自锁托槽矫治器的摩擦力研究进展?140??综述?旦蕉堕堂2007年第14卷第3期自锁托槽矫治器的摩擦力研究进展丁鹏综述林久祥周彦恒审校随着直丝弓矫治器的问世,滑动机制越来越多的应用于正畸治疗中,而滑动摩擦力在正畸治疗移动牙齿过程中是不可避免的,有研究显示口3,在滑动机制中摩擦阻力可导致矫治力丧失12～6O不等.自锁托槽矫治器利用自身特殊结构来关闭槽沟而无需结扎的一类托槽,正在受到越来越多正畸医生的关注.而有关自锁托槽矫治器的摩擦力也随之在近些年来成为正畸学领域的研究热点,本文就自锁托槽矫治器摩擦力的研究进展作一综述.一,有关摩擦力的研究方法对固定矫治器摩擦力的诸多研究,根据研究目的及实验设计的不同,可大概分为以下几类:1.弓丝平行滑动法:这是正畸摩擦力研究最基本的方法,大多是在拉力实验机上通过拉力实验进行.模拟滑动法整体内收前牙,实验中使平直弓丝沿托槽滑动,并与槽沟始终保持平行[21.'M],即在被动状态下(passivefrictionalconfiguration)研究材料,托槽类型,弓丝尺寸,唾液,不同结扎类型等对摩擦力的影响.一般认为,随着弓丝尺寸的增加,结扎力的增大,产生的滑动摩擦力也增大[1.2.固定倾斜成角或转矩角法:实验中弓丝沿托槽滑动,但在滑动过程中与槽沟间保持预定的倾斜成角或转矩角[5,2o-25],研究托槽——弓丝不同成角状态下摩擦力的大小,即考虑牙齿移动过程中与弓丝倾斜成角或转矩角对摩擦力的影响,但由于设定的倾斜角度恒定,实际并没有考虑牙齿倾斜——直立——倾斜这一复杂过程中托槽——弓丝成角的不断变化及牙齿扭转对摩擦力带来的影响.而且目前大多数研究集中在托槽——弓丝倾斜成角对滑动摩擦力的影响,有关转矩角对滑动摩擦力影响的研究则很少[2.一般认为,随着托槽——弓丝倾斜成角或转矩角的增加,滑动摩擦力也几乎成线性关系增大[.'.七,在特定的弓丝一托槽成角作者单位100081北京大学口腔医学院?口腔医院正畸科状态下,应用相同的弓丝,宽托槽比窄托槽产生的滑动摩擦力大[5].3.托槽自由倾斜滑动法:模拟拉尖牙向远中移动,实验时将弓丝固定,托槽受力沿弓丝滑动,滑动中允许托槽发生一定程度的自由倾斜[3,但由于不同实验设计中弓丝固定的松紧不一,而使弓丝受到的张力大小不定,弓丝的硬度对摩擦力的影响被忽略,所以也不能完全反映临床的实际情况.一般认为,在该状态下,不考虑弹力结扎圈拉伸程度大小产生的影响,由于窄托槽允许发生更大的倾斜,因而比宽托槽产生的滑动摩擦力大[2,这不同于第二种实验方法研究得出的结论,所以目前许多正畸医生对于托槽宽度对滑动摩擦力的影响观点不一.4.倾斜成角动态变化研究法:Kamelchuk等[27]认为以前的体外实验研究都不能很好的反映牙齿移动过程中托槽——弓丝倾斜成角的动态变化,于是设计了一个独特的实验装置来尽可能模拟牙齿的移动,类似于牙齿实际移动过程中倾斜——直立——倾斜的交替过程,在测试过程中使托槽与弓丝间倾斜成角产生匀速的递增及递减,并将这种渐进性的角度变化与线性位移有效整合起来,测量诸多因素影响下的滑动摩擦力大小.Smith等[】9j采用这一方法研究得出,滑动摩擦力的大小明显受到托槽类型,弓丝材质,弓丝尺寸和弓丝形状等多种因素的影响.以上四种实验方法,尽管就实验设计而言,都在试图逐步深入地模拟口腔内牙齿移动的复杂过程, 但由于在滑动机制中影响滑动摩擦力大小的因素太多,而各种实验方法都不可避免地存在各自的局限性,因此所得的结论不尽相同.二,自锁托槽矫治器的摩擦力1997年,Kusy和WhitleyEIj提出滑动摩擦力(resistancetosliding,RS)包括三部分:经典摩擦力(classicalfriction,FR),约束力(elasticbinding,BI)和刻痕阻力(physicalnotching,NO),同时还认为,根据托槽——弓丝倾斜成角(0)口腔正畸学2007年第14卷第3期与临界角(ec)的关系,可划分两种状态:被动状态(e<Oc,passivefrictionalconfiguration)和主动状态(e≥0c,activefrictionalconfiguration),不同状态下滑动摩擦力(RS)的组成不同,大小也不同. 1999年,Kusy和Whitley~船]又从理论上用公式论证了决定ec大小的三个影响因素:即托槽槽沟的尺寸,托槽的近远中宽度和弓丝的尺寸,认为窄托槽,大尺寸的槽沟,较小尺寸的弓丝均可以增加ec,同时还经计算得出临床常规应用的托槽与弓丝间的ec在O～4.之间.自锁托槽矫治器设计的不同,主要表现在是锁定弓丝(自结-K)的方式及结构的不同,据此可大致将自锁托槽分为被动式(apassiveself—ligation)和主动式(anactiveself-ligation)两大类[n.'...,29_..Thorstenson和KusyE20,223在干,湿状态下分别研究了Activa,Damon, Twinlock,In-Ovation,SPEED,Time等六种自锁托槽在托槽——弓丝倾斜成角影响下滑动摩擦力的大小,发现不同类型的自锁托槽之间摩擦力水平存在显着的差异,而这种差异主要来自自锁方式的不同.Smith和Rossouw等|19]利用独特的实验装置模拟牙齿的三维移动,研究不同自锁托槽滑动摩擦力的大小,得出了相同的结论.(一)被动状态下自锁托槽矫治器的摩擦力该状态下滑动摩擦力仅由经典摩擦力FR决定[,大小同结扎弓丝产生的正压力成正比L5.. Thorstenson和Kusy~.0_发现,由于不对弓丝产生结扎力,滑道式自锁托槽在干,湿状态下均产生很小的滑动摩擦力,近乎为零,显着低于弹簧夹式自锁托槽;因后者的弹簧夹与弓丝的相互作用类似于"结扎效应",其滑动摩擦力的大小因结扎力的不同而各有差异,其中结扎力大小与弓丝和槽沟的相对尺寸,余隙的大小以及弹簧夹的材料,生产方法均有关. SPEED矫治器具有高弹性的弹簧夹,对弓丝施以了最大的结扎力,因此在六种自锁托槽中显示出最大的滑动摩擦力.Sims等|15]在被动状态下研究滑道式自锁托槽Activa和弹簧夹式自锁托槽SPEED的滑动摩擦力大小,同样发现尽管弓丝尺寸增加, Activa托槽的滑动摩擦力却始终很小,甚至可以忽略不计,而SPEED托槽的滑动摩擦力却随弓丝尺寸的增加而明显增大,平均大小为Activa托槽的l5倍左右.Read-Wardc.也研究了三种自锁托槽,认为?l4l?在被动状态下Mobil-lock,Activa,SPEED的滑动摩擦力依次增大.(二)主动状态下自锁托槽矫治器的摩擦力这里所讲的主动状态仅包括临床上滑动能够持续进行的状态,当托槽——弓丝成角很大,产生刻痕阻力时,滑动也就相应停止,不属于正畸摩擦力研究的范畴,因此不被包括在内(以下同).该状态下滑动摩擦力由经典摩擦力FR和约束力BI共同组成[,BI与相对倾斜成角Or(即e一0c)成正比,即随着托槽——弓丝倾斜成角的增大,约束力也增大,二者成线性关系,而FR相对保持不变,其大小为e一0c时的滑动摩擦力.Thorstenson和Kusy研究发现L2..,仅考虑托槽——弓丝倾斜成角对滑动摩擦力的影响,对于同样大小的er,约束力大小相近,而与自锁托槽的类型无关,这样,滑动摩擦力的差异就来自作为常量的经典摩擦力FR,而FR与自结扎方式决定的结扎力大小密切相关.因此,在主动状态,相同的托槽——弓丝倾斜成角e下,具备较高的初始经典摩擦力FR(e—Oc时滑动摩擦力)或较小临界角ec的自锁托槽表现出较高的滑动摩擦力水平.在Thorstenson和Kusy测试的六种自锁托槽中,由于主动式托槽In～Ovation和SPEED具有较高的FR值,滑动摩擦力最大,而被动式托槽Damon因较低的FR值和较高的ec值,滑动摩擦力最小.因此,不论在被动状态下还是主动状态下,滑道式的自锁托槽均比弹簧夹式的自锁托槽呈现出更低水平的摩擦力.许多学者的研究|1..1]都支持这一观点.(三)自锁托槽矫治器与传统结扎托槽的摩擦力比较许多自锁托槽发明者或生产商宣称__33'川,与传统托槽相比,自锁托槽矫治器除了椅旁时间和疗程缩短外,还显着降低了矫治系统摩擦力的大小.自锁托槽矫治器是否真正降低了矫治系统的滑动摩擦力,目前,还存在许多不同的观点.1.一些学者研究认为,自锁托槽的确比传统托槽产生的滑动摩擦力小.其中,得出这一结论的大多数研究是在托槽——弓丝的被动状态下进行的,没有考虑牙齿移动后弓丝与托槽倾斜成角对摩擦力带来的影响.如Berger[心],Shivapuja【l]的研究,他们在研究中采用的弓丝尺寸较小,分别为?l42?0.016×0.022"的不锈钢方丝和0.018"的不锈钢圆丝,弓丝的形状和尺寸对摩擦力大小的影响也被忽略.而Sims等[15j研究了Activa,SPEED和弹力结扎的不锈钢托槽与四组不锈钢方丝组合时滑动摩擦力的大小,得出结论:SPEED托槽的滑动摩擦力为传统托槽的5O一7O9/6,Activa托槽的滑动摩擦力则仅为传统托槽的1/40左右.其他学者的研究也发现[2,8,13,14,21,23],由于大大减小甚至省去了对弓丝的结扎作用,滑道式自锁托槽的摩擦力显着低于传统托槽.而在主动状态下,Thorstenson等[2.]研究发现,仅考虑托槽——弓丝倾斜成角对滑动摩擦力的影响,在0.018"×0.025"不锈钢方丝上,对于相同的Or,DamonSL托槽和钢丝结扎的传统托槽约束力BI的增加量大小相近,由于DamonSL较传统双翼托槽宽度小,临界角ec大,而FR较小,因此对于相同的托槽——弓丝倾斜成角e,前者的滑动摩擦力依然小于后者.2.另有一些学者的研究则认为,自锁托槽产生的滑动摩擦力并不比传统托槽的小.如Bednar[.在研究SPEED托槽的摩擦力时,分别应用四组不同尺寸的不锈钢弓丝,最大尺寸为0.016×0.022",为更好的模拟临床实际情况,在研究中允许托槽发生一定程度的自由倾斜,考虑了托槽——弓丝成角对摩擦力的影响,发现SPEED矫治器在托槽——弓丝倾斜成角的状况下,其平均滑动摩擦力相似甚至高于弹力结扎的传统不锈钢托槽,并分析这与SPEED托槽自身的设计有关,较小的托槽宽度允许牙齿发生更大程度的倾斜,导致约束力显着增大,再加上高弹性的弹簧夹作用,反倒增加了滑动摩擦力.3.还有一些学者认为,自锁托槽仅仅在一定情况下比传统托槽产生的滑动摩擦力小.Taylor等研究发现,随着弓丝尺寸增加,SPEED托槽产生的摩擦力显着增大,在不锈钢方丝上与传统托槽无显着性差异.Hain等[4]也在被动状态下,通过0.019×0.025不锈钢方丝比较了SPEED托槽,不同结扎方式的传统托槽分别在干,湿状态下滑动摩擦力的大小,结果发现SPEED托槽的摩擦力比弹力结扎的传统托槽低,但明显高于钢丝松驰结扎的3M金属托槽.Read-Ward_2考虑了托槽——弓丝间成角对摩擦力的影响,于是在不同预口腔正畸学2007年第14卷第3期定的托槽——弓丝倾斜成角下比较Activa, SPEED,Mobil—lock三种自锁托槽与钢丝结扎的不锈钢托槽的滑动摩擦力,发现在被动状态下,应用0.020"不锈钢圆丝时,自锁托槽的摩擦力的确小于传统托槽,但在不锈钢方丝上(O.019×0.025" 和0.021×0.025")其摩擦力会明显增大,与传统托槽的摩擦力无显着性差异;而主动状态下,在不锈钢方丝上,其摩擦力与传统托槽的摩擦力相比同样没有显着性差异.Smith和Rossouw等[19j的研究也认为随着托槽——弓丝倾斜成角的增加和不锈钢弓丝硬度的增大,SPEED托槽的滑动摩擦力会显着增大,与弹力结扎的不锈钢托槽产生的摩擦力没有显着性差异.由此可见,由于实验设计的不同,包括实验环境,研究方法,材料选择等,以及各种自锁托槽自身设计的不同,关于自锁托槽矫治器摩擦力研究所得出的结论尚存在差异.三,自锁托槽矫治器摩擦力研究的I临床提示及意义1.由于自锁结构设计的不同,主动式和被动式自锁托槽会对弓丝产生不同的结扎作用,进而影响了滑动摩擦力的大小.结合Kusy等[2]提出的有关临界角ec的三个决定因素,我们可以简单分析不同槽沟尺寸,弓丝尺寸,托槽宽度对自锁托槽滑动摩擦力的影响.据此,提示我们选择宽度较窄的被动滑道式自锁托槽如I[~TlOn及稍小尺寸的不锈钢弓丝可能更有利于滑动机制的应用,但对牙齿倾斜的控制会有一定影响,如果临床应用中没有注意这点,加力过大,牙齿倾斜明显反倒会增大摩擦力.2.正畸托槽一弓丝组合的概念:Smith和Rossouw等[19j在研究不同托槽一弓丝组合下的滑动摩擦力大小时,特别强调了这一概念.他们建议正畸医生结合临床需要合理选择特定的托槽一弓丝组合,使矫治系统产生最小的摩擦力.他们指出了几组滑动摩擦力最小的托槽一弓丝组合,建议选择能够有效减小甚至消除结扎力的被动滑道式自锁托槽和挠曲度较大的弓丝,能最大限度地减小矫治系统的摩擦力.3.针对不同类型自锁托槽的特点,V oudourisE.提出,在临床应用时可采用不同的弓丝使用顺序.他认为,对于主动弹簧夹式的自锁托槽,虽然较高弹性的弹簧夹与弓丝的相互作用能提口腔正畸学2007年第14卷第3期供持续,轻柔的扭正力,转矩力以实现对牙齿良好的三维控制,但同时也影响了减小矫治系统摩擦力的效果,使用时应依次逐级更换弓丝,最终达到理想的牙齿三维控制即牙列完全排齐整平后再开始滑动;而对于被动滑道式的自锁托槽,由于滑动摩擦力小,早期即可应用较大尺寸的弓丝.Thorstenson等[2.'.]也指出,与传统托槽及弹簧夹式自锁托槽相比,Damon托槽有着较大的临界角ec,允许牙列尚未完全排齐整平即可较早地开始滑动,由于显着降低了矫治系统内的滑动摩擦力使得在应用Damon托槽时可采用相应低水平的矫治力贯穿治疗始终,以更好的实现后牙支抗的控制,但同时可能会导致对牙齿三维位置精确控制的不足.4.由于摩擦力贯穿整个治疗过程的始终,正畸医生应根据各阶段的目标合理选择矫治弓丝和托槽I-引.Thorstenson等[2]通过研究不同尺寸,材质的弓丝对自锁托槽矫治器滑动摩擦力的影响,认为在矫正严重拥挤不齐的牙齿时,在早期排齐阶段,选用尺寸小,挠曲度大的弓丝,有助于降低各种自锁托槽矫治系统的滑动摩擦力,进而利于牙齿的快速排齐;而在治疗的后期阶段,不期望牙齿产生过多的移动时,选用尺寸大,硬度大的弓丝可以增大自锁托槽矫治系统的摩擦力,有利于稳定牙齿的位置.参考文献1.KusyRP,WhitleyJO.Frictionbetweendifferentwire-bracket configurationsandmaterials.SeminOrthod,1997,3:166-77.2.KhambayB,MillettD,MeHughSEvaluationofmethodsofarchwire ligationonfrictionalresistance.EurJOrthod,2004,26:327—332.3.BedDAtrJR,GruendemanGW,SandrikJLAcomparativestudyof 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