齿科隐形正畸矫治器用膜片的力学性能研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.3（上）-51-工 业 技 术无托槽隐形矫治改变了人们对传统正畸矫治的认识，更注重矫治器本身的隐蔽性与美观性。不同于传统的固定矫治技术，无托槽隐形矫治是通过热压膜材料紧密贴合在牙面，挤压产生弹性形变，进而带动牙齿移动，达到矫治目的1-2。值得注意的是，热压膜材料的厚度对矫治器矫治力具有显著影响。任超超等3发现随着材料厚度增加，矫治器矫治力也相应增加。Kwon 等探究了不同厚度材料的硬度和韧性，发现厚度越小，越适合临床使用。经恒温水浴中浸泡后，材料的力学性能增加。因此，要了解某种热压膜材料对牙齿的移动能力，就必须深入研究该材料力学性能4。经前期调查，本文选用有高透明度的 PETG（对苯二甲酸乙二醇酯-1，4-环己烷二甲醇酯）为基体材料，利用 PC（聚碳酸酯）和 TPU（热塑性聚氨酯）对其改性。当PETG/PC/TPU 最佳配比为 60/40/15 时4，探究混合材料在不同厚度下的力学性能，并与现行标准进行比較，以筛选出制备无托槽隐形矫治器的最佳厚度，为临床选用厚度适宜的齿科隐形正畸矫治器用膜片制作无托槽隐形矫治器提供一定的理论依据。1 试验部分1.1 试验材料将 PETG 置于恒温干燥箱中，在 70下恒温 4h；PC置于恒温干燥箱中，在 110恒温 5h；TPU 置于恒温干燥箱中，在 90恒温 5h。将配比为 60/40 的 PETG/PC 添加15 份 TPU，均匀混合，在温度为 200下通过微型挤出机挤出，将其冷却并切粒，转速为 110r/min。将挤出的混合物颗粒置于恒温干燥箱，在 80恒温 5h 后，在 210的温度下利用注塑机进行注塑，得到片状试样5。1.2 设备和仪器设备和仪器包括微型挤出机（DSR，美国 Prism 公司）、注塑机（JPH-120，广东泓利机器公司）、电热恒温鼓风干燥箱（DHG-9070A，上海精宏试验设备公司）、精密万能材料试验机（AGX-V10KN，日本岛津）和气动冲片机（KDQ4025，凯德仪器）。1.3 试验方法试验方法具体如下。第一，力学拉伸性能测试。对于正畸矫治器用膜片，根据 YY/T18192022 标准6，利用气动冲片机将片状试样制备成标准试样，同一厚度的试样各 5 片（如图 1 所示）。使用低倍放大镜检查样品边缘，检查样品边缘应无缺口。在常温下，将样品固定至精密万能材料试验机上，以5mm/min 的速度对试样施加拉力，直至试样断裂。通过试验数据计算拉伸弹性模量、屈服应力和屈服拉伸应变，利用 Origin8.5 软件绘出拉伸应力-应变曲线（如图 2 所示）。第二，直角撕裂强度测试。使用气动冲片机，根据 QB/T11301991 中的要求制备试样，同一厚度的试样各 5 片（如图 3 所示）。使用低倍放大镜检查试样边缘，确保试样无缺口。在常温下，测量试样直角口处的厚度 d（mm）。将试样夹在精密万能材料试验机夹具上，夹入部分为 20mm，并使其受力方向与试样方向垂直。以 200mm/min 的速度进行试验。记录最大负荷值 P（N）。按=P/d 计算直角撕裂强度（kN/m），并取平均值6。2 结果与讨论2.1 不同厚度膜片的力学拉伸性能分析结果本文通过精密万能材料试验机测试了 PETG/PC/TPU-0.3、PETG/PC/TPU-0.5、PETG/PC/TPU-0.7 和 PETG/PC/TPU-1.0 齿科隐形正畸矫治器用膜片的力学拉伸性能，并利用origin做图得到了不同厚度PETG/PC/TPU膜片的拉伸应力-应变曲线（如图 2 所示）。通过进一步计算，得出其相应的拉伸弹性模量曲线（如图 4 所示）与屈服应力、屈服拉伸应变曲线（如图 5 所示）。根据拉伸应力-应变曲线（如图 3 所示）可知，齿科隐形正畸矫治器用膜片厚度增加，其相应的应力也随之增大，但这种增大趋势并不会随 PETG/PC/TPU 膜片厚度增加呈线性关系。进一步分析不同厚度 PETG/PC/TPU 膜片的弹性模量结果，发现弹性模量随膜片厚度增加而逐渐增加。当PETG/PC/TPU膜片的厚度从0.3mm增至0.7mm时，其弹性模量从622.4MPa 增至 1027.6MPa，随着膜片厚度继续增至 1.0mm，弹性模量反而降至 564.8MPa。值得注意的是，当 PETG/PC/TPU 膜片的厚度为 0.7mm 时，其相应的弹性模量达到最大值，即 1027.6MPa。根据正畸矫治器用膜片的行业推齿科隐形正畸矫治器用膜片的力学性能研究夏玉1，2韦靖婧1，2杨顺洪1，2都笑非1，2袁文洪1，2（1.资阳市食品药品检验检测中心，四川 资阳 641399；2.口腔装备材料质量评价重点实验室，四川 资阳 641399）摘 要：本文通过测试不同厚度的 PETG/PC/TPU 齿科隐形正畸矫治器用膜片的力学性能，得到相应的拉伸弹性模量、屈服应力、屈服拉伸应变以及直角撕裂强度，为选择厚度适宜的齿科隐形正畸矫治器用膜片制作无托槽隐形矫治器提供指导。结果显示，弹性模量随膜片厚度增加而逐渐增大（膜片的厚度从0.3mm 增至0.7mm，弹性模量从622.4MPa 增至1027.6MPa），PETG/PC/TPU 膜片厚度从0.3mm 增至0.7mm，直角撕裂强度均280kN/m。综合分析不同厚度膜片的拉伸弹性模量、屈服应力以及屈服拉伸应变，当 PETG/PC/TPU膜片厚度为0.5mm 时，矫治器的矫治效果较优异。关键词：正畸矫治器用膜片；无托槽隐形矫治；力学性能中图分类号：R783文献标志码：A中国新技术新产品2024 NO.3（上）-52-工 业 技 术荐标准要求，材料的弹性模量数值应为 700MPa3000MPa6。根据对 PETG/PC/TPU 膜片的拉伸弹性模量的分析可知，当PETG/PC/TPU 膜片厚度为 0.5mm0.7mm 时，其材料的拉伸弹性模量数值均符合行业标准。齿科隐形正畸矫治器用材料的屈服应力即代表材料移动牙齿的能力。材料的屈服应力太小，无法达到矫治牙齿的目的，而过大则会使佩戴者感到不适。因此，屈服应力需要保持在一个适当的水平5。要想使隐形正畸矫治器具有合适的矫治力，隐形正畸矫治器用材料就应具有适当的屈服应力。通过对进口膜片材料的屈服应力进行分析可知，其屈服应力为 55MPa66MPa。此时隐形正畸矫治器具有足够的矫治力，同时患者佩戴感觉较舒适5。值得注意的是，根据行业标准规定，当屈服应力 25MPa 时，即可达到正畸矫治用膜片的行业推荐标准要求6。本文选用屈服应力较高的 PC 对材料进行改性，通过测试得到了不同厚度 PETG/PC/TPU 膜片的屈服应力和屈服拉伸应变。结果表明，4 种厚度 PETG/PC/TPU 膜片的屈服应力均 25MPa（PETG/PC/TPU-0.3 膜片的屈服应力为 36.3MPa，PETG/PC/TPU-0.5 膜片的屈服应力为 59.4MPa，PETG/PC/TPU-0.7膜片的屈服应力为48.2MPa，PETG/PC/TPU-1.0膜片的屈服应力为 27.2MPa），符合行业推荐标准的要求。进一步分析可知，PETG/PC/TPU-0.5 膜片的屈服应力高达 59.4MPa，该数值与进口膜片的屈服应力（55MPa66MPa）相当，达到了既能产生足够大的矫治力，又不会矫治力过大，使佩戴者感觉不适的目的。因此，就材料的矫治力而言，当 PETG/PC/TPU 膜片厚度为 0.5mm 时，材料具有更优异的矫治力。材料的弹性模量越大，其相应的形变能力越弱。因此，使用隐形正畸矫治器对患者进行矫治时，要求相应的材料具有较高的屈服应力与较小的弹性模量5。综合分析不同厚度PETG/PC/TPU 膜片拉伸弹性模量、屈服应力以及屈服拉伸应图 4 不同厚度 PETG/PC/TPU 膜片的拉伸弹性模量图图 2 不同厚度 PETG/PC/TPU 膜片的拉伸应力-应变曲线图图 3 直角撕裂强度试样图片图 1 力学拉伸试样图片中国新技术新产品2024 NO.3（上）-53-工 业 技 术变，当 PETG/PC/TPU 膜片厚度为 0.5mm 时，其相应的正畸矫治器佩戴舒适且矫治力较优异。2.2 不同厚度膜片的直角撕裂强度分析结果通过精密万能材料试验机测试了 PETG/PC/TPU-0.3、PETG/PC/TPU-0.5、PETG/PC/TPU-0.7 和 PETG/PC/TPU-1.0齿科隐形正畸矫治器用膜片的直角撕裂强度，利用 origin 做图得出不同厚度PETG/PC/TPU膜片的位移-载荷曲线（如图6 所示）。再通过进一步计算，得出不同厚度 PETG/PC/TPU膜片的直角撕裂强度（如图 7 所示）。根据图 6 可知，随着 PETG/PC/TPU 膜片载荷增大，位移也逐渐增加，但位移的增量会随载荷的增加而变小。直角撕裂强度是材料的一项重要性能参数，是试样拉断时的最大负荷值与试样直角口处厚度的比值，代表了材料的抗撕裂性能和韧性。由于正畸矫治器在成型过程中会发生一定量形变，因此需要矫治器的制作材料具有一定的直角撕裂强度。正畸矫治用膜片的行业推荐标准要求规定，直角撕裂强度应 100kN/m。根据图 7 可知，PETG/PC/TPU 膜片厚度从 0.3mm 增至0.7mm，直角撕裂强度均 100kN/m（PETG/PC/TPU-0.3 膜片的直角撕裂强度为 281.4kN/m，PETG/PC/TPU-0.5 膜片的直角撕裂强度为 286.6kN/m，PETG/PC/TPU-0.7 膜片的直角撕裂强度为 299.9kN/m，PETG/PC/TPU-1.0 膜片的直角撕裂强度为 198.5kN/m），符合行业标准6。其中 PETG/PC/TPU-0.5 与 PETG/PC/TPU-0.7 膜片的直角撕裂强度均超过 285kN/m，表明当 PETG/PC/TPU 材料厚度为 0.5mm 和 0.7mm 时，材料具有较好的韧性和较优异的抗撕裂性能。更重要的是，PETG/PC/TPU-0.5 与 PETG/PC/TPU-0.7 膜片的直角撕裂强数值相差不大，因此制作无托槽隐形矫治器的最终选材厚度还应综合考虑材料的拉伸弹性模量、屈服应力和屈服拉伸应变。3 结论本文通过对 4 种厚度的 PETG/PC/TPU 膜片进行力学拉伸性能测试和直角撕裂强度测试，研究了不同厚度对膜片力学性能的影响，并对其拉伸弹性模量、屈服应力、屈服拉伸应变和直角撕裂强度进行了比较。当PETG/PC/TPU-0.5膜片的弹性模量为732.1MPa、屈服拉伸应力高达 59.4MPa 且直角撕裂强度为 286.6MPa 时，材料的抗撕裂性和韧性较好且具有一定弹性，符合行业推荐标准，可作为热压膜材料制作无托槽隐形矫治器的选材厚度。综上所述，当 PETG/PC/TPU 材料的厚度为 0.5mm 时，制作出的隐形正畸用矫治器佩戴较舒适安全，同时可达到较优异的矫治效果。参考文献1 陈嵩.无托槽隐形矫治技术现在和将来 J.国际口腔医学杂志，2013，40（5）：561-564.2 陈文儿，钱玉芬.无托槽隐形矫治技术中附件应用及进展J.中国实用口腔科杂志，2018，11（10）：628-632.3 任超超，李晓玮，王喆垚，等.无托槽隐形矫治器厚度和唇向移位量对矫治力的影响初探 J.中华口腔医学杂志，2014（3）：177-179.4 范典，刘浩，袁长永，等.无托槽隐形矫治器力学性能的影响因素及研究进展 J.口腔医学，2023，43（3）：278-281.5 刘明东.PETG、TPU 基隐形口腔正畸用材料的制备及共混改性 D.北京：北京化工大学，2016.6 全国口腔材料和器械设备标准化技术委员会.牙科学正畸矫治器用膜片：YY/T18192022S.北京：中国标准出版社，2023：2-6.通信作者：袁文洪（1982-），四川简阳人，大学本科，主管药师，研究方向为食品药品医疗器械的检验检测。电子邮箱：。图 5 不同厚度 PETG/PC/TPU 膜片的屈服应力和屈服拉伸应变图图 6 不同厚度 PETG/PC/TPU 膜片的位移-载荷曲线图 7 不同厚度 PETG/PC/TPU 膜片的直角撕裂强度