镍钛拉簧和弹力链力值衰减的体外实验研究

金 福 李志华

在牙科治疗中，对于牙列拥挤不齐等问题，一般需要采用正畸治疗，即利用专业的口腔矫正器械，通过科学使用力，使牙齿逐渐移动到目标位置。在这个过程中，需要做好力的控制，力度过小无法达到预期效果，力度过大则可能导致牙根吸收等问题的出现给患者带来损伤。在临床实践中，弹簧与弹力链表现出了较好的弹性及稳定性，不过也存在着负载后力值衰减问题[1]。有研究人员认为，镍钛拉簧较弹力链在临床应用中不仅具备超弹性，而且力值衰减较小，但是同样有学者支持，两者在拔牙间隙闭合过程中，发挥出的效果类似，并没有明显差异。

对于镍钛弹簧，国内国外都有一定的研究。有国外学者的研究指出，在使用过程中，镍钛拉簧存在着马氏体和奥氏体相变问题，其诱发因素可以是应力，也可以是温度变化；另有国外学者提出，由应力诱发的马氏体形变属于非线性超弹性，属于相变温度以上温度区间内，进行应力加载或者卸载的结果[2-3]，如果温度上升到相变温度，则应力会引发形变恢复，具体表现就是超弹性。另外，温度、pH值以及溶液介质等都会引发镍钛拉簧及弹力链的力值衰减。有学者在研究中发现潮湿环境下，弹力链的力值衰减速度更快，这一点在Ash等人的实验中得到了进一步证明：相比较蒸馏水，唾液环境更容易加速弹力链的应力松弛。

在国内，韩宗凯等[4-5]于室温环境下，将镍钛拉簧及弹力链进行拉伸，设定初始值150 g，研究镍钛拉簧及弹力链力值衰减情况，结果表明，当牙齿移动达到4周后，镍钛拉簧的力值为初始值的97.1%，弹力链的力值则仅为初始值的57.2%，表明镍钛拉簧具备超弹性。

通过相应试验，对口腔环境和牙齿移动条件进行模拟，结合镍钛拉簧和弹力链力值衰减体外试验，对其在应用环节的力值衰减进行分析，提升临床应用效果。

1 材料与方法

1.1 材料

选择3种A、B、C不同品牌的镍钛拉簧和D、E 2种品牌的弹力链，每一种拉簧和弹力链都包含两种规格,拉簧A是杭州新亚齿科材料有限公司，批号9101-209；拉簧B是有研医疗器械(北京)有限公司，批号1610130094；拉簧C托博正畸器械(无锡)有限公司，批号3115033。D弹力链厂家:Dentsply Raintree Essix Glenroe,紧密型批号301441，长距型批号是00085538；E弹力链厂家:3M Unitek Orthodontic Products,紧密型批号404-256，长距型批号406-612。

人工唾液(2.17%NaHPO4·7H2O+0.26%NAH2PO4·H2O+0.9%NaCl)，利用NaOH和HCl滴定，将pH值控制在6.75。

1.2 仪器设备

Instro 2343万能材料力学实验机，最小速度为0.1 mm/min，载荷传感器50 N；HWS-12电热恒温水浴锅，温度控制范围为25～99℃，波动范围±0.5℃；DW-40W100低温水箱，温度范围在-20℃～40℃；BS110S电子天平，计量精度可以达到0.1 mg；SF2000三按键电子数显卡尺以及镍钛拉簧和弹力链长度调节剂固定装置[6]。

1.3 实验方法

制作弹力链，将之与镍钛拉簧平铺在水平平滑玻璃板上，利用电子数显卡尺，对镍钛拉簧两侧锁眼内径及弹力链两侧弹力圈内径距离进行测量，为了保证测量结果准确性，选择20个样本，取测量平均值，设定为原始长度L0。在万能材料力学实验机夹具挂钩挂上一测头连接片，在连接片下端挂上镍钛拉簧，实验机读数调零[7]。在实验装置上安装镍钛拉簧，将铅垂线设置在力学实验机挂钩上，对调距螺丝进行调节，使得固定装置两侧的距离小于原始长度L0，铅垂线经过固定装置端孔径中心，使得其可以垂直设置在力学实验机上。对实验机进行调节，保证挂钩与装置下端固定杆位距离不超过L0和测头连接片的长度和。调节实验机位置，确保其读数为零[8]。

在实验中，需要关注2个关键性问题，一是口腔环境模拟，依照实验设计，可以在保持150 g和250 g拉伸状态的情况下，将镍钛拉簧与弹力链放入35.5℃恒温水浴箱，利用预先配置好的人工唾液浸泡，以3 d为间隔，对人工唾液进行更换；二是冷热循环，在5℃低温冰箱，于人工唾液中将实验装置浸泡30 s，然后放入55℃恒温水浴箱，同样在人工唾液中浸泡30 s，如此反复数次，1 min为1次循环，每次循环30 min，每天2次[9]。在冷热循环结束后，将实验装置放在35.5℃恒温水浴箱人工唾液中，每周对螺丝进行调节，将两端距离缩小0.35 mm。

在对个时间点剩余力进行测试时，测力时的状态见图1和图2。

4 h后，将力学实验机初始读数设置为零，确保镍钛拉簧下端金属杆与实验机挂钩间长度为D0，抽去存在于固定装置上端与测头连接片间的金属垫片，实验机读数就是4 h镍钛拉簧剩余力值。其他时间点的测力方法相同。

将各品牌镍钛拉簧和弹力链分组，使用重复测量资料方差分析不同品牌、不同时间对镍钛拉簧和弹力链力值衰减的影响差异，不同水平之间的差异显著性用SNK法分析，检验水准为0.05[10]。

1.4 观察指标

在150 g初始应力、250 g初始应力下，观察对比不同品牌镍钛拉簧与弹力链在不同时间点剩余力值的对比结果。

1.5 统计学方法

研究数据均采用SPSS 21.0统计学软件进行分析，采用重复测量资料的方差分析判断不同品牌、不同时间点产品剩余应力值得差异，若P<0.05，则表示差异有统计学意义。

2 结果

150 g初始应力下，不同品牌镍钛拉簧剩余力值存在显著差异，而与镍钛拉簧相比，弹力链的剩余力值同样差异显著(P<0.05)。镍钛拉簧在各个时间点的剩余力值更大，同时不同时间点的剩余力值存在统计学差异(P<0.05)，剩余力值会而且随着使用时间延长而持续下降。见表1～2。

品牌剩余力平均值即刻4 h12 h24 h品牌A150.00146.74133.51120.25品牌B150.00131.62119.38102.32品牌C150.00139.45124.33112.02品牌D150.00136.89127.20121.52品牌E150.00125.95119.12115.25

表2 150 g初应力下时间与品牌交互作用的方差分析结果

250 g初始应力下，不同品牌镍钛拉簧与弹力链之间存在显著性差异，与弹力链相比，镍钛拉簧在各个时间点的剩余力值更大，随着使用时间的延长，镍钛拉簧与弹力链剩余力值会持续下降，而不同品牌之间在相同时间点的剩余力值存在差异，在不同时间点的剩余力值存在统计学差异(P<0.05)。见表3～4。

表3 250 g初应力下不同品牌不同时间点剩余力平均值结果

表4 250 g初应力下时间与品牌交互作用的方差分析结果

3 讨论

3.1 试验装置特点

利用装置中的调距螺丝，操作人员可以根据实际需要，对镍钛拉簧与弹力链的拉伸长度进行调整，对牙齿移动进行准确模拟，在引导柱的作用下，可以确保两端平行移动；利用固定板、固定杆、调距螺丝等，操作人员也可以结合模拟口腔环境下的力值测定要求，维持力学辅件拉伸长度。在对剩余力值进行测量时，应该去除0.33 mm金属垫片，数据准确可靠[11-12]。

3.2 拉伸性能

在实验中，选择的3个镍钛拉簧相变温度均为35.5℃，模拟口腔环境下，镍钛拉簧本身处于奥氏体相变完成态，镍钛拉簧在原始拉伸长度4倍范围内，属于超弹性范围拉伸。试验结果表明，3种镍钛拉簧都表现出了良好的超弹性特点。选择的两种弹力链的弹性极限均超过500 g力值，实验中选择的150 g和250 g初始拉伸力都没有超过弹性拉伸极限，相比较而言，5个圈数的紧密型弹力链中，E品牌的柔性更好[13]。

3.3 力值衰减规律

实验结果显示，4 h时，弹力链力值存在显著衰减，剩余力值约为初始力值的75%～85%，24 h内力值的衰减依然比较明显，剩余力值为初始力值的65%～78%左右。伴随着模拟牙齿移动，弹力链拉深度减小，剩余力值持续衰减，不过速度相对平缓。与弹力链相比，镍钛拉簧的力值衰减相对平缓，4 h时剩余力值为初始力值的85%～96%，24 h后剩余力值在76%～91%。伴随着模拟牙齿移动，剩余力值持续衰减[14]。

3.4 品牌差异

实验发现，不同品牌的弹力链、镍钛拉簧的剩余力值随时间变化存在差异，有的品牌变化幅度大，有的品牌变化幅度小，波动程度不一样，其中品牌E的波动变化最为缓慢，这说明该品牌具有更好的弹性。

3.5 初始应力差异

不同的初始应力值对实验结果的影响较大，本实验发现，250 g初始力值与150 g初始力值在不同时间点得到的剩余力值差异较大，且250 g初始力值下各品牌不同时间点的变化幅度更明显。

3.6 临床意义

镍钛拉簧本身具备良好的超弹性，加上成本较高，相关研究人员建议在复诊环节，3个月内不对镍钛拉簧进行更换。不过结合试验可知，随着时间的延长，镍钛拉簧与弹力链的剩余力值越小，预计8周后可达最低值，因此应该每2个月左右，对镍钛拉簧进行更换。考虑品牌和材料对力值衰减的影响，在临床中，应该科学选择镍钛拉簧和弹力链，为牙齿施加柔和持续的矫治力，确保其安全高效移动[15]。

综上所述，在4～24 h内，弹力链力值衰减迅速，24 h后力值持续衰减，不过保持平缓，与之相比，在各时间点，镍钛拉簧的力值衰减更加平缓，因此，临床治疗中，应该优先选择镍钛拉簧。