隐形矫治技术生物力学的研究进展

龙惠青 荆 璇 武秀萍

作者单位：030001太原，山西医科大学口腔医学院·口腔医院

隐形矫治器因其舒适美观、节省椅旁操作时间、利于口腔自洁等因素备受正畸医生及患者的青睐。但目前有关隐形矫治生物力学的研究报道较少，使得正畸医师对隐形矫治力的作用力系难以有直观的判断和控制。因此本文就隐形矫治器对牙齿、牙周、颞下颌关节的生物力学做一综述。

一、隐形矫治器对牙齿不同移动方式的生物力学分析

牙齿由于施加矫治力方式的不同，会产生不同类型的牙齿移动，进而导致牙齿应力的变化。Rudolph[1]等发现：伸出、压入、旋转载荷使根尖应力集中，容易引起根尖吸收，而整体移动和倾斜移动载荷方式其应力集中在牙槽峭顶区出现，而非根尖区。因此，在达到矫治目标的同时，选用合适的载荷方式可大大降低牙根吸收的可能性。而隐形矫治器不同于传统固定矫治的弓丝刚性施力模式，采用热压膜的弹性回复力来实现牙齿的移动。牙齿不同移动方式其生物力学表现不同。

1.近远中移动对牙齿生物力学的影响

前牙的近远中移动常应用于关闭前牙散隙等临床病例中。有学者对隐形矫治关闭上中切牙间隙进行三维线性有限元分析，将牙冠位置向近中移动0.3mm，发现瞬时转动中心位于牙根距根尖三分之一根长处，即转动中心在牙齿的阻抗中心的根方，此时，牙齿移动类型为倾斜移动。但中切牙根尖区没有出现过高的应力集中[2]。有学者将隐形矫治技术应用于牙周病致前牙间隙的患者，结果表明治疗前后间隙关闭良好，根尖未见明显吸收[3，4]。因此，使用隐形矫治器对前牙间隙患者进行矫治，可降低根尖吸收发生的可能性。

尖牙中性关系对弓形及咬合关系的建立至关重要，临床中常通过尖牙的近远中移动来实现尖牙中性关系的建立。因此，对尖牙移动的力学分析成为研究热点。目前多数观点认为，在临床中使尖牙远中移动的矫治力值为50～120g，在有限元研究中大多选用的矫治力值是100～150g[5]，根据隐形矫治器公司提供的材料参数，估算出将牙齿移动0.4mm需提供100g的水平矫治力，将尖牙旋转5～6°约需提供125～130g的力偶[6]。进一步的实验表明，当隐形矫治器施加的远中力与逆时针力偶的力量比值为100:125～130，即力与力矩的比值为7.25～7.50时，尖牙根部远中面受力更均匀，接近整体移动[7]。可见，隐形矫治可通过合理的施力模式来实现尖牙的整体移动，以降低尖牙牙根吸收的风险。

2.唇舌向移动对牙齿生物力学的影响

目前研究证明隐形矫治对牙齿的唇舌向移动控制效果理想，且实现冠舌倾的效率较冠唇倾效率高，前者为53.1%，后者为37.6%，上切牙的效率更高[8]。Kassas等应用美国正畸模型分析系统（american board of orthodontics model brading system，ABO）对隐形矫治效果进行评分，发现其对后牙区的唇舌向倾斜有着较好的控制[9]。但是对于大量颊舌向移动牙齿的病例，应注意加强转矩控制，防止出现骨开窗等不良后果[10]。

在固定矫治中，用双曲唇弓矫治上颌切牙唇向错位，发现切牙舌向移动1mm，可产生0.98～1.47N的矫治力[11]。而隐形矫治中，当矫治器顶端位移为0.05mm时，牙体上的合力大小为0.5N[12]。蔡永清用三维有限元模拟无托槽隐形矫治，对下颌尖牙唇舌侧整体位移量的数值进行分析，模拟结果显示尖牙倾斜移动0.35mm是该牙颌模型尖牙在唇舌向的最佳位移量，此时旋转中心接近根尖且应力分布较为合理[13]。因此，对于牙齿唇舌向的移动，隐形矫治器可通过设置合理的位移量来实现牙根合理的应力分布。

3.垂直向移动对牙齿生物力学的影响

有学者对189副需压低的牙齿样本进行矫治效率测量，结果显示前牙压低的平均效率为41.3%，平均压低量是0.72mm。压低效率最高的是上下颌中切牙，最低的是上颌侧切牙[14]。在压低下前牙的过程中，应力主要集中在牙颈部，并向根尖逐渐减小，且牙齿压低量与牙根吸收程度呈正相关[7]。目前隐形矫治治疗中，矫治器压低位移的取值范围为0.15～0.35mm[15]。此外，牙齿压低的同时还做牙齿内收移动者的牙根吸收程度要重于单纯做牙齿压低移动者[16]。有学者模拟正常范围内3种不同唇倾度下前牙在压低时的应力分布，结果提示下切牙唇倾度在偏离正常值越远，其在压低时，牙根唇、舌侧的应力值有增大趋势[17]。由此说明，牙齿进行垂直向控制中，在注意压低量的同时，还需关注牙齿的矢状向的位置，以防牙根吸收的可能性出现。

二、隐形矫治器对牙周组织生物力学的影响

矫治力大小及其在牙周组织的分布是使牙周组织发生改建的始动因子[18]。Nikolai认为确定最佳力值不应以加载牙冠的力为准，而牙周膜的应力状况才是推动骨重建和正畸牙移动的关键[19]。与传统固定矫治器点状加力的施力方式不同，隐形矫治器是面状加力[20]，这种矫治器反作用于牙齿上的力系差异决定了隐形矫治器对牙周的应力状态不同于固定矫治器。

1.近远中移动对牙周组织生物力学的影响

研究发现，用隐形矫治器关闭中切牙间隙时，牙周膜颈部应力集中数值远高固定矫治器，牙周膜其他范围的应力值与固定矫治器基本一致，根尖区应力值没有明显升高，根尖吸收发生的可能性大大减少[21]。学者用三维有限元法建模分析，当上中切牙近中移动0.3mm，上颌中切牙的牙周膜应力最大，侧切牙次之，第一磨牙的牙周膜应力相对较小，其他牙齿应力均较小。由于隐形矫治器即刻加载后产生形变，形成与牙弓弯曲方向相同的弯矩，导致支抗磨牙牙周产生相应的较小应力[22]。有学者用隐形矫治技术治疗因牙周病导致前牙间隙的患者，短期观察未见明显牙周损伤，相对于固定矫治技术而言，隐形矫治技术产生的牙周应力分布更小，更均匀，有利于牙周病患者治疗时牙周组织的健康[2～4，23]。因此，分析认为隐形矫治技术作用于牙周的应力分布均匀且大小合理，可用于轻、中度牙周病致前牙间隙的患者。

通过对比隐形矫治技术与固定矫治技术在拔牙病例中远中移动尖牙的生物力学特点，可以发现隐形矫治器载荷下牙齿及牙周膜的平均主应力和Von Mises应力均小于固定矫治器载荷，且牙齿旋转中心更接近根尖[24]，得到类似倾斜移动的结果。如果在尖牙唇面放置一对优化附件，使尖牙受到2.8N远中方向的力以及30N·mm的逆时针方向力矩，尖牙牙周膜远中面广泛受压，近中面广泛牵张，则可使位移模式与远中整体移动相同。牙周应力与牙齿移动方式息息相关，当尖牙整体远中移动时，与做倾斜移动相比，牙周最大应力值降低40%[25，26]。说明隐形矫治技术尖牙整体移动的位移模式有利于牙周组织的健康。

2.唇舌向移动对牙周组织生物力学的影响

单个舌向力作用于牙齿唇侧表面时，力的大小表现为颈部应力集中，沿牙根表面向根尖方向应力逐渐减小，到牙根根尖部应力又稍增大。而牙周膜、牙槽骨的应力分布趋势与牙根表面相近，只是应力绝对值较牙根表面有所减小[11，27]。唐娜等使用三维有限元研究上中切牙倾斜移动时的牙周应力分布，设计上中切牙绕阻抗中心作2°冠舌向倾斜移动，结果显示：根中1/3阻力中心附近的牙周膜应力较小，根尖1/3和颈缘1/3的牙周膜应力相对集中[7]。说明隐形矫治在矫治唇舌向错位牙齿时，应力分布状况与传统固定矫治相似。

Drake等对整体内收前牙的应力进行临床研究，比较上中切牙整体内收0.5mm前后的患者CBCT图像。结果显示上中切牙产生倾斜移动，旋转中心位于牙根根尖至唇舌侧牙槽嵴顶41%处[28]。学者研究隐形矫治器整体内收上颌前牙1.5mm过程中，上颌前牙所受的初始移动规律与上述结果类似。在隐形矫治器载荷下，上颌尖牙牙周膜所受综合应力最大，侧切牙次中，而中切牙最小。两侧对应牙所受应力分布趋势相似[29]。因此，在整体内收前牙过程中，应控制尖牙的移动方式，以利于牙周健康。

3.旋转移动对牙周组织生物力学的影响

有学者使用三维有限元法研究隐形矫治上切牙旋转移动的牙周应力分布，切牙沿牙冠长轴旋转2°，牙周膜应力分布虽然与传统固定矫治相似，但隐形矫治载荷时唇舌侧、近远中的应力分布更加均匀[7]。同理，在牙冠颊舌两侧区域施加一对大小相等（矫治力为1.47N）、方向相反的颊舌方向的分布载荷，牙齿产生旋转移动，结果显示：牙槽骨和牙周膜在嵴顶处局部较小区域有应力集中，唇舌两侧的应力数值较大；牙根中部应力分布相对均匀，根尖部分的应力较小[30，31]。与固定矫治器颊侧施加矫治力相比，隐形矫治器全覆盖式作用于牙颌组织，其应力分布更加均匀，应力集中的区域相对减少，即：隐形矫治器因颊舌双侧分布式的载荷模式使得牙周的受力更加均衡。

三、隐形矫治器对颞下颌关节的影响

隐形矫治器通过热压膜的自身回弹力实现了对错牙合畸形患者牙齿的矫正[32]，而热压膜的厚度对患者颌位及关节的影响很有研究意义。有学者研究长时间佩戴无托槽隐形矫治器对颞下颌关节及下颌位置的影响，结果发现佩戴隐形矫治器三个月后，CBCT观察患者的关节间隙并无显著变化，也并未对下颌骨的位置产生明显不可复性移位。佩戴隐形矫治器颞肌前束肌力在早期有所増加，随着佩戴时间的増加这种影响逐渐减小[33]。有学者采用厚度为1.5mm的正畸透明成型膜片制成改良式真空压膜肌激动器，对安氏Ⅱ类Ⅰ分类患者进行功能矫形治疗，治疗结束后患者下颌前移，ANB角明显减小，颌位变化明显；通过CBCT观察，双侧颞下颌关节未发现明显病理性改变[34]。此外，对于深覆牙合的颞下颌关节紊乱病患者，佩戴隐形矫治牙合垫治疗后，其颞下颌关节及下颌骨的应力分布较治疗前更合理[35]。亦有德国医生Schupp[36]在正畸治疗中巧妙的将咬合板与隐形矫治器结合起来，联合应用治疗TMD，初期利用咬合板适当的厚度来恢复后牙的垂直距离，继而利用隐形矫治器灵活移动牙齿的特点来达到后牙伸长的目的，这样可以使下颌骨稳定在健康舒适的位置上。现如今，隐形矫治公司设计了专门用于青春期骨性Ⅱ类错牙合患者的隐形矫治器，其将下颌引导在正常位置，将利于后期的常规隐形治疗。因此，隐形矫治过程中，恰当的矫治措施将利于患者颌位的正确建立及颞下颌关节的改建。

综上所述，隐形矫治器对牙齿、牙周、颞下颌关节的生物力学特点与传统固定矫治器有明显差异：其通过设置合理的牙齿移动方式可降低牙根吸收的风险；矫治过程中牙周应力的大小及分布也更加合理；同时可应用于颞下颌紊乱患者的正畸治疗。将来随着隐形矫治技术的发展及其对牙齿、牙周、颞下颌关节生物力学的深入研究，将使其更合理地应用于临床矫治中。