無托槽隱形矯治技術(shù)的生物力學(xué)研究進(jìn)展

楊婉琪，李熙恒，李 慧，于曉藝，朱憲春

近年來，成年患者在正畸患者中所占的比例不斷增加，與傳統(tǒng)固定矯治器相比，他們更傾向于選擇美觀、舒適的無托槽隱形矯治器(clear aligner，CA)[1]。隱形矯治器因其美觀、舒適、利于牙周健康[2]、緊急情況少、椅旁操作時間短等優(yōu)勢得到了醫(yī)生和患者的青睞。新冠病毒大流行期間，進(jìn)行固定矯治的正畸患者受疫情影響無法正常復(fù)診，導(dǎo)致正畸療程延長，而佩戴隱形矯治器的患者較少發(fā)生緊急情況，疫情對正畸的療程、療效影響較小[3]。

牙周組織與頜骨組織因受到矯治力而發(fā)生改建和重塑是正畸牙移動的生物學(xué)基礎(chǔ)。矯治力作用于牙齒的部位、方向、大小和時間影響牙周組織反應(yīng)，最終影響牙齒移動。隱形矯治技術(shù)的主要矯治力來源于矯治器發(fā)生彈性形變后產(chǎn)生的分布式反作用力。然而，隱形矯治器本身的形狀復(fù)雜，對牙冠表面施加矯治力的部位不確定，產(chǎn)生的力和力矩也不確定，且因牙冠外形存在個體差異，隱形矯治器與牙冠之間的相互作用因人而異[4]，因此，隱形矯治器的生物力學(xué)機(jī)制成為了學(xué)者研究的熱點(diǎn)。有限元分析法(finite element method，F(xiàn)EM)是一種常用的理論應(yīng)力分析方法，自1980年Takahashi等[5]首次在口腔正畸學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用有限元分析法以來，其已經(jīng)成為研究正畸生物力學(xué)的重要方法之一。此外，主要的體外應(yīng)力研究方法還有Hahn等[6]建立的位移測量法和Kohda等[7]建立的電阻應(yīng)變計測量法。這兩種測量方法能分析牙齒在受到隱形矯治器作用的一段時間內(nèi)的受力情況，但尚未將牙周組織納入測量研究，因此無法獲得牙周膜的應(yīng)力狀況，而三維有限元分析是目前體外應(yīng)力研究中唯一將牙周組織納入測量研究的方法。

1 垂直向牙移動的生物力學(xué)

1.1 前牙壓低移動的生物力學(xué)

研究表明，隱形矯治器的前牙壓低效果與固定矯治器相當(dāng)，上頜中切牙和下頜中切牙的壓低實現(xiàn)率最高，分別為45%和47%，上頜側(cè)切牙的壓低實現(xiàn)率最低，僅達(dá)到33%[1]。有學(xué)者研究前牙壓低移動時，發(fā)現(xiàn)下切牙唇傾度偏離正常值越大，其受壓低力后牙根唇、舌側(cè)所受到應(yīng)力值隨之增加[8]，這提示隱形矯治器壓低前牙時應(yīng)先恢復(fù)前牙的唇傾度，使牙根直立于基骨中后，在骨松質(zhì)中對牙齒進(jìn)行壓低。

蔡永清等[9]進(jìn)行隱形矯治器壓低下頜尖牙的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，尖牙的初始位移和牙周膜應(yīng)力均隨矯治器的壓低步距、厚度和彈性模量的增大而增加。但是矯治器的厚度和彈性模量是矯治器的物理屬性，醫(yī)生無法改變這兩個參數(shù)，若想加速正畸牙齒壓低移動，就只能增加矯治器的壓低步距來實現(xiàn)。需要考慮的是，應(yīng)在牙周組織正常應(yīng)力范圍內(nèi)增大矯治器的壓低步距，因此僅通過增大矯治器的壓低步距來加速牙齒壓低移動是很有限的，應(yīng)考慮應(yīng)用其他措施加速治療。

Ma等[10]認(rèn)為唇傾度正常的輕度、中度和重度牙周病患者的最佳步距分別小于0.18 mm、0.15 mm和0.10 mm，這僅是一理論分析結(jié)果，臨床應(yīng)用還有待研究和驗證。臨床上牙周病患者的情況大多比較復(fù)雜，應(yīng)用隱形矯治技術(shù)治療牙周病患者時應(yīng)嚴(yán)格遵循適應(yīng)證，盡量小步距移動牙齒，避免過大步距對患者造成醫(yī)源性損傷。

1.2 前牙伸長移動的生物力學(xué)

隱形矯治器不能有效實現(xiàn)前牙伸長，上頜中切牙的伸長實現(xiàn)率最低，僅為18%[1]。隱形矯治器伸長牙齒時會發(fā)生矯治器從牙冠牙合向脫位的趨勢，多項研究表明牙冠表面放置附件是實現(xiàn)牙齒伸長的必要條件。Savignano等[11]研究發(fā)現(xiàn)在上中切牙腭側(cè)放置矩形附件后，隱形矯治器產(chǎn)生的切牙伸長效果最好；而田姍璨等[12]發(fā)現(xiàn)在尖牙唇側(cè)齦方放置水平矩形附件對尖牙的伸長效果最好，并且隨著附件尺寸在一定范圍內(nèi)的增大，伸長效果隨之增強(qiáng)，但過大的附件易使尖牙發(fā)生舌向傾斜。上述兩項研究因為研究對象(切牙與尖牙)的形態(tài)不同，所以最能有效實現(xiàn)牙齒伸長的附件放置位置(腭側(cè)和唇側(cè))也不同。

2 矢狀向牙移動的生物力學(xué)

2.1 磨牙遠(yuǎn)中移動的生物力學(xué)

遠(yuǎn)中移動磨牙可以增加牙弓長度獲得間隙，解除牙列輕、中度擁擠，改善磨牙矢狀向關(guān)系，是正畸臨床上常用的矯治方法。無托槽隱形矯治器作為一種推力矯治器，其遠(yuǎn)中移動磨牙的實現(xiàn)率可達(dá)到88%[1]。隱形矯治器在遠(yuǎn)中移動磨牙的過程中會使磨牙產(chǎn)生遠(yuǎn)中傾斜和旋轉(zhuǎn)的移動趨勢。隱形矯治器遠(yuǎn)中移動第二磨牙時，與固定矯治器相比，第二磨牙發(fā)生的旋轉(zhuǎn)度更小，雖然隱形矯治器對牙周膜的最大應(yīng)力值較固定矯治器高但應(yīng)力分布更加均勻，因此隱形矯治器能夠更好的控制磨牙的傾斜程度及旋轉(zhuǎn)程度[13]。在隱形矯治技術(shù)體系中，隱形矯治器通過包裹全牙列，將支抗牙連成一個整體，因此隱形矯治器對支抗牙的控制也優(yōu)于固定矯治器[13-14]。這提示在正畸治療前應(yīng)評估前牙區(qū)唇側(cè)骨板的厚度，并在正畸過程中適當(dāng)增強(qiáng)前牙區(qū)的支抗，如頜間牽引或利用種植釘進(jìn)行頜內(nèi)牽引，避免前牙區(qū)支抗牙發(fā)生唇/頰傾、壓低移動而造成支抗丟失。

2.2 磨牙近中移動的生物力學(xué)

曾紅等[17]的研究表明隱形矯治器近中移動磨牙時，無論是否放置附件均使磨牙發(fā)生近中傾斜移動，但放置控根附件可以提高磨牙近中移動的效率。這提示臨床應(yīng)用隱形矯治器近中移動磨牙時僅依賴放置附件可能無法對磨牙的軸傾度進(jìn)行良好控制，需要配合應(yīng)用長臂牽引鉤等輔助裝置實現(xiàn)磨牙整體近中移動。

2.3 前牙內(nèi)收的生物力學(xué)

對于牙性或輕度骨性的突面型患者，臨床上多選擇拔除第一前磨牙后，設(shè)計強(qiáng)支抗內(nèi)收前牙來改善患者的側(cè)貌。在隱形矯治器整體內(nèi)收上頜前牙的三維有限元模型中，前牙表現(xiàn)出向舌側(cè)、遠(yuǎn)中傾斜移動以及覆牙合加深的趨勢，后牙則表現(xiàn)出向近中傾斜移動的趨勢[18-19]，這與臨床隱形矯治病例的實際狀況相一致[20]，可能與隱形矯治器剛度不足以及內(nèi)收力作用在上前牙阻抗中心牙合方有關(guān)。因此，在隱形矯治器整體內(nèi)收前牙時，應(yīng)適當(dāng)增加上頜前牙的根舌向轉(zhuǎn)矩，同時配合前牙壓低，并加強(qiáng)后牙支抗保護(hù)，防止出現(xiàn)“過山車效應(yīng)”。

安世英等[21]在上頜切牙整體內(nèi)收0.15 mm的同時添加5°根舌向轉(zhuǎn)矩，明顯改善了前牙傾斜移動的趨勢，但仍未實現(xiàn)其整體移動，前牙整體內(nèi)收過程中需要添加的根舌向轉(zhuǎn)矩量還有待研究。Zhu等[22]設(shè)計前牙整體內(nèi)收時配合前牙壓低，部分緩解了“過山車效應(yīng)”，但前牙伸長的問題仍然存在。也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)隨著切牙內(nèi)收量的減少、壓低量的增加，隱形矯治器對切牙的控根能力增加；此外，后牙區(qū)放置附件能有效提高切牙內(nèi)收時切牙的壓低效率[23]。

微種植體支抗能實現(xiàn)對正畸牙移動的良好控制，且具有微創(chuàng)、簡便、舒適等優(yōu)點(diǎn)，因此不少醫(yī)師借鑒固定矯治技術(shù)的經(jīng)驗在隱形矯治拔牙病例中使用微種植體支抗輔助內(nèi)收前牙，這缺乏隱形矯治生物力學(xué)的理論依據(jù)。為避免隱形矯治器內(nèi)收前牙時發(fā)生“鐘擺效應(yīng)”而造成覆牙合加深，Liu等[24]設(shè)計了在上頜前牙區(qū)植入微種植體支抗進(jìn)行彈性牽引，有效地實現(xiàn)了切牙的壓低和根腭向轉(zhuǎn)矩的控制，且牽引位點(diǎn)在切牙的舌側(cè)比唇側(cè)更有優(yōu)勢，不易使前磨牙區(qū)發(fā)生開牙合，并能避免應(yīng)力集中造成的切牙牙根吸收和牙槽骨缺損。白煜等[25-27]為更好地實現(xiàn)隱形矯治器對拔牙病例的三維方向控制，開展了后牙區(qū)微種植體輔助隱形矯治器內(nèi)收上前牙的三維有限元研究。該項研究對前牙的兩種內(nèi)收方式分別進(jìn)行了分析：設(shè)計分步內(nèi)收，隱形矯治器僅遠(yuǎn)中移動尖牙時，由切牙提供了部分支抗，在尖牙區(qū)矯治器上設(shè)計牽引能減小切牙牙冠唇向移動趨勢和后牙牙冠近中移動趨勢，更有利于保護(hù)前、后牙支抗；設(shè)計整體內(nèi)收，隱形矯治器遠(yuǎn)中移動全部前牙時，相較于在矯治器上施加牽引力，在尖牙上施加牽引力時上切牙的冠根位移相差最小，切牙更趨向于整體移動，并且后牙牙冠的近中移動趨勢更小，因此整體內(nèi)收時在尖牙上設(shè)計牽引更有利于前牙轉(zhuǎn)矩、前牙垂直向和后牙支抗的控制。但上述兩種牽引方式均不能明顯增加隱形矯治器對尖牙的軸向和垂直向控制。隱形矯治技術(shù)中可通過設(shè)計過矯治，在一定程度上提高隱形矯治的效率，但目前尚缺乏對過矯治設(shè)計的相關(guān)研究。

3 水平向牙移動的生物力學(xué)

3.1 擴(kuò)弓的生物力學(xué)

隱形矯治器的擴(kuò)弓主要是使牙齒發(fā)生頰向傾斜移動的牙性擴(kuò)弓，且牙齒移動結(jié)果與目標(biāo)位設(shè)計之間往往存在差異，在前磨牙區(qū)擴(kuò)弓效果較好，而在尖牙和第二磨牙區(qū)擴(kuò)弓效果差，但不同區(qū)域的實際擴(kuò)弓量均無法達(dá)到目標(biāo)位所設(shè)計的擴(kuò)弓量[28-29]。蘇濤等[30]發(fā)現(xiàn)，在上頜擴(kuò)弓時剛度較大的隱形矯治器有利于對牙齒實現(xiàn)三維方向的控制，但不同剛度的隱形矯治器均會造成后牙頰向傾斜移動。這些發(fā)現(xiàn)提示臨床醫(yī)生應(yīng)注意評估擴(kuò)弓區(qū)域的牙齒初始位置，對于頰向傾斜度較大的后牙，應(yīng)適當(dāng)減小擴(kuò)弓量，并預(yù)設(shè)更多的牙冠負(fù)轉(zhuǎn)矩，防止后牙頰向傾斜過多對咬合產(chǎn)生不利影響。后牙頰向傾斜度大也表明牙齒對上頜骨橫向不足的代償已達(dá)到極限，臨床醫(yī)生應(yīng)避免傳統(tǒng)的牙性擴(kuò)弓，考慮隱形矯治器配合骨性擴(kuò)弓裝置進(jìn)行矯治。

3.2 關(guān)閉鄰面去釉間隙的生物力學(xué)

鄰面去釉可以減少牙齒唇傾量從而降低唇側(cè)骨壁吸收風(fēng)險，還可以消除“黑三角”改善前牙區(qū)的外觀[31]。隱形矯治器關(guān)閉鄰面去釉間隙時，上頜前牙表現(xiàn)為牙冠近中、唇向傾斜趨勢，牙周組織無明顯應(yīng)力集中，不會對牙周組織造成損傷[32]。研究表明放置附件能有效實現(xiàn)牙齒整體移動，關(guān)閉鄰面去釉間隙[33]。Hong等[34]應(yīng)用三維有限元研究分析其所設(shè)計的懸垂附件能比常規(guī)附件更好地實現(xiàn)牙齒的整體移動，這是因為該附件形態(tài)所帶來的矯治力更靠近牙齒阻抗中心。

4 個別牙移動的生物力學(xué)

4.1 牙齒旋轉(zhuǎn)移動的生物力學(xué)

研究表明，隱形矯治器不能有效地矯正牙齒的扭轉(zhuǎn)，尤其是類圓柱形牙齒(如尖牙和前磨牙)，尖牙旋轉(zhuǎn)移動的實現(xiàn)率僅為36%[1]。隱形矯治器旋轉(zhuǎn)牙齒時附件起到了協(xié)同作用，陳周艷等[35]發(fā)現(xiàn)隱形矯治器旋轉(zhuǎn)尖牙時，尖牙的位移及牙周膜應(yīng)力可因尖牙放置了矩形附件而增大，并隨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點(diǎn)越有利于矯治器對尖牙旋轉(zhuǎn)移動的控制。

Cortona等[36]進(jìn)行有限元研究發(fā)現(xiàn)：第一前磨牙至第一磨牙頰側(cè)均放置矩形附件并在第二前磨牙設(shè)置1.2°的旋轉(zhuǎn)角度能夠有效扭正第二前磨牙，且每副矯治器設(shè)置的旋轉(zhuǎn)角度不應(yīng)超過1.2°。Simon等[37]也證明了每副矯治器的旋轉(zhuǎn)量對旋轉(zhuǎn)移動的實現(xiàn)率有很大影響：前磨牙旋轉(zhuǎn)移動時，當(dāng)每副矯治器的旋轉(zhuǎn)量<1.5°時，實現(xiàn)率為41.8%；而每副矯治器的旋轉(zhuǎn)量>1.5°時，實現(xiàn)率下降至23.0%。綜上所述，對于嚴(yán)重扭轉(zhuǎn)的類圓柱形牙齒，僅依靠隱形矯治器解決扭轉(zhuǎn)會導(dǎo)致療程變長，可放置舌側(cè)扣配合交互牽引快速解決扭轉(zhuǎn)，正畸術(shù)后可行嵴上纖維環(huán)切術(shù)防止扭轉(zhuǎn)牙復(fù)發(fā)。

切牙的牙冠形態(tài)似鏟形，有利于隱形矯治器對切牙施加旋轉(zhuǎn)移動所需要的力偶，因此隱形矯治器旋轉(zhuǎn)切牙的實現(xiàn)率與旋轉(zhuǎn)尖牙、前磨牙相比較高，上頜中切牙旋轉(zhuǎn)移動的實現(xiàn)率為55%，下頜側(cè)切牙旋轉(zhuǎn)移動的實現(xiàn)率為52%[38]。Seo等[39]研究隱形矯治器的厚度變化對扭轉(zhuǎn)下中切牙的牙周膜應(yīng)力和牙齒旋轉(zhuǎn)中心的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隱形矯治器的厚度增加會導(dǎo)致牙齒旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)一步偏離牙齒的軸心，且會使牙周膜應(yīng)力增大，這表明不是越厚的矯治器對扭轉(zhuǎn)牙的控制越好，過厚的矯治器反而會對牙周膜產(chǎn)生過大的應(yīng)力，影響牙周組織的健康和正畸牙齒的移動。

4.2 尖牙整體移動的生物力學(xué)

尖牙是全牙列中牙根最長的牙齒，位于口角處，起支撐口角的作用，其移動方式和終末位置影響正畸治療的最終效果，因此隱形矯治器對尖牙整體移動的控制能力受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。與固定矯治一樣，隱形矯治器遠(yuǎn)中移動尖牙會使尖牙發(fā)生傾斜移動，但牙齒及牙周膜所受應(yīng)力比固定矯治器更小且分布更合理，牙齒旋轉(zhuǎn)中心更接近根尖[40]。

有學(xué)者發(fā)現(xiàn)對尖牙牙冠施加遠(yuǎn)中移動的矯治力、同時施加逆時針力矩，可以減少尖牙傾斜移動的趨勢，當(dāng)施加的力矩比(moment-to-force ratio,M/F)為7.25至7.50時, 尖牙牙周膜近中面廣泛牽張、遠(yuǎn)中面廣泛受壓，尖牙接近整體移動[41]。Gomez等[42]發(fā)現(xiàn)隱形矯治器遠(yuǎn)中移動上頜尖牙時，設(shè)計復(fù)合附件者會產(chǎn)生與整體移動相似的力系統(tǒng)，無附件設(shè)計者則發(fā)生傾斜移動，這說明放置附件是實現(xiàn)尖牙整體遠(yuǎn)中移動所必須的。

多項隱形矯治器移動下頜尖牙的有限元研究表明，尖牙的初始位移和牙周膜應(yīng)力分布主要由尖牙的移動類型和移動量所決定[43-44]。在尖牙舌側(cè)設(shè)計與矯治器接觸面積較大的附件，更有利于對尖牙的控制[44]。臨床上對于尖牙移動時附件類型、尺寸的選擇，應(yīng)在考慮增大矯治器包裹性的同時，也要避免附件對矯治器的固位力過大、影響患者摘戴矯治器。

上述有關(guān)尖牙移動的有限元研究，均僅對尖牙進(jìn)行了位移和應(yīng)力分析，并未分析其余牙齒的應(yīng)力情況，為了真實反應(yīng)臨床矯治過程，應(yīng)該建立完整牙列的有限元模型，對所有牙齒均進(jìn)行應(yīng)力分布和位移趨勢的分析。

4.3 切牙唇舌向傾斜移動的生物力學(xué)

實現(xiàn)牙齒的轉(zhuǎn)矩移動，需要在牙齒上施加一對力偶，Hanh等[45]在對上中切牙進(jìn)行轉(zhuǎn)矩移動時，發(fā)現(xiàn)隱形矯治器初始戴入牙齒時，矯治器與牙面不能完全貼合，這種不貼合影響有效力偶的形成，除了產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩移動所需的唇腭向力外，還產(chǎn)生了壓低力。Brockmeyer等[46]發(fā)現(xiàn)隱形矯治器的切牙切端被修剪后矯治器對唇腭向傾斜移動中切牙的作用力改變，水平向和垂直向的分力顯著減小，垂直向的壓低力減小至消失，這與Hanh等[45]的研究結(jié)果一致。上述研究說明，隱形矯治器對牙冠進(jìn)行全包裹，在進(jìn)行中切牙唇腭向傾斜移動時，矯治器對牙冠產(chǎn)生了非預(yù)期的壓低力，在磨除中切牙切端的矯治器后，這種壓低力得以消除，也說明了壓低力是由矯治器切端產(chǎn)生的。

5 小 結(jié)

目前絕大部分無托槽隱形矯治技術(shù)的生物力學(xué)研究以體外研究為主，不能真實反應(yīng)正畸治療中牙周組織和頜骨組織的生物學(xué)改建和重塑。構(gòu)建更真實模擬隱形矯治器作用于牙及牙周組織的模型，更精確地研究正畸隱形矯治器的生物力學(xué)機(jī)制是未來研究所面臨的挑戰(zhàn)。