无托槽隐形矫治技术的生物力学研究进展

杨婉琪，李熙恒，李 慧，于晓艺，朱宪春

近年来，成年患者在正畸患者中所占的比例不断增加，与传统固定矫治器相比，他们更倾向于选择美观、舒适的无托槽隐形矫治器(clear aligner，CA)[1]。隐形矫治器因其美观、舒适、利于牙周健康[2]、紧急情况少、椅旁操作时间短等优势得到了医生和患者的青睐。新冠病毒大流行期间，进行固定矫治的正畸患者受疫情影响无法正常复诊，导致正畸疗程延长，而佩戴隐形矫治器的患者较少发生紧急情况，疫情对正畸的疗程、疗效影响较小[3]。

牙周组织与颌骨组织因受到矫治力而发生改建和重塑是正畸牙移动的生物学基础。矫治力作用于牙齿的部位、方向、大小和时间影响牙周组织反应，最终影响牙齿移动。隐形矫治技术的主要矫治力来源于矫治器发生弹性形变后产生的分布式反作用力。然而，隐形矫治器本身的形状复杂，对牙冠表面施加矫治力的部位不确定，产生的力和力矩也不确定，且因牙冠外形存在个体差异，隐形矫治器与牙冠之间的相互作用因人而异[4]，因此，隐形矫治器的生物力学机制成为了学者研究的热点。有限元分析法(finite element method，FEM)是一种常用的理论应力分析方法，自1980年Takahashi等[5]首次在口腔正畸学领域应用有限元分析法以来，其已经成为研究正畸生物力学的重要方法之一。此外，主要的体外应力研究方法还有Hahn等[6]建立的位移测量法和Kohda等[7]建立的电阻应变计测量法。这两种测量方法能分析牙齿在受到隐形矫治器作用的一段时间内的受力情况，但尚未将牙周组织纳入测量研究，因此无法获得牙周膜的应力状况，而三维有限元分析是目前体外应力研究中唯一将牙周组织纳入测量研究的方法。

1 垂直向牙移动的生物力学

1.1 前牙压低移动的生物力学

研究表明，隐形矫治器的前牙压低效果与固定矫治器相当，上颌中切牙和下颌中切牙的压低实现率最高，分别为45%和47%，上颌侧切牙的压低实现率最低，仅达到33%[1]。有学者研究前牙压低移动时，发现下切牙唇倾度偏离正常值越大，其受压低力后牙根唇、舌侧所受到应力值随之增加[8]，这提示隐形矫治器压低前牙时应先恢复前牙的唇倾度，使牙根直立于基骨中后，在骨松质中对牙齿进行压低。

蔡永清等[9]进行隐形矫治器压低下颌尖牙的相关研究发现，尖牙的初始位移和牙周膜应力均随矫治器的压低步距、厚度和弹性模量的增大而增加。但是矫治器的厚度和弹性模量是矫治器的物理属性，医生无法改变这两个参数，若想加速正畸牙齿压低移动，就只能增加矫治器的压低步距来实现。需要考虑的是，应在牙周组织正常应力范围内增大矫治器的压低步距，因此仅通过增大矫治器的压低步距来加速牙齿压低移动是很有限的，应考虑应用其他措施加速治疗。

Ma等[10]认为唇倾度正常的轻度、中度和重度牙周病患者的最佳步距分别小于0.18 mm、0.15 mm和0.10 mm，这仅是一理论分析结果，临床应用还有待研究和验证。临床上牙周病患者的情况大多比较复杂，应用隐形矫治技术治疗牙周病患者时应严格遵循适应证，尽量小步距移动牙齿，避免过大步距对患者造成医源性损伤。

1.2 前牙伸长移动的生物力学

隐形矫治器不能有效实现前牙伸长，上颌中切牙的伸长实现率最低，仅为18%[1]。隐形矫治器伸长牙齿时会发生矫治器从牙冠牙合向脱位的趋势，多项研究表明牙冠表面放置附件是实现牙齿伸长的必要条件。Savignano等[11]研究发现在上中切牙腭侧放置矩形附件后，隐形矫治器产生的切牙伸长效果最好；而田姗璨等[12]发现在尖牙唇侧龈方放置水平矩形附件对尖牙的伸长效果最好，并且随着附件尺寸在一定范围内的增大，伸长效果随之增强，但过大的附件易使尖牙发生舌向倾斜。上述两项研究因为研究对象(切牙与尖牙)的形态不同，所以最能有效实现牙齿伸长的附件放置位置(腭侧和唇侧)也不同。

2 矢状向牙移动的生物力学

2.1 磨牙远中移动的生物力学

远中移动磨牙可以增加牙弓长度获得间隙，解除牙列轻、中度拥挤，改善磨牙矢状向关系，是正畸临床上常用的矫治方法。无托槽隐形矫治器作为一种推力矫治器，其远中移动磨牙的实现率可达到88%[1]。隐形矫治器在远中移动磨牙的过程中会使磨牙产生远中倾斜和旋转的移动趋势。隐形矫治器远中移动第二磨牙时，与固定矫治器相比，第二磨牙发生的旋转度更小，虽然隐形矫治器对牙周膜的最大应力值较固定矫治器高但应力分布更加均匀，因此隐形矫治器能够更好的控制磨牙的倾斜程度及旋转程度[13]。在隐形矫治技术体系中，隐形矫治器通过包裹全牙列，将支抗牙连成一个整体，因此隐形矫治器对支抗牙的控制也优于固定矫治器[13-14]。这提示在正畸治疗前应评估前牙区唇侧骨板的厚度，并在正畸过程中适当增强前牙区的支抗，如颌间牵引或利用种植钉进行颌内牵引，避免前牙区支抗牙发生唇/颊倾、压低移动而造成支抗丢失。

2.2 磨牙近中移动的生物力学

曾红等[17]的研究表明隐形矫治器近中移动磨牙时，无论是否放置附件均使磨牙发生近中倾斜移动，但放置控根附件可以提高磨牙近中移动的效率。这提示临床应用隐形矫治器近中移动磨牙时仅依赖放置附件可能无法对磨牙的轴倾度进行良好控制，需要配合应用长臂牵引钩等辅助装置实现磨牙整体近中移动。

2.3 前牙内收的生物力学

对于牙性或轻度骨性的突面型患者，临床上多选择拔除第一前磨牙后，设计强支抗内收前牙来改善患者的侧貌。在隐形矫治器整体内收上颌前牙的三维有限元模型中，前牙表现出向舌侧、远中倾斜移动以及覆牙合加深的趋势，后牙则表现出向近中倾斜移动的趋势[18-19]，这与临床隐形矫治病例的实际状况相一致[20]，可能与隐形矫治器刚度不足以及内收力作用在上前牙阻抗中心牙合方有关。因此，在隐形矫治器整体内收前牙时，应适当增加上颌前牙的根舌向转矩，同时配合前牙压低，并加强后牙支抗保护，防止出现“过山车效应”。

安世英等[21]在上颌切牙整体内收0.15 mm的同时添加5°根舌向转矩，明显改善了前牙倾斜移动的趋势，但仍未实现其整体移动，前牙整体内收过程中需要添加的根舌向转矩量还有待研究。Zhu等[22]设计前牙整体内收时配合前牙压低，部分缓解了“过山车效应”，但前牙伸长的问题仍然存在。也有学者发现随着切牙内收量的减少、压低量的增加，隐形矫治器对切牙的控根能力增加；此外，后牙区放置附件能有效提高切牙内收时切牙的压低效率[23]。

微种植体支抗能实现对正畸牙移动的良好控制，且具有微创、简便、舒适等优点，因此不少医师借鉴固定矫治技术的经验在隐形矫治拔牙病例中使用微种植体支抗辅助内收前牙，这缺乏隐形矫治生物力学的理论依据。为避免隐形矫治器内收前牙时发生“钟摆效应”而造成覆牙合加深，Liu等[24]设计了在上颌前牙区植入微种植体支抗进行弹性牵引，有效地实现了切牙的压低和根腭向转矩的控制，且牵引位点在切牙的舌侧比唇侧更有优势，不易使前磨牙区发生开牙合，并能避免应力集中造成的切牙牙根吸收和牙槽骨缺损。白煜等[25-27]为更好地实现隐形矫治器对拔牙病例的三维方向控制，开展了后牙区微种植体辅助隐形矫治器内收上前牙的三维有限元研究。该项研究对前牙的两种内收方式分别进行了分析：设计分步内收，隐形矫治器仅远中移动尖牙时，由切牙提供了部分支抗，在尖牙区矫治器上设计牵引能减小切牙牙冠唇向移动趋势和后牙牙冠近中移动趋势，更有利于保护前、后牙支抗；设计整体内收，隐形矫治器远中移动全部前牙时，相较于在矫治器上施加牵引力，在尖牙上施加牵引力时上切牙的冠根位移相差最小，切牙更趋向于整体移动，并且后牙牙冠的近中移动趋势更小，因此整体内收时在尖牙上设计牵引更有利于前牙转矩、前牙垂直向和后牙支抗的控制。但上述两种牵引方式均不能明显增加隐形矫治器对尖牙的轴向和垂直向控制。隐形矫治技术中可通过设计过矫治，在一定程度上提高隐形矫治的效率，但目前尚缺乏对过矫治设计的相关研究。

3 水平向牙移动的生物力学

3.1 扩弓的生物力学

隐形矫治器的扩弓主要是使牙齿发生颊向倾斜移动的牙性扩弓，且牙齿移动结果与目标位设计之间往往存在差异，在前磨牙区扩弓效果较好，而在尖牙和第二磨牙区扩弓效果差，但不同区域的实际扩弓量均无法达到目标位所设计的扩弓量[28-29]。苏涛等[30]发现，在上颌扩弓时刚度较大的隐形矫治器有利于对牙齿实现三维方向的控制，但不同刚度的隐形矫治器均会造成后牙颊向倾斜移动。这些发现提示临床医生应注意评估扩弓区域的牙齿初始位置，对于颊向倾斜度较大的后牙，应适当减小扩弓量，并预设更多的牙冠负转矩，防止后牙颊向倾斜过多对咬合产生不利影响。后牙颊向倾斜度大也表明牙齿对上颌骨横向不足的代偿已达到极限，临床医生应避免传统的牙性扩弓，考虑隐形矫治器配合骨性扩弓装置进行矫治。

3.2 关闭邻面去釉间隙的生物力学

邻面去釉可以减少牙齿唇倾量从而降低唇侧骨壁吸收风险，还可以消除“黑三角”改善前牙区的外观[31]。隐形矫治器关闭邻面去釉间隙时，上颌前牙表现为牙冠近中、唇向倾斜趋势，牙周组织无明显应力集中，不会对牙周组织造成损伤[32]。研究表明放置附件能有效实现牙齿整体移动，关闭邻面去釉间隙[33]。Hong等[34]应用三维有限元研究分析其所设计的悬垂附件能比常规附件更好地实现牙齿的整体移动，这是因为该附件形态所带来的矫治力更靠近牙齿阻抗中心。

4 个别牙移动的生物力学

4.1 牙齿旋转移动的生物力学

研究表明，隐形矫治器不能有效地矫正牙齿的扭转，尤其是类圆柱形牙齿(如尖牙和前磨牙)，尖牙旋转移动的实现率仅为36%[1]。隐形矫治器旋转牙齿时附件起到了协同作用，陈周艳等[35]发现隐形矫治器旋转尖牙时，尖牙的位移及牙周膜应力可因尖牙放置了矩形附件而增大，并随矩形附件厚度的增加而增大；此外，矩形附件越靠近唇面外形高点越有利于矫治器对尖牙旋转移动的控制。

Cortona等[36]进行有限元研究发现：第一前磨牙至第一磨牙颊侧均放置矩形附件并在第二前磨牙设置1.2°的旋转角度能够有效扭正第二前磨牙，且每副矫治器设置的旋转角度不应超过1.2°。Simon等[37]也证明了每副矫治器的旋转量对旋转移动的实现率有很大影响：前磨牙旋转移动时，当每副矫治器的旋转量<1.5°时，实现率为41.8%；而每副矫治器的旋转量>1.5°时，实现率下降至23.0%。综上所述，对于严重扭转的类圆柱形牙齿，仅依靠隐形矫治器解决扭转会导致疗程变长，可放置舌侧扣配合交互牵引快速解决扭转，正畸术后可行嵴上纤维环切术防止扭转牙复发。

切牙的牙冠形态似铲形，有利于隐形矫治器对切牙施加旋转移动所需要的力偶，因此隐形矫治器旋转切牙的实现率与旋转尖牙、前磨牙相比较高，上颌中切牙旋转移动的实现率为55%，下颌侧切牙旋转移动的实现率为52%[38]。Seo等[39]研究隐形矫治器的厚度变化对扭转下中切牙的牙周膜应力和牙齿旋转中心的影响规律，发现隐形矫治器的厚度增加会导致牙齿旋转中心进一步偏离牙齿的轴心，且会使牙周膜应力增大，这表明不是越厚的矫治器对扭转牙的控制越好，过厚的矫治器反而会对牙周膜产生过大的应力，影响牙周组织的健康和正畸牙齿的移动。

4.2 尖牙整体移动的生物力学

尖牙是全牙列中牙根最长的牙齿，位于口角处，起支撑口角的作用，其移动方式和终末位置影响正畸治疗的最终效果，因此隐形矫治器对尖牙整体移动的控制能力受到学者们的广泛关注。与固定矫治一样，隐形矫治器远中移动尖牙会使尖牙发生倾斜移动，但牙齿及牙周膜所受应力比固定矫治器更小且分布更合理，牙齿旋转中心更接近根尖[40]。

有学者发现对尖牙牙冠施加远中移动的矫治力、同时施加逆时针力矩，可以减少尖牙倾斜移动的趋势，当施加的力矩比(moment-to-force ratio,M/F)为7.25至7.50时, 尖牙牙周膜近中面广泛牵张、远中面广泛受压，尖牙接近整体移动[41]。Gomez等[42]发现隐形矫治器远中移动上颌尖牙时，设计复合附件者会产生与整体移动相似的力系统，无附件设计者则发生倾斜移动，这说明放置附件是实现尖牙整体远中移动所必须的。

多项隐形矫治器移动下颌尖牙的有限元研究表明，尖牙的初始位移和牙周膜应力分布主要由尖牙的移动类型和移动量所决定[43-44]。在尖牙舌侧设计与矫治器接触面积较大的附件，更有利于对尖牙的控制[44]。临床上对于尖牙移动时附件类型、尺寸的选择，应在考虑增大矫治器包裹性的同时，也要避免附件对矫治器的固位力过大、影响患者摘戴矫治器。

上述有关尖牙移动的有限元研究，均仅对尖牙进行了位移和应力分析，并未分析其余牙齿的应力情况，为了真实反应临床矫治过程，应该建立完整牙列的有限元模型，对所有牙齿均进行应力分布和位移趋势的分析。

4.3 切牙唇舌向倾斜移动的生物力学

实现牙齿的转矩移动，需要在牙齿上施加一对力偶，Hanh等[45]在对上中切牙进行转矩移动时，发现隐形矫治器初始戴入牙齿时，矫治器与牙面不能完全贴合，这种不贴合影响有效力偶的形成，除了产生转矩移动所需的唇腭向力外，还产生了压低力。Brockmeyer等[46]发现隐形矫治器的切牙切端被修剪后矫治器对唇腭向倾斜移动中切牙的作用力改变，水平向和垂直向的分力显著减小，垂直向的压低力减小至消失，这与Hanh等[45]的研究结果一致。上述研究说明，隐形矫治器对牙冠进行全包裹，在进行中切牙唇腭向倾斜移动时，矫治器对牙冠产生了非预期的压低力，在磨除中切牙切端的矫治器后，这种压低力得以消除，也说明了压低力是由矫治器切端产生的。

5 小 结

目前绝大部分无托槽隐形矫治技术的生物力学研究以体外研究为主，不能真实反应正畸治疗中牙周组织和颌骨组织的生物学改建和重塑。构建更真实模拟隐形矫治器作用于牙及牙周组织的模型，更精确地研究正畸隐形矫治器的生物力学机制是未来研究所面临的挑战。