2.1  附件存在对矫治器矫正扭转尖牙的影响  对比结果模型和原始模型发现，两组模型矫治器均发生了不同程度的变形，且均相对尖牙牙冠呈远中扭转。图2为从附件与牙冠粘接面观察有附件组附件和矫治器接触的原始、结果模型图，发现结果状态时矫治器与附件近中垂直面紧密接触，与附件远中垂直面间分离并出现一定的间隙。从无附件组与放置于牙冠唇面正中位置的3 mm矩形附件组结果对比可见，两组在最终尖牙位移、牙周膜应力及牙周膜第一主应力上其分布趋势均一致，但附件组的最终尖牙位移值及各项牙周膜应力值均大于无附件组。

从图3可知，无附件组的高应力主要集中在尖牙颈部，其最大应力值为10.54 MPa；有附件组的高应力主要集中在矩形附件的粘接部位，其最大应力值为134.96 MPa，说明附件的存在传导了一定的矫治力。从图4可见各组模型最终尖牙的位移分布均呈现为—三维方向上位移值均以牙体长轴为中心向牙体表面逐渐增大，其中最大位移均集中在尖牙外形最高点(牙冠近中唇侧近牙颈部区)，最小位移发生在牙尖和根尖区，可见两者的旋转中心轴均为牙体长轴。有附件组尖牙最大位移值约为无附件组的8.42倍。如图5所示，两组牙周膜Von Mises应力总体均表现为应力值从牙颈部至根尖区逐渐减小，无附件组最大Von Mises应力为0.57 MPa，有附件组为2.99 MPa。图6为两者的牙周膜第一主应力分布图，可见有附件组的最大张应力值为    1.04 MPa，无附件组为0.44 MPa；此外，有附件组最大压应力值为1.26 MPa，无附件组为0.36 MPa。

2.2  不同厚度附件扭转力学性能的对比  为单纯比较不同厚度的附件对扭转控制的影响，实验模型附件的放置位置、垂直高度、水平宽度和放置方向均设为一致：放置于尖牙唇侧正中位的3 mm垂直附件，厚度分别为0.5，0.75，1.0，1.5 mm，见图7。

图8为不同厚度垂直矩形附件组牙周膜Von Mises应力分布云图，可以看出所有模型牙周膜的Von Mises应力分布规律相似，总体趋势均为从牙颈部至根尖逐渐减小，最大应力集中在近远中近牙颈部处，最小应力集中在根尖区，且与无附件组模型的分布趋势相同。但各组模型力值大小不同，牙周膜各部分Von Mises应力值均为1.5 mm组>1.0 mm组>0.75 mm组>0.5 mm组，其最大Von Mises应力值分别为3.41，2.99，2.64，2.19 MPa，可见随附件厚度的增加牙周膜Von Mises应力增大。图9为不同厚度矩形附件组牙周膜最大张、压应力值对比图。

2.3  不同放置位置附件扭转力学性能的对比  各模型尖牙发生的最终位移分布趋势、旋转中心轴、最大最小位移分布区域等与无附件组大致相同：位移值以牙体长轴为中心向牙体表面逐渐增大，最终旋转中心轴均为牙体中心轴，最大位移集中在牙冠近中唇侧近牙颈部区，最小位移发生在牙尖和根尖区。

各模型牙周膜最终Von Mises应力分布规律相似，总体趋势均为从牙颈部至根尖逐渐减小，最大应力集中在近远中近牙颈部处，最小应力集中在根尖区。并且各模型牙周膜第一主应力分布趋势相似：张应力集中在牙根近中唇侧和远中舌侧，压应力主要集中在牙根远中唇侧和近中舌侧，最大压应力集中在牙根近中舌侧的颈1/3处，但各组的具体位移量及力值大小不同：从合、龈、正中方向看，3组模型随位置改变的变化规律一致：尖牙最大位移值、牙周膜各部分Von Mises应力值和牙周膜第一主应力均为正中与龈方差别不大，但两者明显均大于合方，龈方、正中、合方3组最大Von Mises应力值分别为2.99，2.87，1.94 MPa，见图10，11；从近中、远中向看，3组位移值变化无规律。图12为垂直矩形附件不同放置位置各组牙周膜最大张、压应力值对比。

随着社会的发展进步，人们对矫治的美观要求也逐渐提高，促进了正畸的迅速发展——无托槽隐形矫治技术应运而生^[1-2]。尽管目前无托槽隐形矫治技术已大量应用于临床，但仍有几个难题尚未得到解决，首当其冲的就是牙齿移动效率问题，尤其是在柱状牙(如尖牙和前磨牙)扭转方面，许多医师后期均需多次重启或联合局部固定矫治来解决^[3]。但由于患者常对无托槽隐形矫治技术报以较高的期望，频繁的脱套、重启及联合使用固定矫治等均会降低患者对医师和无托槽隐形矫治技术的信任度，故治疗前对目标牙位移动难易的准确评估、矫治方案的准确设计及加强扭转牙尤其是柱状牙的矫治效率均十分重要。为提高扭转牙的矫治效率，目前主要通过联合使用邻面去釉、增加附件及过矫治^[4]，但临床上附件的选择及放置等往往依靠医师经验和习惯，其产生的效果是否不同目前暂无相关报道。此外，也有研究认为附件的使用对增强扭转牙矫治的作用不大^[5]。尖牙在口颌系统中起着重要作用——尖牙保护等，与咬合关系、颞下颌关节等口颌系统的健康有着密切关系。尖牙扭转矫正是建立正常尖牙保护的基础，故探讨如何高效地应用无托槽隐形矫治技术矫正扭转的尖牙具有一定的临床意义。数字化模型的建立和设计本身也是无托槽隐形矫治技术的重要组成部分，国内外均有研究显示数字化模型的可靠性^[6-7]。因此，实验通过有限元分析法探索附件不同位置、厚度等方面对矫治效果的影响及规律，为附件临床应用提供一定的理论基础。

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

1.1  设计  计算机模拟口腔生物力学实验。

1.2  时间及地点  实验于2018年8月至2019年3月在西南医科大学附属口腔医院生物力学实验室完成。

1.3  材料  从西南医科大学附属口腔医院正畸科的隐形扫描数据库中挑选出标准左上颌尖牙，取得患者同意后，通过3D技术打印并扫描。

1.4  实验方法

1.4.1  三维有限元模型的建立  实验分为无附件组和有附件组，实验附件均使用3 mm垂直矩形附件，按厚度不同分为4组：0.5，0.75，1.0，1.5 mm(附件的放置位置、垂直高度、水平宽度和放置方向均设为一致)，按附件放置位置分为近中、远中、龈方、合方和正中(附件的厚度、垂直高度、水平宽度和放置方向均设为一致)5组。

将扫描得出的DICOM文件导入软件Mimics17.0和Geomagic Studio 2015中，进行三维重建生成初步三维模型并进行模型的修复和简化^[8]。在CATIA V5R20软件中导入尖牙模型，建立以牙体重心为坐标原点的坐标系，根尖方向为X轴、近中为Y轴、舌侧为Z轴。将牙冠唇面分为近中、远中、合方、正中、龈方5个区域，分别在各个方向上向外增厚所需厚度，以模拟不同放置位置和厚度的矩形附件。将左上尖牙与附件视为一个整体，分别通过在牙冠、牙根表面的法线方向增厚0.75，0.25 mm，通过布尔运算获得透明牙套和牙周膜的模型。并在CATIAV5R20软件中建立20 mm×20 mm×20 mm的上颌骨块模型(其表面为皮质骨，厚度为2 mm，内为松质骨)。将隐形矫治器-附件-尖牙-牙周膜-牙槽骨模型按实验分组进行装配，并导入Hypermesh软件中进行网格划分。最后导入MSC.Marc. Mentat2016软件中，如表1所示，对各种材料进行参数设定。图1为建立的有限元模型。

1.4.2  接触关系及边界限定  将矫治器内表面与附件附件外表面设定为接触关系，摩擦系数为0，其余两者之间均设定为粘结关系，并将牙槽骨进行三维方向的限定。

1.4.3  力学加载及运算  将各组的矫治器以尖牙牙体长轴(X轴)为旋转中心轴，将矫治器远中扭转2°^[12]，当矫治器扭转完成后，矫治器与尖牙之间会存在一定的相对扭转，即与临床上近中扭转尖牙初戴矫治器时的状态相似。收集各应力、位移分布云图及最大应力、位移值。

1.5  主要观察指标  各组模型随附件的改变而发生的应力、位移变化情况。

3.1  附件存在对矫治器扭转力学性能的影响  无托槽隐形矫治发展至今，临床上应用无托槽隐形矫治器进行正畸治疗时几乎离不开附件的辅助。而附件的使用和设计需要正畸医生的关注^[13-14]，因为附件的尺寸及个数与矫治器的固位、局部支抗及矫正效率密切相关；但是如果附件设计过多、尺寸过大又会影响矫治器的取戴、增加附件的脱落率及导致矫治器变形。附件的形状多样，但最常用的的几何类型分为3种：矩形、椭圆形、斜坡形，其中矩形和椭圆形附件可以在方案设计时由医师自行调整尺寸、放置方向及位置等，其中以矩形附件最为常用。对于不同矫治需求，不同医师对附件类型的选择不完全相同。实验在无附件和有附件模型的最终状态图中发现，两组模型矫治器均发生了不同程度的变形，且均相对尖牙牙冠呈远中扭转，但矫治器与牙冠间发生的相对位移无附件组相对有附件组更大。故在无附件辅助的情况下，矫治器在纠正扭转过程中更易在牙冠表面滑动，在近远中方向出现一定程度的“脱套”现象，这与临床相符，而附件则在一定程度上增加了矫治器的固位。TUNCAY^[15]的研究结果也认为附件的存在增加了牙冠表面的几何面积及水平方向的倒凹，有利于扭转的表达。

此次实验结与RUDOLPH等^[16]的研究结果相同：无附件组中尖牙的受力中高应力主要集中在牙颈部，并向根尖区逐渐减小；而有附件组较无附件组力值均较大，此外其最高应力存在于附件的粘接处，其中3 mm垂直矩形附件粘接处尖牙应力值高达134.96 MPa，远大于无附件组尖牙所受最大应力10.54 MPa。说明相对于无附件组，有附件组除了近远中区存在矫治力的传递，附件也传递了部分，故尖牙的位移更大，牙根所受阻力也相应增加，表现为应力值的增大。

实验发现有附件组与无附件组尖牙均发生了顺时针的扭转，位移量均表现为从牙体长轴向牙体表面逐渐增大，且最大位移处即为牙冠外形高点。说明在矫治器初戴的瞬间，尖牙的位移方向与隐形矫治器一致—向远中扭转，其中旋转中心轴为牙体长轴。CAI等^[17]在研究矫治器就位后纠正尖牙扭转过程中尖牙的位移情况时，也发现在初始状态时尖牙的旋转中心轴与牙体长轴一致。其中有附件组矫治器与牙冠相对位移量较无附件组小，“脱套”趋势也就相对较小。

两组模型的牙周膜VonMises应力分布趋势相同，与唐娜等^[18]对使用隐形矫治纠正扭转切牙时的研究结果一致，应力值从牙颈部向根尖区逐渐减小。高应力集中在牙颈部1/3原因可能有两点：皮质骨的约束；上颌尖牙牙根近似圆锥状，其横截面面积从牙颈部至根尖逐渐减小，当旋转中心位于横截面中心时，旋转同样的角度，牙颈部表面发生的位移相对较大，对牙周膜的牵拉更加明显。CAI等^[17]的研究表明在未使用附件时，隐形矫治器初戴时扭转尖牙牙周膜的最大应力值为0.55 MPa，与此次实验0.57 MPa一致；而有附件组的最大值为2.99 MPa，说明附件传递了部分矫治力，故有附件组中尖牙位移量相对较大，其对牙周膜的牵拉作用更大，牙周膜应力值也较无附件组更大。

综上所诉，附件的使用增强了矫治器矫治力的传导，从而有助于矫治器扭转力的表达，但其不会改变尖牙的位移方式。

3.2  附件厚度及放置位置对矫治器矫正扭转的影响  临床上在进行方案设计时附件的厚度可调整为0.5-1.0 mm^[19]，大多医师仅会在附件影响咬合但又不能更改附件位置时，将其厚度调小以避开咬合，其余时候多直接使用默认值1 mm。而TUNCAY^[15]则认为附件在用于加强固位时其厚度不宜超过0.75 mm。但临床上有时为了增加矫治器与附件的密合度通常会选用更大尺寸的厚度，这样可能会导致矫治器的取戴困难，甚至会影响咬合尤其尖牙所组成的尖牙保护，尖牙保护的破坏甚至会影响颞下颌关节的健康及整个口颌系统的平衡。但是当附件厚度过小也会导致矫治器与牙齿的不贴合，从而产生不需要的力学系统及牙齿移动。而附件厚度是否会影响、如何影响牙齿的移动，尤其是在控扭转时，目前这方面的相关研究较少。实验将最常用的3 mm矩形附件设置为4种不同厚度(0.5，0.75，1.0，1.5 mm)，均垂直放置于尖牙牙冠唇面正中位置，矫治器的旋转位移均设为2°，从而对比不同厚度附件对矫治器扭转力学性能的影响。实验结果发现，附件厚度改变对初戴矫治器瞬间尖牙发生的移动方式没有影响，4组模型尖牙牙体各部分位移分布及牙周膜应力分布趋势均相似，但具体数值不同。随着附件厚度的增加，尖牙发生的强迫位移增加，牙周膜应力值也增加。这可能是由于初戴矫治器时，矫治器相对牙冠向远中舌向扭转，此时矫治器与附件接触最紧密处为附件近中垂直面与附件唇面交界的棱，并以其为顶点矫治器内表面与附件近中垂直面呈一定的角度，当附件厚度增加时该角度减小，矫治器“脱套”趋势减小。故附件厚度的增加有利于矫治器对扭转尖牙的完全包裹，其固位效果更好，有利于矫治器扭转力的表达，增强其对扭转尖牙的控制。

应用传统固定矫治纠正牙扭转时托槽的粘接位置往往有所考究，通常会选择相对正常位置稍靠近牙扭转方向的位置，以增加弓丝的变形、增加扭转力矩值，从而增强扭转效率^[20]。但是在无托槽矫治技术中附件的位置一般在开始设计时就已经确定，而后期很少就行相应的调整。在临床上很多医生也会根据牙齿扭转的情况将附件粘在靠近中或远中等位置，而不仅仅位于颊面正中。而附件放置位置的不同是否会引起扭转矫治效果的不同值得进行相关力学研究。实验设计了5种放置位置—合方、正中、龈方、近中、远中，分别探讨合、龈向位置改变和近、远中向位置改变所引起的扭转效率变化。

实验结果显示在合、龈方向上，尖牙强迫扭转位移值、牙周膜各种应力值等变化规律均为正中与龈方差别不大，但两者均明显大于合方，这可能是因为上颌尖牙牙冠唇面的外形高点位于中1/3和颈1/3交界的唇轴嵴处，据附件放置的正中位和龈方位置较近，而越靠近牙冠外形高点牙冠表面至旋转中心轴(即牙体长轴)的距离越大，旋转同样角度时位移更大，牙周膜所受应力更明显；而当附件放置位置靠龈方时，矫治器游离端的包裹性较差，矫治力的传导可能受限，故放置在正中位可能更有利于矫治器的完全包裹，后期尖牙扭转的发生也更容易实现。在近中、远中方向上，尖牙发生的位移值、牙周膜各种应力值等变化不规律，这可能与尖牙唇面近远中向曲面形状变化不规则有关。

临床对于扭转力值要求不是很高时，可使用3 mm垂直高度0.75 mm厚度的垂直矩形附件并置于尖牙牙冠唇面正中位置，而对扭转力值的需求较大可通过调整垂直矩形附件的厚度及放置位置来满足。若所需扭转力值较大，在附件厚度方面可适当的增加附件厚度，但当厚度增加过大时，附件在合、龈方向的固位力也相应增大，不利于患者取戴，故在整个牙列已存在较多附件的情况下，建议不要过大增加附件厚度。在放置位置方面，可将附件在合、龈方向尽量靠近外形高点处，但对于口腔卫生较差、临床牙冠较短的患者，可能容易导致菌斑的滞留，此时可考虑将附件粘至正中位。在近中、远中向即选择方便粘接并能实现矫治器最大包裹的部位。但矫治力并非越大越好，过大的矫治力对牙周的损害较大，且由于个体差异及骨密度的不同，每个患者的最适矫治力大小也不同。唐娜等^[18]在对比隐形矫治与传统矫治时发现，前者在最初施加的(即初戴矫治器的瞬间)矫治力大小远大于后者，故在调整矩形附件大小、厚度及放置位置时还需结合患者自身情况考虑，以免出现矫治力过大导致的牙周损伤。

由于牙周韧带复杂的解剖结构及特性，目前的体外实验均无法测量在受到一定应力应变下的牙周膜受力情况。与GOMEZ等^[14]研究一样采用有限元方法建立单颗上颌尖牙模型，探讨隐形矫治初始状态时尖牙整体移动的受力情况，此次实验采用的“one tooth”有限元模型允许对隐形矫治器在尖牙扭转上的力学系统进行初步探索。故实验结果仅能作为定性分析，探索无托槽隐形矫治器扭转力学性能特点及随附件因素改变的变化规律。通过目前的“one tooth”有限元模型获得的经验表明，完整的牙弓模型将能探索在多颗牙同时运动时产生的复杂力学作用，从而更好地了解隐形矫正扭转尖牙时的力学机制及相关口颌系统改变。

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文题释义：

附件：在无托槽隐形矫治中为了提高隐形矫治器的固位、更好地控制牙齿三维方向上的移动及支抗设计等，常需要在牙齿上设计及粘接相应的附件，但附件的放置及选择常常仅依靠医生的个人经验及习惯，附件变化对牙齿三维移动的生物力学影响尚有待进一步的研究及证实。

扭转力学：即正畸中的旋转移动，指在正畸治疗过程中牙体围绕其牙体长轴的转动。实验通过将各组矫治器以尖牙牙体长轴为旋转轴，将矫治器远中扭转2°以模拟矫治中的尖牙远中扭转，探讨附件的变化对扭转力学的影响。

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尽管目前无托槽隐形矫治技术已大量应用于临床，但仍有几个难题尚未得到解决，首当其冲的就是牙齿移动效率问题，尤其是在柱状牙(如尖牙和前磨牙)扭转方面。但由于患者常对无托槽隐形矫治技术报以较高的期望，频繁的脱套、重启及联合使用固定矫治等均会降低患者对医师和无托槽隐形矫治技术的信任度，故治疗前对目标牙位移动难易的准确评估、矫治方案的准确设计及加强扭转牙尤其是柱状牙的矫治效率均十分重要。尖牙扭转的矫正是建立正常的尖牙保护的基础，故探讨如何高效地应用无托槽隐形矫治技术矫正扭转的尖牙具有一定的临床意义。实验通过有限元分析法探索不同附件位置、厚度等方面对矫治效果的影响及规律，为附件的临床应用提供一定的理论基础。

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