力后产生以支点为中心的冠、根向相反方向的移动。在实验主要指矫治期间纠正倾斜牙齿的移动，即正轴，为竖直近远中倾斜牙轴的过程，其效果与槽沟宽度密切相关。因此，设有双槽沟的DamonQ托槽的倾斜力学规律与传统托槽可能有所区别。

背景：目前临床上自锁托槽的应用越来越广泛，但其双丝技术对牙齿三维方向的控制规律及机制并不完全明了，尤其在倾斜方面的研究更是少见。

目的：运用有限元法建立DamonQ托槽搭配不同尺寸弓丝的三维有限元模型，以研究探索自锁托槽运用双丝技术纠正倾斜的力学性能。

方法：用Pro/E软件建立不同尺寸的弓丝以及DamonQ托槽模型，分组装配模型后导入软件中进行倾斜力学模拟加载，收集力矩值，绘制相应的曲线图和柱状图。

结果与结论：①单丝倾斜运动时，辅弓单丝倾斜力矩值相比同尺寸主弓单丝呈倍数增加；②双丝倾斜移动时，倾斜力矩值大小与主、辅弓丝的尺寸呈正相关，且辅弓丝尺寸的影响大于主弓丝；③结果说明：临床上前牙区牙齿倾斜度较大时，可用主弓单丝先行简单排齐，待倾斜角度减小后加入双丝进行精确调整，而实际应用中则需要正畸医生根据临床实际情况，选择更适宜的弓丝搭配。

ORCID: 0000-0001-9135-2332(周容)
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 生物材料, 口腔生物材料, 自锁托槽, 双丝技术, 倾斜, 三维数字化分析, DamonQ, 辅弓丝, 弓丝尺寸, 余隙, 槽沟

Abstract:

BACKGROUND: At present, the using of self-ligating brackets is more and more extensive. But it is unclear about the rules and mechanisms underlying the tooth control by double wires in three dimensions, especially in tipping.

OBJECTIVE: Using the finite element method to establish different three-dimensional finite models of DamonQ brackets and archwires with different sizes, and then to explore the tip mechanical properties when using double wire technique.

METHODS: Different three-dimensional finite models of DamonQ brackets and archwires with different sizes were established by Pro/E Wildfire5.0. The models were assembled and imported to MSC.Marc.Mentat2005R3 followed by simulating the tip load, calculating torque moment and drawing the corresponding graph and histogram.

RESULTS AND CONCLUSION: (1) With tipping movement of single wire, tipping moment of auxiliary single archwires was multiplied by the same size as main archwires. (2) With tipping movement of double wires, the tip moment value increased when the size of the main or auxiliary archwire increased, and the influence of the size of the auxiliary archwire was greater than that of the main archwire. (3) When the tilt angle is large, we can simply level the tooth using the main archwire first, and then precisely adjust the tooth position with double wires. And in the clinical pratice, orthodontists can choose the appropriate size of double wires according to their needs.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Tissue Engineering, Biocompatible Materials, Finite element analysis

中图分类号:

R318

周容，何淞，吴稀，白蕊，贺涵，黄跃. 自锁托槽配合双丝技术倾斜力学性能的三维数字化分析[J]. 中国组织工程研究, 2017, 21(34): 5449-5454.

Zhou Rong, He Song, Wu Xi, Bai Rui, He Han, Huang Yue.

A three-dimensional finite element analysis of the tip mechanical capabilities of self-ligating brackets with double wires

[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2017, 21(34): 5449-5454.

图/表（结果） 6

2.1 主弓单丝与辅弓单丝的倾斜力学性能对比图2为两组单丝模型：一组在DamonQ托槽的主槽沟内分别放入0.012，0.014，0.016 英寸的镍钛圆丝，另一组在辅助性水平槽沟内分别放入相同尺寸的镍钛圆丝。结果显示两组模型倾斜力矩值均随倾斜角度及弓丝尺寸的增大而增大，相同尺寸的辅弓单丝倾斜力矩值均大于相同尺寸的主弓单丝，且0.012，0.014，0.016英寸辅弓单丝的力值分别约为同尺寸主弓单丝的4.66，4.39，8.36倍。

2.2 双丝系统倾斜力学性能特点

2.2.1 主弓丝尺寸相同，辅弓丝尺寸不同的单、双丝倾斜力学性能对比当主弓丝尺寸相同辅弓丝尺寸不同时，根据图3可以看出，各组载荷曲线变化规律大致相同：倾斜力矩值随倾斜角度的增大而增大，增大的斜率随辅弓丝尺寸的增大而明显增大。当倾斜角度为20°时，辅弓丝为0.016NiTi时倾斜力矩值最大，且分别搭配3种尺寸主弓丝后力值差别不大(图4)。

2.2.2 辅弓丝尺寸相同，主弓丝尺寸不同的单、双丝倾斜力学性能对比单丝组中，0.012 ，0.014，0.016英寸的主弓单丝出现拐点的角度较大，分别约为8°，8°，6°(图2)；双丝组中，随着辅弓丝的应用及其尺寸的增加其拐点出现提前，辅弓丝为0.012，0.014，0.016英寸的圆-圆双丝出现拐点均约为6°，4°，0.5°(图5)。另外，当不同尺寸主弓丝配以同尺寸辅弓丝时，各载荷曲线图显示当辅弓丝尺寸不变时，倾斜力矩值随主弓丝尺寸的增大而增大，但其变化甚小；同时，倾斜力矩值也随倾斜角度增加而增大，但不同尺寸主弓丝间的力值变化不大(图6)。由此，与图2-4相比，可以看出双丝系统倾斜力矩值的变化受主弓丝尺寸的影响小于辅弓丝。

2.2.3 主、辅弓丝尺寸均不同的双丝组合的倾斜力学性能对比倾斜角度20°时，主弓丝和辅弓丝较对照组均不相同的双丝组合的倾斜力学性能比较。实验以辅弓丝尺寸小于对照组，主弓丝尺寸大于对照组的方式进行分组，为A，B，C，D组。按：A组以16NiTi+12NiTi为对照组，双丝组合的辅弓丝均为小于0.016英寸的镍钛圆丝，主弓丝均为大于0.012英寸的镍钛圆丝，共有5个模型；B组以16NiTi+14NiTi为对照组，共3个模型；C组以14NiTi+12NiTi为对照组，共3个模型；D组以14NiTi+14NiTi为对照组，共2个模型。实验结果如图7所示，每组模型倾斜力矩值均随辅弓丝尺寸增大而增大。

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引言

材料方法

1.1 设计计算机模拟实验。

1.2 时间及地点于2016年9月至2017年4月在西南医科大学附属口腔医院生物力学研究实验室完成。

1.3 材料 DamonQ托槽生产自美国Ormco公司，镍钛圆丝生产自美国3M公司。

1.4 实验方法

1.4.1 建模、装配及划分网格运用Pro/E.Wildfire 5.0软件，以计算机辅助测量的DamonQ托槽数据为参考，分别建立中切牙、侧切牙及尖牙的DamonQ托槽和不同尺寸的镍钛(Nickel-Titanium，NiTi)弓丝模型，托槽主槽沟尺寸为0.022英寸×0.028英寸(0.56 mm×0.71 mm)，辅槽沟为0.016 5英寸×0.016 5英寸(0.42 mm×0.42 mm)；弓丝尺寸分别为0.012英寸(0.30 mm)，0.014英寸(0.36 mm)，0.016英寸(0.41 mm)圆丝，弓丝长度为30 mm。将3颗上前牙托槽和弓丝模型按照实验分组设计进行装配，而后导入MSC.Patran2005软件中进行网格划分。

1.4.2 实验分组实验以不同尺寸镍钛圆丝组合下的双丝、主弓单丝以及辅弓单丝，共建立以下15组模型(表1)。

1.4.3 材料物理参数设定将已行网格划分后的托槽及弓丝模型导入MSC.Marc.Mentat 2005r3软件。对导入后的托槽、弓丝模型设定相应的物理参数^[25-28]，具体参数设定见表2。

1.4.4 边界条件限定和力矩加载将各组模型的中切牙及尖牙托槽进行边界固定，将托槽与弓丝、滑盖与弓丝之间均设定为接触关系，摩擦系数μ均为0.2^[2^5，29^]；托槽与滑盖设定为黏合关系(模型如图1)。在侧切牙托槽槽沟中心选点加载20°倾斜旋转(与临床倾斜力量的卸载过程逆向对应)。

1.4.5 结果分析模拟加载运算完毕后，收集加力点处应力值，并根据实验数据绘制相应的曲线图和柱状图，分析倾斜角度与力值变化间的关系，从而研究双丝系统在倾斜控制方面的力学性能规律。

1.5 主要观察指标最大、平均倾斜力矩值及倾斜角度。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

讨论

3.1 DamonQ托槽配合单丝的倾斜力学特点分析在使用单丝改倾斜时，相同尺寸的辅弓单丝所表达的倾斜力矩值均大于相同尺寸的主弓单丝。这是由于尺寸0.0165英寸×0.0165英寸的辅弓槽沟明显小于0.022英寸×0.028英寸的主弓槽沟，因此当相同尺寸的弓丝分别置于主、辅弓槽沟时，辅弓丝会更早接触辅弓槽沟壁，与辅弓槽沟之间的余隙相较主弓丝与主弓槽沟之间的更小。而有研究表明弓丝力值的有效表达受弓丝与槽沟间余隙的影响，余隙越大，弓丝力值表达越受限^[3⁰^]。有研究也发现，正畸力值表达很大程度上受托槽有效槽沟大小的影响，即同尺寸弓丝时，槽沟尺寸越小，力值越大。这与实验单丝组实验结果辅弓单丝倾斜力矩值较大一致^[3¹^]。

3.2 DamonQ托槽配合双丝的倾斜力学特点分析DamonQ托槽在传统主槽沟的龈方增设了水平辅助槽沟，通过双丝技术将传统的单一受力线转变为平面受力，这是其与传统单丝系统受力最重要的不同之处，力学表达特点也将有所不同。实验结果显示，倾斜移动时，双丝系统出现拐点的倾斜角度早于单丝系统，产生的倾斜力矩值也较大，且随辅弓丝尺寸增大，出现拐点的倾斜角度更小。

在单丝的载荷曲线中，0.012，0.014，0.016 英寸的主弓单丝出现明显的拐点的角度分别约在8°，8°，6°，意味着DamonQ单丝系统仅能对6°以上的牙轴倾斜产生矫治力，这与主弓丝与主弓槽沟间存在一定的余隙有关。在双丝系统中，拐点出现的倾斜角度均较小，辅弓丝为0.012，0.014，0.016 英寸的圆-圆双丝拐点出现均约为6°，4°，0.5°，这是由于辅弓丝与辅弓槽沟之间的余隙较小，有利于力值的更好表达。

当使用双丝正轴时，弓丝与托槽四点接触，为平面受力，相对传统单一线受力增加了垂直向力矩，故其倾斜力矩值明显大于单丝系统，对轻度轴倾歪斜者的竖直效果更佳。在双丝系统中，当辅弓丝尺寸相同，主弓丝尺寸不同时，曲线出现拐点的角度大致相同，且曲线图间的力值差距不明显；而当辅弓丝尺寸不同时，不论主弓丝尺寸是否相同，曲线出现拐点的角度随辅弓丝尺寸的增大而提前，且曲线图间的力值差距明显；说明辅弓丝尺寸变化对双丝力值表达的影响大于主弓丝尺寸变化的影响。这可能是由于辅弓槽沟尺寸小于主弓槽沟，与弓丝之间的余隙相对较小，当倾斜存在时，首先是辅弓丝与辅弓槽沟壁发生接触产生力值。

3.3 临床意义在临床正轴过程中选择需要的弓丝时，应考虑倾斜角度、牙齿生理耐受力值等。

实验结果显示，DamonQ单、双丝系统倾斜力矩值均随牙齿倾斜角度增加而增大，且双丝系统力矩值增大更加明显，故在临床上前牙区牙齿倾斜度较大时应谨慎使用双丝，以免造成牙周损伤及牙根吸收。而对于轻度轴倾歪斜者，在传统Damon单丝系统中，实验常通过增加弓丝尺寸或在弓丝上弯制相应的曲来进行调整，但常会遇到力值过大、托槽滑盖不易关闭及调整精确度欠佳的问题。而DamonQ双丝系统在配以不同尺寸的辅弓丝时，拐点出现的角度更加细化，当使用0.016英寸的镍钛辅弓丝时拐点出现的角度甚至可提前至0.5°，几乎可以忽略余隙的影响，但同时其产生的倾斜力矩值也较大，故对于牙根细小的下前牙也应慎用双丝。对于其他牙位，在轻度倾斜(<5°)时，选用0.014英寸，0.016英寸的镍钛辅弓丝与主弓丝搭配使用能更有效的消除余隙的影响，以利于弓丝力值的充分表达。另一方面，由于不同尺寸的辅弓丝倾斜力值差距较大，0.01，0.014，0.012英寸辅弓单丝的力值甚至约为同尺寸主弓丝的8.36，4.39，4.66倍，故仅考虑增大辅弓丝的尺寸进行正轴可能会导致力量过大，对牙周造成不利影响，此时选择搭配不同尺寸的主弓丝，反而可将倾斜力矩值细化，便于临床选择。如此根据临床所需倾斜度数选择相应尺寸的辅弓丝，同时根据所需力值大小配以相应尺寸的主弓丝，有利于达到轻力且有效的矫治效果。

但实验还存在一定的局限性，实验仅设计了在排齐过程中正轴所使用的双丝搭配，对尖牙远移过程中防倾斜等复杂牙移动时所需的双丝组合，还需后期作进一步的探索。另外，实验模型均未包含牙周组织，故实验结果数据只能作为定性分析的参考，后期实验还需进一步改进。

综上，DamonQ托槽在双丝协同作用下的倾斜控制效率较单丝更高，力值更大，受辅弓丝尺寸影响较主弓丝大。当临床上前牙区牙齿倾斜度较大时，可用主弓单丝先行简单排齐，待倾斜角度减小后加入双丝进行精确调整，而实际应用中则需要正畸医生根据临床实际情况，选择更适宜的弓丝搭配。

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