可摘局部义齿卡环固位力的研究现状

戴沄 吴国锋

卡环一般用作可摘局部义齿的直接固位体,是用于抵抗义齿脱位、维持义齿稳定的重要部件,其工作原理是利用卡环材料的弹性性能,在义齿摘戴过程中卡环臂尖端受力发生微小形变,可快速通过基牙外形高点进入牙冠的倒凹区域并回弹至原形状,这样限制卡环保持在基牙倒凹区域从而起到义齿固位的作用。随着可摘局部义齿摘戴次数的增加,卡环的固位力会显著下降,直接影响义齿的使用效果[1]。过大或过小的卡环固位力对临床都是不利的,过大固位力在义齿摘戴时卡环会对基牙产生过大的有害力量,而过小固位力难以满足义齿固位与稳定的要求。那么,究竟多大的卡环固位力是适宜的呢?目前虽然国内外已开展了较多研究但结果并不一致,尚未形成共识。例如Sato[2]和Kim等[3]通过研究认为单个卡环的固位力应至少达到5 N才能保证可摘局部义齿正常行使功能,而Frank等[4]则认为用于修复牙列双侧游离端缺失的可摘局部义齿整体只需要3～7.5 N的固位力即可满足需求。现有研究工作虽涵盖了不同类型材料、不同加工工艺以及不同设计形式的卡环固位力研究,但存在问题是绝大多数研究都是在体外实验室条件下进行的卡环固位力研究,未能在患者口内实际测量卡环的实际脱位力大小及其变化情况。本文将综述相关文献报道,结合作者开展工作从测量方法、材料影响、工艺影响和设计影响4 个方面对卡环固位力的研究现状进行综述,也对研究中存在的不足进行了评述。

1 测量方法

现有研究中对于可摘局部义齿卡环的固位力测量基本采用体外模拟测试的方法,常用的设备是材料万能试验机或咀嚼模拟器等大型实验室仪器[5-9]。具体测量时需先定制卡环标准试件,然后通过专用夹具固定基牙卡环试件的悬臂夹持部分,设定卡环脱位方向并沿此操作夹具使其匀匀速位移脱位,记录相应的脱位力-位移曲线及卡环脱位瞬间的力量峰值。此方法不足之处在于预先设定卡环脱位时不会偏离基牙就位道方向,然而真实临床条件下卡环受手指用力方向及基牙动度影响必然会发生脱位路径上的轨迹偏倚,而这种变化会极大影响卡环的固位力大小。Marie等[10]的研究就表明卡环摘戴方向与理想脱位方向发生偏移的角度会显著影响固位力的测试结果,当卡环脱位方向偏移预设脱位方向10°时万能材料试验机测得的钴铬合金卡环固位力由(8.89±0.95) N增加至(10.20±1.00) N。此外,这种使用悬臂夹持的研究方法仅能一次测试卡环单个方向上的脱位运动,而实际患者在摘戴卡环过程中卡环会发生三维空间中同时不同方向的运动位移,这种多维的运动位移可能会使得卡环出现机械制锁效应,从而使得卡环脱位力变大。

干湿测试环境以及不同基牙材料也会显著影响卡环的固位力。LaVere[11]在对5 种不同类型卡环固位力研究中,发现天然牙基牙较金合金全冠基牙表面提供更大的摩擦力,干燥或湿润测试环境对研究结果基本无影响。另有研究则认为天然或人工唾液中的黏蛋白具有低溶解和高粘度的特性,可在基牙表面形成润滑层利于卡环脱位[12-13],口腔细菌和酶的作用又会使唾液随时间迁移而润滑度发生改变[13]。Mourshed等[14]观察到圈形卡环及RPA卡环组在天然唾液环境下较在干燥环境卡环的脱位力显著变小,但三臂设计形式的卡环则不受环境干湿度影响。

作者研制出了一种专用于可摘局部义齿卡环固位力测量的设备,体积小巧、测量灵敏、能够在口内直接测量义齿的卡环固位力(图1)[15]。测试时该系统钳式测力计与基牙上卡环抵紧接触,可良好模拟患者摘取卡环时手指固定卡环的实际状态。当口内卡环受力发生脱位形变时,测力计采集的数据经信号实时放大转换为卡环固位力测试软件系统可处理的数字数据。自动生成描述卡环脱位全过程应力的数据包,并输出为时间s为横坐标,固位力测量值N为纵坐标输出卡环脱位的过程曲线。经测试该设备卡环固位力的精密性和正确性测试测量值与实际值之间最大误差仅为0.04 N,符合系统预设精度0.5%FS(0.25 N)的要求。

图1 可摘局部义齿卡环固位力测试系统

2 材料影响

目前临床上可摘局部义齿卡环制作材料以金属材料为主,但最新研究中也报道了非金属材料卡环的应用。不同的金属材料卡环间固位力存在着较大差异,Nakata等[5]测得第一磨牙模型三臂卡环铸造钴铬合金卡环初始固位力(12.9 ± 3.5) N大于钛合金卡环(10.9 ±3.4) N;经卡环摘戴1 000 次后,钴铬合金卡环固位力下降41.1%,均值为7.59 N,钛合金卡环固位力均值下降至6.02 N。作者使用固位力测量系统比较了下颌第一磨牙3D打印纯钛三臂卡环与钴铬卡环,固位力测量系统测得初始固位力纯钛卡环平均值10.35 N,钴铬卡环固位力15.62 N。另有研究表明,前磨牙钴铬T型卡环初始固位力数值虽大于纯钛T型卡环,但无统计学差异,循环摘戴7 205 次后两组卡环的固位力仍维持10 N以上[16]。近年来有文献也报道了聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚甲醛树脂(POM)等非金属材料卡环的固位力研究。Gentz等[6]比较下颌第一磨牙模型钴铬合金、PEEK、PEKK卡环的固位力,平均值分别为11.98、2.74、2.16 N;Tannous等[7]按金属卡环参数标准制作的第一前磨牙非金属卡环(PEEK、PEKK及POM)固位力测试值为1.2～3 N,而金属卡环固位力则为11.3～16.3 N。

3 工艺影响

卡环加工工艺方法包括牙科精密铸造、数字化铣削及3D打印3 种加工工艺。以选择性激光熔融(selective laser melting,SLM)(图2)为代表的3D打印义齿支架技术相比传统牙科精密铸造可显著简化工艺流程、缩短制作时间、提高临床效率,比数字化切削方法节约制作材料、降低能源损耗[17],正逐步成为临床的主流技术。作者使用上述3 种工艺加工制作钴铬卡环与纯钛卡环,结果显示SLM方法制作的钴铬合金卡环固位力(15.62±0.68) N与纯钛卡环固位力((10.35±0.70) N[15]均大于相同材料的铸造卡环,而3D打印纯钛卡环与切削纯钛卡环组间固位力无明显差异,钴铬合金材料切削卡环的固位力大小则介于打印卡环与铸造卡环之间,此外,打印纯钛组卡环较另两组与基牙贴合更加密合[18]。卡环与基牙的接触不紧密会使得其与基牙之间的摩擦系数下降,从而会影响卡环的固位力,使其固位力下降过快[19]。

图2 选择性激光熔融(SLM)支架及卡环

刘春煦等[20]测得SLM钛合金卡环固位力大于传统牙科精密铸造的钛合金卡环固位力,认为 SLM技术成型的钛合金卡环固位力比牙科精密铸造钛合金卡环固位力更高。Tan等[21]报道虽然SLM纯钛卡环初始固位力大于切削和铸造组纯钛卡环,但SLM组卡环反复摘戴2 000 次后固位力明显下降,至4 000 次时样本全部发生断裂,而切削、铸造组卡环在摘戴10 000 次循环过程中固位力下降但幅度不大,且未出现卡环断裂的现象。SLM组卡环观察到断裂位置均位于卡环起始部的20°～30°之间,呈现未完全烧结融化的结构缺陷。因此,3D打印卡环机械性能高于铸造卡环的情况下,对于其打印条件控制、管理,尽量避免结构缺陷,是需要进一步探索的。

4 设计影响

卡环固位力受其进入基牙倒凹深度影响,临床上一般设计卡环进入倒凹深度为0.25 mm的金属卡环固位力即可满足临床需要[22-24],但是对于非金属卡环,由于材料机械性能差异大,其卡环设计进入倒凹深度等设计参数需要进行系统研究。Tannous[7]比较第一前磨牙钴铬三臂卡环与非金属卡环的固位力,1 mm直径的非金属卡环固位力平均值小于4 N,认为无法达到临床需求,因此 设计了1.5 mm直径的PEEK和PEKK卡环。在倒凹0.25 mm情况下,PEEK卡环固位力为(6.7±1.5) N,PEKK为(5.6±1.2) N,远小于直径更小的钴铬卡环(11.3±2.1) N;倒凹为0.5 mm时,PEEK和PEKK卡环固位力分别增加到(8.6±1.2) N和(9.1±1.7) N。在10 000 次摘戴循环过程中,卡环固位力呈现缓慢少量下降,与初始固位力树脂无统计学差异。

另外,卡环根据缺牙位置、数目、基牙条件有多种设计形式,例如常见的T杆、圈型卡环、以及RPA或RPI卡环组等。Rodrigues等[16]制作的前磨牙T卡在0.25 mm/0.5 mm/0.75 mm倒凹深度时初始固位力均达到5 N以上,3 种深度钴铬卡环差异不显著,0.5 mm倒凹深度时纯钛T杆固位力大于0.25 mm与0.75 mm倒凹。研究中,钴铬铸造卡环的推荐倒凹深度一般为0.25 mm,钛的推荐深度为0.5 mm。可摘局部义齿的卡环设计同时需兼顾美观,因其固位区多位于基牙唇颊面,在口腔功能活动时易暴露,给佩戴义齿的患者造成困扰,针对美学区域牙位的卡环常见的有颊侧短固位臂卡环、改良RPI卡环、联合短臂卡环、延长T形卡环或I杆与邻间钩的组合等[25]。邬雪颖等[26]使用改良RPI与变异Y型卡与传统三臂卡环进行固位力比较,0.25 mm倒凹深度时美观卡环经过1 800 次循环后,平均固位力不足5 N;倒凹为0.5 mm和0.75 mm时改良RPI卡环固位力平均值达到5.2 N和7.04 N,变异Y型卡达到10.51 N和9.57 N,可见I杆虽然位置更加隐蔽,但是其在基牙上的接触面积较小,固位力不理想;在材料的弹性限度内,寻求平衡合适的卡环进入基牙倒凹深度与设计形态也是今后卡环固位力的研究方向之一。

5 存在不足

5.1 局限于单个卡环的固位力研究

现有大多数有关卡环固位力的研究对象局限于单颗牙齿模型上放置的单个卡环,而实际情况下口内缺牙情况是异常复杂的,可摘局部义齿根据缺牙数量、部位、基牙情况设计不同,并且支架上的数个卡环之间存在交互作用,直接影响实际的义齿固位力大小,需要对不同类型的可摘局部义齿整体固位力量进行深入研究。Rodrigues等[27]使用第二前磨牙缺失模型制作位于第一前磨牙与第一磨牙的三臂卡环组,测得钴铬钼和纯钛小支架的固位力平均值超过20 N,满足临床实际应用需求。

5.2 集中于金属卡环的固位力研究

现有研究中报道非金属卡环的固位力较小,但是极少有测量非金属卡环组或非金属支架整体固位力大小。作者曾使用PEEK材料制作数字化可摘局部义齿支架、一体化3D局部义齿、颌骨缺损贋复体支架、语音球等,这些患者佩戴义齿时间截止目前超过2 年,对固位效果表示满意[28]。作者另有一项研究[29]针对游离端缺失使用PEKK支架义齿进行修复(图3),义齿固位力基本满足患者进食需求;以上研究初步验证新型非金属材料制作卡环具有临床可行性,急需进一步研究如何改进加工工艺及卡环参数设计增加卡环的固位力。非金属材料的高弹性决定其行使固位功能时能够并且需要加大倒凹深度,同时需要一定的厚度保证强度和抗疲劳性。对于可摘局部义齿支架,数个卡环交互作用及制锁作用下,义齿总体固位力尤其是非金属支架可摘局部义齿是否满足临床需要还缺乏足够的证据。这需要根据材料性能改进卡环参数,改善可摘局部义齿固位性能通过大量的实验,更重要的是结合科学的临床研究验证效果。

图3 非金属(聚醚酮酮PEKK)卡环固位可摘局部义齿口内固位

5.3 受限于体外实验的固位力研究

已有文献报道中的实验测试条件与临床义齿实际使用时的口腔环境不同,实验条件通常在体外,温度、湿度等对口腔环境诸因素进行了极大简化和标准化设置,与临床真实患者自行摘戴的方向、手法存在差异,因此需要在真实口腔环境中模拟实际操作手法的测量装置获得更准确的数据。作者应用自行研制的可摘局部义齿卡环固位力测量系统实际测量了1 例上颌前磨牙C形金属卡环固位力(图4),实测固位力峰值为13.66 N,并且测量系统在口内测量简便,可重复性高,对患者无创伤,该系统可用于对义齿整体的卡环固位力进行后续研究。

图4 口内测量C形卡环固位力

长期的回顾性研究[30-31]发现,卡环折断在观察到的RPD损伤原因中排列第一位(图5)。实际临床应用中,也观察到约50%患者的可摘局部义齿在5年左右需要更换。患者的口腔卫生、饮食习惯、使用义齿习惯对其可摘局部义齿寿命有直接影响,因此,对于可摘局部义齿固位的研究,佩戴义齿后随诊观察也是临床医生需要关注的,义齿卡环对基牙牙周健康的影响、卡环的疲劳性变及固位力的实际变化也是临床医生在诊疗过程中需要长期观察研究的。

图5 卡环疲劳应力下折断