带状弓丝与传统正畸弓丝机械力学性能对比研究

谢 勤，李 多，2，梁甲兴，林 立，张玉华，林 斌

近些年来，唇侧和舌侧托槽都陆续出现了将弓丝以带状弓方式(方丝宽面与牙面贴合)入槽的设计，唇侧如带状直丝弓托槽，舌侧如Tandem archwire technique托槽[1-2]。由于传统方丝弓原理主导了正畸领域太长时间，以至于现在正畸医师们普遍忽略了方丝弓矫正器的基本原理是来自这个非常有价值的结构设计。由于当时科技水平的制约，Angle时代的带状弓矫正器是由金铂合金打造，弹性与刚性都不理想，材料性能的落后极大的影响了带状弓的临床运用[3]。随着现代材料学的发展，不锈钢和超弹性镍钛合金丝逐渐成为正畸弓丝的主要材料，这使得带状弓的应用重新回到正畸学者的视野。弓丝是固定矫治器的重要组成部分，充分了解弓丝机械力学性能是开展正畸治疗的基础。由于临床使用习惯，以往研究多偏重于对方丝宽面(传统入槽方式)的机械性能研究[4-5]。本研究将对带状弓和传统正畸弓丝的机械性能进行对比研究。

1 材料与方法

1.1材料 选取临床常用的Plasdent(美国赛光公司)，3M(美国明尼苏达矿业及机器制造公司)和Ormco(美国卡瓦盛邦公司)3个品牌正畸不锈钢方丝，按0.016×0.022英寸(1英寸=25.4 mm)、0.017×0.025英寸、0.018×0.025英寸、0.019×0.025英寸分为宽面(传统弓丝)与窄面(带状弓)共8组。Plasdent圆丝直径0.016英寸，0.018英寸，0.020英寸及澳丝直径0.018英寸，0.020英寸英寸共5组。每组10根弓丝，每根长40 mm。

1.2方法 采用福州大学测试中心材料试验机(Instron-1185，英国)进行三点弯曲实验。传感器最大载荷100 N,载荷分辨率10-3N,精度0.1%。两支撑点间距14 mm，加载点位于两支撑点中点。实验室室温维持25 ℃，湿度维持60%。

三点弯曲实验：加载速度为1 mm/min。带状弓丝的位移量为2 mm，传统不锈纲方丝、圆丝及澳丝的位移量为3 mm。每根弓丝测试1次，每组10根。弓丝的抗弯刚度EI由曲线的线性部分通过公式计算得出。结果取平均值。

EI=PL3/48Y，P代表加载力值(N),L代表两支点跨距(mm),Y代表挠度(mm,即位移量)

1.3统计学处理 采用Origin 8.0软件绘制试验力-位移曲线，进行分析比较。将各品牌带状弓与传统弓丝的测量结果按尺寸进行配对t检验。将0.017×0.025带状弓丝与各尺寸传统弓丝的测量结果进行成组t检验。使用SPSS10.0统计软件对实验结果进行统计学分析，P<0.05为差别具有统计学意义。

2 结 果

带状弓三点弯曲实验的试验力-位移曲线见图1。带状弓与传统弓丝的三点弯曲实验的试验力-位移曲线见图2。图1显示，带状弓0.016×0.022，0.017×0.025，0.018×0.025，0.019×0.025英寸线性部分的斜率随尺寸增大而增大。图2显示带状弓0.017×0.025英寸的斜率大于传统方丝，圆丝和澳丝。0.016×0.022英寸带状弓的斜率较0.016×0.022英寸传统方丝以及直径0.020英寸圆丝和澳丝大。

图1 带状弓(3M)试验力—位移曲线图

各样本带状弓与传统方丝的抗弯刚度比较结果见表1。各品牌0.016×0.022，0.017×0.025，0.018×0.025，0.019×0.025英寸带状弓丝抗弯刚度均较传统弓丝大。各品牌0.017×0.025英寸带状弓与传统方丝及圆丝的抗弯刚度比较显示，各品牌0.017×0.025带状弓抗弯刚度均较传统弓丝大，差别均有统计学意义。

各品牌0.017×0.025英寸带状弓与传统方丝及圆丝的抗弯刚度比较结果见表2。各样本抗弯刚度列表可见0.017×0.025英寸带状弓的抗弯刚度均大于各自品牌的0.019×0.025，0.018×0.025，0.017×0.025，0.016×0.022英寸传统不锈纲方丝，以及各直径圆丝和澳丝，除3M的0.017×0.025英寸带状弓与0.019×0.025传统方丝差别无统计学意义外，其余均有统计学意义。0.016×0.022英寸带状弓的抗弯刚度均大于各自品牌的0.016×0.022英寸、0.017×0.025英寸传统方丝以及直径0.020英寸圆丝和澳丝，而小于0.018×0.025英寸、0.019×0.025英寸传统不锈纲方丝。

图2 带状弓与传统正畸弓丝(Plasdent)试验力—位移曲线图

表1 带状弓丝与传统方丝抗弯刚度比较

n=10. 同品牌同尺寸带状弓丝与传统方丝比较，△：P<0.05，△△：P<0.01.

表2各品牌0.017×0.025带状弓与各尺寸传统弓丝抗弯刚度比较

Tab 2The bending strength of the ribbon arch and the orthodontic rectangular wires

分组弓丝尺寸/(英寸)抗弯刚度/(N·mm2)Plasdent0.017×0.025(带状弓)1195.89±10.410.019×0.0251039.25±9.24△0.018×0.025914.64±6.26△0.017×0.025726.00±7.20△△0.016×0.022515.63±6.17△△0.020圆丝698.56±6.24△△0.018圆丝451.62±3.23△△0.016圆丝257.25±1.16△△0.020澳丝661.97±5.30△△0.018澳丝483.62±3.27△△3M0.017×0.025(带状弓)1141.25±10.360.019×0.0251088.42±9.380.018×0.025914.66±7.30△0.017×0.025768.30±8.28△△0.016×0.022560.22±6.22△△Ormco0.017×0.025(带状弓)906.09±9.290.019×0.025737.45±7.66△0.018×0.025635.69±7.01△△0.017×0.025632.70±6.29△△0016×0.022455.03±5.27△△

n=10. 与各自组内0.017×0.025带状弓比较，△：P<0.05, △△：P<0.01.

3 讨 论

正畸弓丝作为矫治器中的重要组成部分，其机械力学性能很大程度影响最终的矫治疗效。对弓丝力学性能的研究方法主要有悬臂梁实验与三点弯曲实验。正畸弓丝与托槽在结构上形成了连续梁的结构，两托槽之间的弓丝可视为支撑梁进行力学分析，三点弯曲实验更贴近弓丝在口腔内的状况，所以本研究采用业内相关研究领域大多采用的三点弯曲实验来分析带状弓机械力学性能[6-7]。通过实验数据绘制弓丝载荷-位移曲线，曲线的线性部分的斜率体现材料的抗弯刚度，曲线的斜率越大，弓丝抗弯刚度越大。

弓丝的力学性能受多种因素的影响，如不同的材质(SS/TMA/NiTi/热激活NiTi)、不同的尺寸(横截面积)、不同的长度(托槽间距)等。许多学者已对其进行深入研究[8-9]。然而，矩形弓丝宽面与窄面不同的入槽方式对弓丝性能影响的研究则较少。本研究对相同尺寸的不锈纲方丝，在同等实验条件下，宽面与窄面抗弯刚度的研究结果显示，0.016×0.022英寸不锈钢方丝窄面(带状弓形式)的抗弯刚度大于同品牌的0.017×0.025英寸方丝宽面以及各直径的圆丝和澳丝。0.017×0.025英寸带状弓的抗弯刚度甚至强于同品牌0.019×0.025英寸的传统弓丝。提示，以带状弓方式(方丝宽面与牙面贴合)入槽时，较小尺寸的不锈钢丝，就可产生较强的龈牙合向抗弯刚度，抵抗弓丝弯曲变形的能力强，具备更好的平面支撑性能。刘筱琳指出，弓丝刚度是指由弓丝材质、横截面形状及横截面面积决定的内在刚性[10]，该观点与本研究结果相符。

弓丝在槽沟内滑动会受到滑动阻力影响。Kusy 等提出滑动阻力分为3种类型:经典摩擦力，弹性约束力和刻痕阻力[11]。当牙齿倾斜或弓丝弯曲导致弓丝与托槽槽沟之间的倾斜超过一定的角度时，形成弹性约束力，此时牙的移动效率降低，当托槽与弓丝之间的成角增大使得弓丝发生永久变形时，则产生刻痕阻力，严重防碍牙齿移动。临床观察发现，弓丝弯曲形变多发生在龈向，特别是在拔牙间隙处，因为此处弓丝跨度增大，抗弯强度减小[12]。本实验结果显示，带状弓丝龈向刚性强，不易变形，因此较传统方丝能有助于防止约束阻力和刻痕阻力的产生，从而减小因弓丝形变产生额外磨擦力的可能性。

目前传统直丝弓矫正技术多以0.019×0.025英寸不锈钢方丝作为主弓丝。本研究结果显示，3个品牌0.017×0.025英寸带状弓丝抗弯刚度均较0.019×0.025英寸的传统方丝大，可以认为0.017×0.025英寸带状弓丝具备优于0.019×0.025英寸传统方丝的水平向刚性，足以支撑平面。尽管0.016×0.022，0.017×0.025，0.018×0.025，0.019×0.025英寸带状弓的抗弯刚度随尺寸增大而增大，但是弓丝唇舌向厚度越大则托槽厚度也要相应增大，会降低患者舒适感。另一方面，大尺寸的带状弓在龈向上同等程度的形变产生的力值也大，有增加牙根损伤的风险。因此从满足刚度要求，安全性以及患者舒适度这几个角度出发，可考虑选择0.017×0.025英寸带状弓作为带状弓矫正器的主弓丝。