三種無托槽隱形矯治器的牙科膜片力學性能對比研究

葉祥海 宋雷 宣夢潔 寧楠 王春蝶 王啟超

錯頜畸形是一種常見的口腔疾病，隨著經(jīng)濟發(fā)展和家長重視，越來越多的錯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測性的特點，無托槽隱形矯治器得到了廣泛應用［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）材料和多層復合材料［6-8］，然而，大多研究單獨某種牙科膜片的生物相容性、臨床和材料學等性能不同［9-11］，尚無文獻系統(tǒng)比較分析這三種主流牙科膜片材料的力學性能。為研究三種牙科膜片材料的力學性能差異，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，本文進行了拉伸試驗和應力松弛試驗。

1 材料與方法

1.1 實驗材料 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。拉伸試驗和應力松弛試驗試樣尺寸均選用GB/T 1040.3-2006中5型試樣尺寸［12］，每種材料試樣個數(shù)為5個。

1.2 實驗方法 拉伸試驗和應力松弛試驗設(shè)備均采用萬能材料試驗機（5565，INSTRON，美國），其中拉伸試驗過程為：將膜片樣品以5 mm/min的速度拉伸至斷裂，用設(shè)備軟件記錄應力應變曲線；應力松弛試驗過程為：將膜片樣品以5 mm/min的速度拉伸至5%應變后保持3 h［13］，監(jiān)測應力松弛情況。分別對拉伸試驗獲得的實驗曲線的力學數(shù)據(jù)（彈性模量，拉伸屈服強度，拉伸屈服延伸率）和應力松弛試驗獲得的實驗曲線的力學數(shù)據(jù)（最大應力，松弛率）進行比較分析，每種材料試樣的力學數(shù)據(jù)平均值作為該種材料的力學數(shù)據(jù)。

1.3 統(tǒng)計學方法 采用SPSS 11.5 統(tǒng)計軟件。計量資料符合正態(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數(shù)據(jù)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

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)計學意義（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多層復合牙科膜片 990.4±17.6

2.2 拉伸屈服強度 TPU牙科膜片的拉伸屈服強度最大，PETG牙科膜片次之，多層復合牙科膜片最小。三種牙科膜片的拉伸屈服強度的差異具有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。見表2。

表2 三種牙科膜片材料的拉伸屈服強度［MPa，（±s）］

表2 三種牙科膜片材料的拉伸屈服強度［MPa，（±s）］

組別 拉伸屈服強度PETG 44.2±1.1 TPU 67.0±1.5多層復合牙科膜片 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)計學意義（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多層復合牙科膜片 5.5±0.2

2.4 應力松弛性能 在應力松弛實驗中，三種牙科膜片材料均呈現(xiàn)出不同程度的應力松弛現(xiàn)象，應力松弛曲線，見圖1。三種牙科膜片的應力松弛性能，其中松弛率為松弛量與最大應力的比值［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)計學意義（P＜0.05）。見表4。

表4 三種牙科膜片材料的應力松弛性能（±s）

表4 三種牙科膜片材料的應力松弛性能（±s）

組別 最大應力（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力松弛曲線

3 討論

3.1 牙科膜片關(guān)鍵力學性能指標牙科膜片關(guān)鍵力學指標包括應力松弛率，彈性模量，拉伸強度和延伸率［15］。牙科膜片力學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力松弛性能區(qū)別和多層復合牙科膜片的力學性能鮮有報道。本文選取應力松弛率，彈性模量，拉伸屈服強度和拉伸屈服延伸率四項關(guān)鍵力學指標，對市面三種主流牙科膜片（PETG、TPU、多層復合材料）力學性能進行研究。

3.2 三種主流牙科膜片力學性能的對比 彈性模量是指材料彈性變形過程中應力應變曲線的斜率，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。本文實驗結(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，尚需進一步改善；多層復合牙科膜片具有優(yōu)秀的彈性模量性能，能同時滿足矯治器力學性能和佩戴舒適度要求。

屈服強度是材料在拉伸屈服點處的應力，屈服延伸率則為屈服點處的應變，屈服強度為彈性模量和屈服延伸率的乘積。由于材料到達屈服點之前的變形為彈性變形，當外力消失后這種變形能恢復原狀，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。本文實驗表明PETG牙科膜片回彈性最小，而TPU牙科膜片和多層復合牙科膜片回彈性較PETG牙科膜片具有顯著改善，本文實驗結(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力松弛性能。本文應力松弛結(jié)果表明，在應力松弛實驗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合牙科膜片，這解釋了臨床上TPU和PETG矯治器剛佩戴時矯治器施力較大，患者容易出現(xiàn)疼痛的現(xiàn)象；同時結(jié)果顯示PETG牙科膜片松弛率最大，TPU牙科膜片次之，多層復合牙科膜片最小。綜合剛佩戴時矯治器施力和后期應力松弛兩個因素，多層復合牙科膜片佩戴舒適度高，同時可提供長時間有效矯治力，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)，因此應力松弛曲線比較光滑。

綜上所述，TPU牙科膜片的拉伸屈服強度和拉伸屈服延伸率性能在三種牙科膜片中表現(xiàn)最好，而彈性模量和應力松弛性能則多層復合牙科膜片表現(xiàn)最好，綜合力學性能而言，多層復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)實際情況選擇不同材料的牙科膜片，如牙齒控根移動需要較大的矯治力，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，會造成佩戴不方便，此時適合選擇佩戴舒適度高的多層復合牙科膜片。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性能特點。