HL-3型颊侧多曲簧模拟口腔开闭口运动的抗疲劳断裂实验

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2013.38.007

中国组织工程研究

• 组织工程口腔材料 tissue-engineered oral materials • 上一篇下一篇

HL-3型颊侧多曲簧模拟口腔开闭口运动的抗疲劳断裂实验

潘宇¹，侯录¹，徐实谦²

1哈尔滨医科大学附属第二医院口腔正畸科，黑龙江省哈尔滨市 150086；2哈尔滨工业大学材料科学与工程学院，黑龙江省哈尔滨市 150001

收稿日期:2013-01-06 修回日期:2013-01-31 出版日期:2013-09-17 发布日期:2013-09-17
通讯作者: 侯录，主任医师，教授，哈尔滨医科大学附属第二临床医院口腔正畸科，黑龙江省哈尔滨市 150086
作者简介:潘宇★，女，1987年生，吉林省梅河口市人，汉族，哈尔滨医科大学附属第二临床医院在读硕士，主要从事HL-3型颊侧多曲簧的疲劳断裂研究。 yuhuashi_pan@126.com

Fatigue rupture study of HL-3 Buccal Multiloops for simulation of oral movements

Pan Yu1, Hou Lu1, Xu Shi-qian2

1Department of Orthodontics, the 2nd Affiliated Hospital of Harbin Medical University, Harbin 150086, Heilongjiang Province, China; 2School of Materials Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, Heilongjiang Province, China

Received:2013-01-06 Revised:2013-01-31 Online:2013-09-17 Published:2013-09-17
Contact: Hou Lu, Chief physician, Professor, Department of Orthodontics, the 2nd Affiliated Hospital of Harbin Medical University, Harbin 150086, Heilongjiang Province, China
About author:Pan Yu★, Studying for master’s degree, Department of Orthodontics, the 2nd Affiliated Hospital of Harbin Medical University, Harbin 150086, Heilongjiang Province, China yuhuashi_pan@126.com

摘要/Abstract

摘要：

背景：针对临床颊侧多曲簧活动矫治器中HL-1及HL-2型颊侧多曲簧易断裂的问题，研制了HL-3型颊侧多曲簧。
目的：通过颊侧多曲簧仿真模拟试验仪模拟口腔开闭口运动，比较在相同条件下HL-2及HL-3型颊侧多曲簧的抗疲劳断裂强度。
方法：将HL-2及HL-3型颊侧多曲簧固定在颊侧多曲簧仿真模拟试验仪上，位置模拟口腔内相应位置，两侧大小、高度、方向完全对称，开动仪器开始模拟口腔开闭口运动直至任意一侧颊侧多曲簧出现断裂并计录此时开闭口循环次数；通过扫描电镜观察断裂颊侧多曲簧的断口形貌特征。
结果与结论： HL-3型颊侧多曲簧的开闭口循环次数明显多于HL-2型颊侧多曲簧(P < 0.01)，说明HL-3型颊侧多曲簧与HL-2型颊侧多曲簧相比具有更强的抗疲劳断裂强度；扫描电镜观察结果示，HL-2型颊侧多曲簧和HL-3型颊侧多曲簧断口均有明显的疲劳断裂特征，证明HL-2型颊侧多曲簧与HL-3型颊侧多曲簧的断裂均属于疲劳断裂；但在HL-3型颊侧多曲簧疲劳断口上可观察到较HL-2型大的裂纹区，并在断裂纹中可见磨合区，表明HL-3型颊侧多曲簧相对减少了多曲簧出现疲劳断裂的概率，延长了疲劳断裂时间。

关键词: 生物材料, 组织工程口腔材料, 颊侧多曲簧, 开闭口循环次数, HL-2型, HL-3型, 疲劳断裂, 矫治器

Abstract:

BACKGROUND: Concerning the problem of the ruptured phenomenon in clinic work of HL-1 and HL-2 Buccal Multiloops removable appliance, we invented HL-3 Buccal Multiloops.
OBJECTIVE: Through the Buccal Multiloops Fatigue Testing Machine which can imitate oral movements, to compare the fatigue strength of the HL-2 and HL-3 Buccal Multiloops in the same condition.
METHODS: A pair of the HL-2 or HL-3 Buccal Multiloops with the completely symmetrical size, symmetrical height and symmetrical direction was fixed on the Buccal Multiloops Fatigue Testing Machine which could simulate oral movements, then keep the Buccal Multiloops Fatigue Testing Machine working untill any Buccal Multiloops broke. The cyclic loading times of this pair Buccal Multiloops was recorded. Scanning electron microscope was used to observe the appearance of broken end of the Buccal Multiloops.
RESULTS AND CONCLUSION: The cyclic loading times of HL-3 Buccal Multiloops were more than HL-2 Buccal Multiloops (P < 0.01), suggesting that HL-3 Buccal Multiloops has stronger fatigue strength than HL-2 Buccal Multiloops. Scanning electron microscope observation showed that the fractures of HL-2 and HL-3 Buccal Multiloops all had the typical fatigue fracture morphology, indicating that the rupture of HL-2 and HL-3 Buccal Multiloops belongs to fatigue fracture. However, HL-3 Buccal Multiloops exhibited bigger crack compared with HL-2 Buccal Multiloops, the presence of running-in region, suggesting that HL-3 Buccal Multiloops reduced the
probability of fatigue fracture and prolonged the time of fatigue fracture.

Key words: biocompatible materials, orthodontic appliances, activator appliances, jaw abnormalities

中图分类号:

R318

潘宇，侯录，徐实谦. HL-3型颊侧多曲簧模拟口腔开闭口运动的抗疲劳断裂实验[J]. 中国组织工程研究, doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.38.007.

Pan Yu1, Hou Lu1, Xu Shi-qian2. Fatigue rupture study of HL-3 Buccal Multiloops for simulation of oral movements[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2013.38.007.

图/表（结果） 3

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引言

颊侧多曲簧活动矫治器是由侯录教授发明的一种新型的有效治疗乳、替牙期安Ⅱ、安Ⅲ类型错牙合及偏牙合畸形的活动矫治器^[1-5]，并于2006年获得国家专利(专利号：200610150975.8)^[6-7]，已在临床上取得明显的疗效，其矫治原理是利用颊侧多曲簧将上下颌托连接成为一个整体，以颊侧多曲簧的机械力量形成近远中方向的颌间交互支抗作用力，对于上下颌整体同时作用。因其固位作用佳，使其产生的矫治力可均匀分布于上下齿槽骨，而非单独的某一牙齿，且可根据不同需要增加如螺旋扩大器^[8]、前方牵引钩^[9]、双曲舌簧^[10-11]、舌刺等辅助装置。

有学者先后对其力值大小^[12-13]、对颞下颌关节的影响及颊侧多曲簧的三维有限元等均进行了研究分析^[14-16]。从2006年至今，陆续有HL-1型、HL-2型、HL-3型颊侧多曲簧被研发，然而在临床工作中因不锈钢曲簧丝的材质特性^[17]，在患儿佩戴过程中颊侧多曲簧在口内开闭口循环应力作用下^[18-19]，会不可避免地出现疲劳断裂现象^[20-21]，成为了颊侧多曲簧矫治器一直未被解决的关键性问题。

HL-1型颊侧多曲簧矫治器因制作时将颊侧多曲簧用树脂埋入上下颌托内，所以当出现疲劳断裂后需重新制取工作模型上颌架制作矫治器，过程繁琐，延误了患者的治疗疗程，增加了医生的工作时间和矫治成本，因而HL-1型颊侧多曲簧在临床中已逐渐被淘汰。HL-2型颊侧多曲簧在设计上是将颊侧多曲簧两端直接插入颌托的腭管内，可自如安放，当出现疲劳断裂时只需重新置换一颊侧多曲簧即可，明显节省了操作时间，不影响治疗疗程，但是其疲劳断裂的频率并没有变化^[22]。而HL-3型颊侧多曲簧在HL-2型的基础上增加了4个水平曲，在增加了不锈钢丝总长度的情况下是否会延长疲劳断裂的时间，减少疲劳断裂的频率？实验即针对HL-2型及HL-3型颊侧多曲簧疲劳断裂进行研究，从而为临床作参考。

材料方法

设计：对比观察实验。

时间及地点：于2012年2至7月在哈尔滨医科大学附属第二医院口腔正畸科实验室完成。

材料：多曲簧，包括国产直径0.7 mm不锈钢圆丝、腭管。颌托包括自凝牙托粉和液。

颊侧多曲簧仿真模拟疲劳试验仪，见图1。

颊侧多曲簧仿真模拟疲劳试验仪的组成：包括颞下颌关节、水平轴、模拟下颌、上颌、驱动凸轮、电动机、电源控制器、颊侧多曲簧等，电机驱动凸轮每分钟循环115次。颊侧多曲簧仿真模拟疲劳试验仪的工作程序：

材料纳入标准：①由同一人在同一条件下弯制多曲簧HL-2型及HL-3型各25个，规格：28 mm×18 mm。②多曲簧各曲均处同一平面，无旋转、翘起。

实验方法：用梯形钳在相同条件下弯制符合标准且规格完全相同的HL-2型及HL-3型多曲簧各25对，将其分为HL-2型组及HL-3型组，见图2，3。

将腭管用自凝树脂固定于颊侧多曲簧仿真模拟疲劳试验仪上，上下颌标志点位置模拟患儿口腔的相应位置，见图4颊侧多曲簧矫治器正面观，上下距离完全相等、左右两侧完全对称。

将多曲簧两端插入腭管内，多曲簧于腭管内应无动度，开动颊侧多曲簧仿真模拟疲劳试验仪开关开始实验。记录多曲簧至少一侧断裂时的时间，取下双侧多曲簧并换上下一对多曲簧重复上述实验步骤直至至少有一侧多曲簧断裂，并分别计算其断裂时的开闭口循环次数。将断裂多曲簧的断口取样进行扫描电镜观察疲劳断口形貌及特征。

主要观察指标：HL-2及HL-3型颊侧多曲簧出现断裂时的开闭口循环次数与断口形貌特征。

统计学分析：统计学处理为第一作者，应用SPSS 17.0软件处理，资料用x(_)±s表示，组间比较采用t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

讨论

由哈尔滨医科大学附属第二医院口腔正畸科侯录教授研制的颊侧多曲簧活动矫治器，近年来被广泛应用于临床并取得了很好的矫治疗效，其由最初只针对于安氏Ⅲ类进行矫治发展成为对安氏Ⅲ类^[28](或伴有偏颌)、安氏Ⅱ类^[29-30](下颌后缩^[31])及开合均有良好治疗效果的功能性矫治器^[32-33]，其矫治原理是利用医用不锈钢丝(直径0.7 mm或0.8 mm)弯制的颊侧多曲簧固定在上下颌托上使之连接为一整体，并且会产生较其他矫治器更柔和的矫治力量，此矫治力量通过颌托作用于上下颌骨及牙列，达到促进或抑制颌骨的生长来调节上下颌骨使之协调，从而达到矫正的目的。由于上下颌托连接为一整体，所以明显增加了矫治器的固位效果，解决了以往活动性矫治器对于乳、替牙期患儿固位不好的问题，使患儿的矫治年龄提前(目前最小的3周岁)，不但有效解决了患儿发育问题，改善了患儿咬合功能及面型，还显著增强了患儿在发育过程中的自信心，使拥有这部分畸形的患儿能健康快乐的成长。而对于替牙期及恒牙初期的患儿颊侧多曲簧可联合前方牵引器和螺旋扩大器使用^[34]，可更有效解决安氏Ⅲ类或伴有牙弓狭窄的病例^[35-36]。

HL-1型颊侧多曲簧矫治器：HL-1型矫治器的多曲簧是直接用自凝树脂埋在颌托内，在临床应用中发生多曲簧出现断裂的现象，需为患者更换多曲簧，必须重新制取工作模型并上颌架，整个更换过程较繁琐，大约需1周的时间，增加了患者的就诊次数及疗程。

HL-2型颊侧多曲簧矫治器：针对HL-1型颊侧多曲簧矫治器出现的问题，研发了HL-2型颊侧多曲簧，此种矫治器是在上下颌托的颊侧粘接腭管(具体位置根据临床情况定)，将多曲簧和上下颌托用结扎丝或皮圈借助于腭管连接，多曲簧形状的弯制方法没有改变，有效缩短了多曲簧出现断裂患者每次复诊的椅旁时间(更换多曲簧约 10 min)，避免了每次断裂后还需取模型、颌记录、重新制作颌托、抛光等一系列步骤，也节省了医生的工作时间，但是患者戴用过程中断裂的频率依然没有得到有效控制。

HL-3型颊侧多曲簧矫治器：为了改善多曲簧疲劳断裂的问题，研制了HL-3型颊侧多曲簧矫治器，此种矫治器与HL-2型的区别在于在弯制多曲簧时在每一个弯角处都设计曲，这样不仅增加了不锈钢丝的长度也增强了多曲簧的柔韧性，减小了曲簧丝单位面积上所受的摩擦力及外加荷力，从而增加了患儿戴颊侧多曲簧矫治时间，减小了出现疲劳断裂的概率。

HL-2型与HL-3型多曲簧疲劳断裂的基本规律是相近的^[37]，疲劳断裂过程中疲劳源区是疲劳裂纹的萌生区^[38]，是由局部应力集中而引起的；通常由表面摩擦力和外加载荷力共同作用而产生，高应力区是最容易发生疲劳断裂的区域，当曲簧在受到反复循环的应力作用下产生疲劳裂纹^[39]，再经过反复闭合与张开，裂纹会缓慢的由钢丝外部向内部扩展，形成裂纹扩展区，其典型特征是贝纹线和疲劳辉纹。若疲劳裂纹继续扩展，当裂纹尺寸达到临界尺寸后，钢丝发生瞬时破断，形成疲劳断裂区^[40]。

由于矫治器的上下颌托是一整体，基于不锈钢丝的特性，患者日常开闭口运动过程中多曲簧肯定会产生疲劳断裂，为研究多曲簧(双侧)在开闭口运动中产生疲劳断裂的规律特征，自行研制了一台仿真模拟疲劳断裂测试仪，对比研究了HL-2型和HL-3型颊侧多曲簧的疲劳断裂特征，HL-3型颊侧多曲簧是在HL-2型多曲簧的基础上增加了4个曲，则增加了曲簧的长度和弹性，减小了钢丝单位面积上的外加载荷，有利于多曲簧承受更长时间的循环应力。从实验结果和电镜观察裂纹源形貌、有疲劳裂纹源裂纹的扩展及最后断裂的规律情况可以明显看出，HL-3型颊侧多曲簧疲劳断口裂纹扩展区明显出现磨合区，裂纹外区面受到破坏相对延迟裂纹的扩展，即相对增加了裂纹扩张区形成的时间，相对减小了裂纹扩展区的相对延展区。在HL-3型颊侧多曲簧疲劳断口上可观察到与HL-2型相比有较大的裂纹区，则延迟进入疲劳断裂区，自然增加了出现疲劳瞬断裂时间。故可得出结论：与HL-2型颊侧多曲簧相比，HL-3型颊侧多曲簧相对减少了多曲簧出现疲劳断裂的概率，缩短了患者的治疗周期，提高了矫治效果。

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HL-2型与HL-3型多曲簧疲劳断裂的基本规律是相近的，疲劳断裂过程中疲劳源区是疲劳裂纹的萌生区，是由局部应力集中而引起的。通常由表面摩擦力和外加载荷力共同作用而产生，高应力区是最容易发生疲劳断裂的区域，当曲簧在受到反复循环的应力作用下产生疲劳裂纹，再经过反复闭合与张开，裂纹会缓慢的由钢丝外部向内部扩展，形成裂纹扩展区，其典型特征是贝纹线和疲劳辉纹。若疲劳裂纹继续扩展，当裂纹尺寸达到临界尺寸后，钢丝发生瞬时破断，形成疲劳断裂区。由于矫治器的上下颌托是一整体，基于不锈钢丝的特性，患者日常开闭口运动过程中多曲簧肯定会产生疲劳断裂，为研究多曲簧（双侧）在开闭口运动中产生疲劳断裂的规律特征，自行研制了一台仿真模拟疲劳断裂测试仪，对比研究了HL-2型和HL-3型颊侧多曲簧的疲劳断裂特征，HL-3型颊侧多曲簧是在HL-2型多曲簧的基础上增加了4个曲，则增加了曲簧的长度和弹性，减小了钢丝单位面积上的外加载荷，有利于多曲簧承受更长时间的循环应力。从实验结果和电镜观察裂纹源形貌、有疲劳裂纹源裂纹的扩展及最后断裂的规律情况可以明显看出，HL-3型颊侧多曲簧疲劳断口裂纹扩展区明显出现磨合区，裂纹外区面受到破坏相对延迟裂纹的扩展，即相对增加了裂纹扩张区形成的时间，相对减小了裂纹扩展区的相对延展区。在HL-3型颊侧多曲簧疲劳断口上可观察到与HL-2型相比有较大的裂纹区，则延迟进入疲劳断裂区，自然增加了出现疲劳瞬断裂时间。故可得出结论：与HL-2型颊侧多曲簧相比，HL-3型颊侧多曲簧相对减少了多曲簧出现疲劳断裂的概率，缩短了患者的治疗周期，提高了矫治效果。

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