無托槽隱形矯治技術的生物力學研究進展

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勢得到了醫生和患者的青睞。新冠病毒大流行期間，進行固定矯治的正畸患者受疫情影響無法正常復診，導致正畸療程延長，而佩戴隱形矯治器的患者較少發生緊急情況，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生改建和重塑是正畸牙移動的生物學基礎。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，最終影響牙齒移動。隱形矯治技術的主要矯治力來源于矯治器發生彈性形變后產生的分布式反作用力。然而，隱形矯治器本身的形狀復雜，對牙冠表面施加矯治力的部位不確定，產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機制成為了學者研究的熱點。有限元分析法(finite element method，FEM)是一種常用的理論應力分析方法，自1980年Takahashi等[5]首次在口腔正畸學領域應用有限元分析法以來，其已經成為研究正畸生物力學的重要方法之一。此外，主要的體外應力研究方法還有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力狀況，而三維有限元分析是目前體外應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

1.1 前牙壓低移動的生物力學

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

蔡永清等[9]進行隱形矯治器壓低下頜尖牙的相關研究發現，尖牙的初始位移和牙周膜應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，醫生無法改變這兩個參數，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。需要考慮的是，應在牙周組織正常應力范圍內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，應考慮應用其他措施加速治療。

Ma等[10]認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果，臨床應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雜，應用隱形矯治技術治療牙周病患者時應嚴格遵循適應證，盡量小步距移動牙齒，避免過大步距對患者造成醫源性損傷。

1.2 前牙伸長移動的生物力學

隱形矯治器不能有效實現前牙伸長，上頜中切牙的伸長實現率最低，僅為18%[1]。隱形矯治器伸長牙齒時會發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牙齒伸長的必要條件。Savignano等[11]研究發現在上中切牙腭側放置矩形附件后，隱形矯治器產生的切牙伸長效果最好；而田姍璨等[12]發現在尖牙唇側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的增大，伸長效果隨之增強，但過大的附件易使尖牙發生舌向傾斜。上述兩項研究因為研究對象(切牙與尖牙)的形態不同，所以最能有效實現牙齒伸長的附件放置位置(腭側和唇側)也不同。

2 矢狀向牙移動的生物力學

2.1 磨牙遠中移動的生物力學

遠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，其遠中移動磨牙的實現率可達到88%[1]。隱形矯治器在遠中移動磨牙的過程中會使磨牙產生遠中傾斜和旋轉的移動趨勢。隱形矯治器遠中移動第二磨牙時，與固定矯治器相比，第二磨牙發生的旋轉度更小，雖然隱形矯治器對牙周膜的最大應力值較固定矯治器高但應力分布更加均勻，因此隱形矯治器能夠更好的控制磨牙的傾斜程度及旋轉程度[13]。在隱形矯治技術體系中，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于固定矯治器[13-14]。這提示在正畸治療前應評估前牙區唇側骨板的厚度，并在正畸過程中適當增強前牙區的支抗，如頜間牽引或利用種植釘進行頜內牽引，避免前牙區支抗牙發生唇/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

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行良好控制，需要配合應用長臂牽引鉤等輔助裝置實現磨牙整體近中移動。

2.3 前牙內收的生物力學

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，設計強支抗內收前牙來改善患者的側貌。在隱形矯治器整體內收上頜前牙的三維有限元模型中，前牙表現出向舌側、遠中傾斜移動以及覆牙合加深的趨勢，后牙則表現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收力作用在上前牙阻抗中心牙合方有關。因此，在隱形矯治器整體內收前牙時，應適當增加上頜前牙的根舌向轉矩，同時配合前牙壓低，并加強后牙支抗保護，防止出現“過山車效應”。

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

微種植體支抗能實現對正畸牙移動的良好控制，且具有微創、簡便、舒適等優點，因此不少醫師借鑒固定矯治技術的經驗在隱形矯治拔牙病例中使用微種植體支抗輔助內收前牙，這缺乏隱形矯治生物力學的理論依據。為避免隱形矯治器內收前牙時發生“鐘擺效應”而造成覆牙合加深，Liu等[24]設計了在上頜前牙區植入微種植體支抗進行彈性牽引，有效地實現了切牙的壓低和根腭向轉矩的控制，且牽引位點在切牙的舌側比唇側更有優勢，不易使前磨牙區發生開牙合，并能避免應力集中造成的切牙牙根吸收和牙槽骨缺損。白煜等[25-27]為更好地實現隱形矯治器對拔牙病例的三維方向控制，開展了后牙區微種植體輔助隱形矯治器內收上前牙的三維有限元研究。該項研究對前牙的兩種內收方式分別進行了分析：設計分步內收，隱形矯治器僅遠中移動尖牙時，由切牙提供了部分支抗，在尖牙區矯治器上設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，更有利于保護前、后牙支抗；設計整體內收，隱形矯治器遠中移動全部前牙時，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，因此整體內收時在尖牙上設計牽引更有利于前牙轉矩、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。隱形矯治技術中可通過設計過矯治，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計的相關研究。

3 水平向牙移動的生物力學

3.1 擴弓的生物力學

隱形矯治器的擴弓主要是使牙齒發生頰向傾斜移動的牙性擴弓，且牙齒移動結果與目標位設計之間往往存在差異，在前磨牙區擴弓效果較好，而在尖牙和第二磨牙區擴弓效果差，但不同區域的實際擴弓量均無法達到目標位所設計的擴弓量[28-29]。蘇濤等[30]發現，在上頜擴弓時剛度較大的隱形矯治器有利于對牙齒實現三維方向的控制，但不同剛度的隱形矯治器均會造成后牙頰向傾斜移動。這些發現提示臨床醫生應注意評估擴弓區域的牙齒初始位置，對于頰向傾斜度較大的后牙，應適當減小擴弓量，并預設更多的牙冠負轉矩，防止后牙頰向傾斜過多對咬合產生不利影響。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到極限，臨床醫生應避免傳統的牙性擴弓，考慮隱形矯治器配合骨性擴弓裝置進行矯治。

3.2 關閉鄰面去釉間隙的生物力學

鄰面去釉可以減少牙齒唇傾量從而降低唇側骨壁吸收風險，還可以消除“黑三角”改善前牙區的外觀[31]。隱形矯治器關閉鄰面去釉間隙時，上頜前牙表現為牙冠近中、唇向傾斜趨勢，牙周組織無明顯應力集中，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牙齒整體移動，關閉鄰面去釉間隙[33]。Hong等[34]應用三維有限元研究分析其所設計的懸垂附件能比常規附件更好地實現牙齒的整體移動，這是因為該附件形態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

4.1 牙齒旋轉移動的生物力學

研究表明，隱形矯治器不能有效地矯正牙齒的扭轉，尤其是類圓柱形牙齒(如尖牙和前磨牙)，尖牙旋轉移動的實現率僅為36%[1]。隱形矯治器旋轉牙齒時附件起到了協同作用，陳周艷等[35]發現隱形矯治器旋轉尖牙時，尖牙的位移及牙周膜應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越有利于矯治器對尖牙旋轉移動的控制。

Cortona等[36]進行有限元研究發現：第一前磨牙至第一磨牙頰側均放置矩形附件并在第二前磨牙設置1.2°的旋轉角度能夠有效扭正第二前磨牙，且每副矯治器設置的旋轉角度不應超過1.2°。Simon等[37]也證明了每副矯治器的旋轉量對旋轉移動的實現率有很大影響：前磨牙旋轉移動時，當每副矯治器的旋轉量<1.5°時，實現率為41.8%；而每副矯治器的旋轉量>1.5°時，實現率下降至23.0%。綜上所述，對于嚴重扭轉的類圓柱形牙齒，僅依靠隱形矯治器解決扭轉會導致療程變長，可放置舌側扣配合交互牽引快速解決扭轉，正畸術后可行嵴上纖維環切術防止扭轉牙復發。

切牙的牙冠形態似鏟形，有利于隱形矯治器對切牙施加旋轉移動所需要的力偶，因此隱形矯治器旋轉切牙的實現率與旋轉尖牙、前磨牙相比較高，上頜中切牙旋轉移動的實現率為55%，下頜側切牙旋轉移動的實現率為52%[38]。Seo等[39]研究隱形矯治器的厚度變化對扭轉下中切牙的牙周膜應力和牙齒旋轉中心的影響規律，發現隱形矯治器的厚度增加會導致牙齒旋轉中心進一步偏離牙齒的軸心，且會使牙周膜應力增大，這表明不是越厚的矯治器對扭轉牙的控制越好，過厚的矯治器反而會對牙周膜產生過大的應力，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

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者們的廣泛關注。與固定矯治一樣，隱形矯治器遠中移動尖牙會使尖牙發生傾斜移動，但牙齒及牙周膜所受應力比固定矯治器更小且分布更合理，牙齒旋轉中心更接近根尖[40]。

有學者發現對尖牙牙冠施加遠中移動的矯治力、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、遠中面廣泛受壓，尖牙接近整體移動[41]。Gomez等[42]發現隱形矯治器遠中移動上頜尖牙時，設計復合附件者會產生與整體移動相似的力系統，無附件設計者則發生傾斜移動，這說明放置附件是實現尖牙整體遠中移動所必須的。

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]。在尖牙舌側設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。

上述有關尖牙移動的有限元研究，均僅對尖牙進行了位移和應力分析，并未分析其余牙齒的應力情況，為了真實反應臨床矯治過程，應該建立完整牙列的有限元模型，對所有牙齒均進行應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

實現牙齒的轉矩移動，需要在牙齒上施加一對力偶，Hanh等[45]在對上中切牙進行轉矩移動時，發現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，除了產生轉矩移動所需的唇腭向力外，還產生了壓低力。Brockmeyer等[46]發現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]的研究結果一致。上述研究說明，隱形矯治器對牙冠進行全包裹，在進行中切牙唇腭向傾斜移動時，矯治器對牙冠產生了非預期的壓低力，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生的。

5 小 結

目前絕大部分無托槽隱形矯治技術的生物力學研究以體外研究為主，不能真實反應正畸治療中牙周組織和頜骨組織的生物學改建和重塑。構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機制是未來研究所面臨的挑戰。