Freeedge托槽与传统托槽摩擦力的比较研究
发表时间：2012-01-10 浏览次数：564次
作者：潘盛波,梁甲兴,林立,张玉华 作者单位：福建医科大学协和临床医学院口腔科，福州
【摘要】 目的 比较研究Freeedge托槽和传统托槽的摩擦力特点，为临床应用提供理论依据。 方法 在干燥条件下，测试2种Freeedge托槽、2种传统托槽和4种弓丝分别组合的动、静摩擦力。 结果 Freeedge托槽中间翼结扎摩擦力极小;六翼结扎摩擦力最大。 结论 Freeedge托槽可解决低摩擦力与高牙齿控制能力的矛盾，改进方丝弓系列固定矫正器的性能，其应用有利于提高临床矫正疗效。
【关键词】 正畸托架; 摩擦; 正畸金属丝
A Comparative Study of Frictional Force Between Freeedge Bracket and Conventional Bracket
PAN Shengbo, LIANG Jiaxing, LIN Li, ZHANG Yuhua
Department of Stomatology, The Affiliated Union Hospital, Fujian Medical University, Fuzhou 350001 China
ABSTRACT: Objective To testing frictional force of freeedge bracket and conventional bracket and the rationale and clinical application of freeedge bracket. Method In the dry states, the static and kinetic frictional force of different combinations of 2 kinds of freeedge brackets and 2 kinds of conventional brackets coupled with 4 kinds of archwires were tested. Result When Freeedge bracket's middle wings were ligated, the frictional force was decreased to zero; when Freeedge bracket' six wings were ligated, the frictional force was greatest. Freeedge bracket solved the contradiction between less frictional force and better tooth control, the bracket improved the capability of the series of edgewise fixed appliance. Conclusion The freeedge bracket solved the contradiction between less frictional force and improved the capability of edgewised fixed application, increase the effectiveness of orthodontic treatment.
KEY WORDS: orthodontic brackets; frictrion; orthodontic wires
目前，方丝弓系列固定矫正器减小托槽弓丝间摩擦力的方法，主要集中于托槽结构的设计和结扎技术的改进[1]。其中，被动自锁托槽能够显著减小摩擦力，如Damon自锁托槽和Smartclip自锁托槽，其托槽与弓丝间的摩擦力几乎为零[25]。由被动自锁托槽组成的低摩擦力系统能够有效发挥滑动机制，轻力移动牙齿，减小支抗需求;但是，托槽槽壁与弓丝间存在的间隙，使牙齿的精确定位变得困难[3,6]。Freeedge托槽是一种新型六翼托槽，有多种结扎方式可供选择：结扎中间翼、结扎全部六翼或结扎部分翼[7]。本实验通过对Freeedge托槽和传统托槽摩擦力的比较研究，分析Freeedge托槽摩擦力的特点，为临床应用提供参考。
1 材料和方法
1.1 实验材料和仪器
1.1.1 托槽 选用槽沟为0.56 mm×0.71 mm右侧上颌第二双尖牙Freeedge六翼托槽和传统四翼托槽各2种(杭州新亚齿科材料有限公司,图1，2)：Freeedge六翼托槽方丝型和直丝型(Roth直丝弓数据);传统四翼托槽方丝型和直丝型(Roth直丝弓数据)。
Freeedge六翼托槽是一种新型结扎式托槽，结扎式托槽的基本结构有槽沟和槽翼，槽沟容纳弓丝，槽翼结扎固定弓丝。Freeedge六翼托槽的特殊结构是设计有3对槽翼：近远中侧翼和中间翼，近中或远中侧翼的轴心延长线成一夹角。该托槽的六翼结构使结扎时有多种结扎方式：结扎中间翼、结扎全部六翼或结扎部分翼。
1.1.2 其他材料 弓丝：选用4种弓丝：0.45 mm不锈钢圆丝(中国冶金部钢铁研究总院);0.46 mm不锈钢圆丝,0.43 mm×0.64 mm不锈钢方丝，0.48 mm×0.64 mm不锈钢方丝(美国Plasdent公司)。结扎材料：0.25 mm不锈钢结扎丝(杭州新亚齿科材料有限公司)。牙釉质黏合树脂(天津市合成材料工业研究所)。托槽标尺板和托槽标尺板基座(自制)。电脑伺服万能材料试验机(HT9102型，台湾宏达仪器股份有限公司)。
A：Freeedge方丝型托槽;B：Freeedge方丝型托槽六翼结扎;C：Freeedge方丝型托槽中间翼结扎;D：传统方丝型托槽;E：传统方丝型托槽四翼结扎.
Freeedge方丝型托槽和传统方丝型托槽
Fig 1 Freeedge edgewise bracket and conventional edgewise bracket
A：Freeedge直丝型托槽;B：Freeedge直丝型托槽六翼结扎;C：Freeedge直丝型托槽中间翼结扎;D：传统直丝型托槽;E：传统直丝型托槽四翼结扎.
Freeedge直丝型托槽和传统直丝型托槽
Fig 2 Freeedge straight wire bracket and Conventional straight wire bracket
1.2 实验方法
1.2.1 结扎方式 Freeedge六翼托槽选用结扎中间翼方式和结扎全部六翼方式(六翼结扎)，传统四翼托槽选用结扎全部四翼方式(四翼结扎)。结扎全翼时，将结扎丝完全拧紧，使弓丝与槽沟完全密贴，结扎操作全部由笔者完成，保证结扎的一致性。实验共有6种托槽结扎方式组合：Freeedge方丝型托槽六翼结扎，Freeedge方丝型托槽中间翼结扎，传统方丝型托槽四翼结扎，Freeedge直丝型托槽六翼结扎，Freeedge直丝型托槽中间翼结扎，传统直丝型托槽四翼结扎;分别标识为：Fe六翼，Fe中间翼，Ge四翼，Fr六翼，Fr中间翼，Gr四翼。
1.2.2 实验方法和步骤
1.2.2.1 将选用的托槽、弓丝、结扎方式分别组合，共24种实验组合，每种组合取5个样本，每个样本重复3次实验。该实验方法借鉴以往研究的实验方法[810]，重复测试是为了减小实验误差，重复测试后托槽弓丝表面粗糙度的微小变化，与每个新样本间表面粗糙度存在差异一样，属于抽样误差。实验前用95%的酒精清洗托槽、弓丝、结扎丝，进行脱脂去污处理后吹干备用。
1.2.2.2 托槽用釉质黏结剂粘结于托槽标尺板，并卡入托槽标尺板基座，弓丝入槽后结扎固定，组成了实验装置。
1.2.2.3 将以上实验装置安装于电脑伺服万能材料试验机，托槽标尺板基座固定于试验机下夹具，弓丝固定于试验机上夹具，安装时要调整实验装置固定于试验机上下夹具的位置，使弓丝和托槽槽沟方向一致。测试前，对电子拉力实验机进行设置，选用定速度模式，并将速度设置为：10 mm/min，位移设置为：10 mm。每次测试开始时，实验机自动归零，测试开始后，以10 mm/min的速度拉弓丝沿托槽匀速运动，位移10 mm后测试结束。
A：电脑伺服万能材料试验机;B试验装置安装于试验机的上下夹具.
试验装置安装于电脑伺服万能材料试验机
Fig 3 The testing apparatus installed in the Universal Testers
1.2.2.4 实验数据由电脑伺服万能材料试验机专用的电脑软件记录。因此，读取弓丝开始运动时的摩擦力为最大静摩擦力;运动开始后，每隔2 mm读取一次摩擦力值，共5次，5次的平均值作为滑动摩擦力，取值方法借鉴林和平等的研究方法[8]。全部实验均在恒温恒湿实验室进行。
1.3 统计学处理 数据采用SPSS 13.0统计软件进行统计分析，使用单因素方差分析，各组均数以最小显著差异(least significant difference，LSD)t检验法进行两两比较和显著性检验，检验水平为双侧α=0.05。
A：Freeedge方丝型托槽-0.46 mm圆丝六翼结扎;B：Freeedge方丝型托槽-0.46 mm圆丝中间翼结扎;C：传统方丝型托槽-0.46 mm圆丝四翼结扎.
典型的摩擦力位移波形图
Fig 4 Representative frictional forcedistance traces
2 结果
Freeedge托槽中间翼结扎时，和所有弓丝组合的动、静摩擦力均极小，几乎为零;与Freeedge托槽六翼结扎和传统托槽四翼结扎差别有统计学意义。Freeedge托槽结扎中间翼和相同弓丝组合时，方丝型托槽与直丝型托槽的动、静摩擦力差别无统计学意义。和所有弓丝组合，Freeedge托槽六翼结扎的动、静摩擦力均大于传统托槽四翼结扎，差别有统计学意义。Freeedge托槽和传统托槽全翼结扎和方形弓丝组合时，直丝型托槽的动、静摩擦力大于方丝型托槽，差别有统计学意义。
3 讨论
托槽与弓丝接触时，其正压力由结扎产生，张玉华等研究认为托槽弓丝间摩擦力与结扎力成正比，结扎力越大摩擦力越大，二者成线性关系[9,11]。结扎力由托槽结构和结扎方式共同决定。方丝弓系列固定矫正器的托槽按照结扎结构的不同可分为结扎式托槽和自锁式托槽，不同的结扎结构和结扎方式组合对弓丝的结扎力不同，从而影响托槽弓丝间的摩擦力。自锁托槽可分为弹簧夹式主动自锁托槽(如SPEED自锁托槽等)和滑道式被动自锁托槽(如Damon自锁托槽等)。弹簧夹式主动自锁托槽存在两种状态：被动状态时结扎力较小，主动状态时结扎力大[12]。滑道式被动自锁对弓丝的结扎力极小[12]。结扎式托槽有传统的四翼托槽和设计有被动结扎结构的新型托槽(如RMO公司的Synergy托槽、GAC公司的Shoulder托槽等[1])。传统四翼托槽使用不锈钢丝结扎与临床操作有关，不锈钢丝松结扎时，结扎力极小[1]，紧结扎时，结扎力大;使用橡皮圈结扎，结扎力与橡皮圈的材料性能和托槽宽度有关，不同类型结扎橡皮圈与不同宽度托槽组合产生不同的结扎力[13]。Synergy托槽设计有内结扎翼和外结扎翼，内外翼间有金属隆起，当结扎内结扎翼时，对弓丝结扎力极小[1]。Shoulder托槽在结扎翼的外侧设计有小的隆起，可形成被动结扎，对弓丝的结扎力极小[1]。此外，目前设计出非传统被动结扎橡皮圈(nonconventional passiveligation elastomeric,NCL)。NCL用于传统四翼托槽结扎，将槽沟形成四壁的管状结构，对弓丝结扎力极小[14]。可见，方丝弓系列矫正器的托槽结构和结扎方式是影响结扎力的决定因素，是影响托槽和弓丝间摩擦力的重要因素。
Freeedge托槽与传统托槽的最大静摩擦力
Tab 1 The static frictional force of Freeedge bracket and conventional bracket
n=15，表中数据为x±s. 六翼结扎与中间翼结扎比较，☆☆：P<0.01; 六翼结扎与四翼结扎比较，□□：P<0.01; 全翼结扎和方丝组合时，方丝型托槽与直丝型托槽比较，○○：P<0.01.
Freeedge托槽与传统托槽的滑动摩擦力
Tab 2 The kinetic frictional force of Freeedge bracket and conventional bracket
n=15，表中数据为x±s. 六翼结扎与中间翼结扎比较，☆☆：P<0.01; 六翼结扎与四翼结扎比较，□□：P<0.01; 全翼结扎和方丝组合时，方丝型托槽与直丝型托槽比较，○○：P<0.01.
固定矫正技术的不同阶段，对托槽与弓丝间的摩擦力有不同的要求。滑动法移动牙齿阶段，若存在摩擦力，矫治力首先要克服最大静摩擦力，才能作用于牙齿使牙齿移动，牙齿移动后，矫治力要克服动摩擦力，才能维持牙齿的移动[15]，所以此阶段要求低摩擦力。牙位精细调整阶段，要求高摩擦力，使托槽能够完全锁住弓丝，充分表达托槽的精确定位和弓丝的三维作用力[16]。
Freeedge托槽中间翼结扎时，摩擦力极小，几乎为零，这是由于Freeedge托槽的六翼结构，中间翼结扎时，结扎丝不与弓丝接触，托槽槽沟形成管状结构，结扎丝不对弓丝产生正压力，弓丝可在槽沟中自由滑动，摩擦力极小。在临床矫治中，由Freeedge托槽中间翼结扎组成的低摩擦力系统，在滑动法移动牙齿阶段，使轻力机制得到有效的应用，减少了牙齿明显疼痛、松动等不良反应，减小了对附加支抗和患者配合的依赖性。同理，被动自锁托槽，如Damon系统，其滑盖不对弓丝产生正压力，托槽的摩擦力极小[15,12]。但是，被动自锁托槽滑盖关闭后，弓丝与槽沟底、槽沟壁和滑盖间均存在间隙，此间隙的存在影响弓丝三维作用力和托槽精确定位的充分表达，使牙位精细调整变得困难[3,6,16]。自锁托槽通过设计“8”结构或“O”结构上放置橡皮圈来锁住弓丝，这样增加临床操作难度[16]。
Freeedge托槽六翼结扎时，摩擦力最大，这是由于Freeedge托槽近远中侧翼为斜翼设计，使槽翼形成了斜向托槽中心的导面，六翼结扎时，结扎丝对弓丝产生更大的结扎力，托槽与弓丝间的摩擦力最大。可见，在牙位精细调整阶段，Freeedge托槽可通过六翼结扎，完全锁住弓丝，实现牙齿精确定位，不需要特殊器械，不增加操作难度。
Freeedge托槽和传统托槽全翼结扎和方形弓丝组合时，直丝型托槽的摩擦力大于方丝型托槽。这可能由于直丝型托槽和方形弓丝组合时，托槽弓丝间存在第三序列的转矩，产生约束力，增加了滑动阻力[17]，有待于进一步研究。
托槽全翼结扎时，0.46 mm圆丝组的摩擦力小于0.45 mm圆丝组的摩擦力，0.48 mm×0.64 mm方丝组的摩擦力大于0.43 mm×0.64 mm方丝组的摩擦力。这是由于托槽弓丝间摩擦力受多种因素的影响，弓丝截面形状和尺寸是一种影响因素，托槽弓丝的表面粗糙度是另一重要影响因素。梁甲兴等研究表明：(1)国产托槽弓丝表面粗糙度大于进口托槽弓丝;(2)在相同结扎力下，如果材质相同，托槽与弓丝表面粗糙度相差越大，摩擦力越小;粗糙度越接近，摩擦力越大[10]。本实验研究的托槽均为国产托槽，0.45 mm圆丝为国产弓丝，而0.46 mm圆丝、0.43 mm×0.64 mm方丝、0.48 mm×0.64 mm方丝却为进口弓丝。0.46 mm圆丝组与0.45 mm圆丝组比较，弓丝尺寸差异较小，而弓丝表面粗糙度差异显著，粗糙度因素起主要影响作用。因此，国产托槽与0.46 mm进口圆丝组，表面粗糙度相差大，摩擦力小;国产托槽与0.45 mm国产圆丝组，表面粗糙度较接近，摩擦力大。不同尺寸方丝组比较时，弓丝均为进口弓丝，表面粗糙度无明显差异，因而弓丝尺寸起主要影响作用，摩擦力随弓丝尺寸的增加而增大。
本实验采用3种结扎方式，Freeedge托槽六翼结扎、Freeedge托槽中间翼结扎、传统托槽四翼结扎，研究不同结扎方式下摩擦力的差异。由于结扎力决定摩擦力的大小，在相同摩擦系数条件下，可由本实验结果推断出不同结扎方式结扎力间存在差异。对于不同结扎方式结扎力的大小有待于进一步研究。
本研究表明，Freeedge托槽独特的六翼结构设计，即可结扎中间翼，实现低摩擦力，又可结扎六翼，产生高摩擦力。解决了托槽性能中低摩擦力与高牙齿控制能力的矛盾，有利于临床矫正疗效的提高。
【参考文献】
[1] Thorstenson G A, Kusy R P. Effects of ligation type and method on the resistance to sliding of novel orthodontic brackets with secondorder angulation in the dry and wet states[J]. Angle Orthod, 2003,73(4):418430.
[2] Voudouris J C. Interactive edgewise mechanisms: form and function comparison with conventional edgewise brackets[J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 1997,111(2):119140.
[3] Thorstenson G A, Kusy R P. Comparison of resistance to sliding between different selfligating brackets with secondorder angulation in the dry and saliva states[J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 2002,121(5):472482.
[4] Cacciafesta V, Sfondrini M F, Ricciardi A, et al. Evaluation of friction of stainless steel and esthetic selfligating brackets in various bracketarchwire combinations[J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 2003, 124(4):395402.
[5] Damon D H. The rationale evolution and clinical application of the selfligating bracket[J]. Clin Orthod Res, 1998,1(1):5261.
[6] Harradine N W, Birnie D J. The clinical use of Activa selfligating bracket[J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 1996,109(3):319328.
[7] 实用新型专利. 设计人：梁甲兴. 专利名称：牙齿矫正用托槽. 专利号：03269078.9. 申请日：2003.07.18. 公开号：CN2643853，公开日：2004.09.29.
[8] 林和平,吴建勇. 不同直丝托槽与弓丝在后牙段摩擦力的实验研究[J]. 口腔正畸学, 2005,12(2):6063.
[9] 张玉华，梁甲兴，林 立. 结扎方式与结扎力对托槽弓丝结扎丝结构摩擦力的影响[J]. 福建医药杂志, 2002,24(4):2930.
[10] 梁甲兴，张玉华，闵宝乾，等. 托槽弓丝组合对托槽弓丝结扎丝结构摩擦力的影响[J]. 福建医科大学学报，2002，36(3)：260262.
[11] Frank C A, Nikolai R J. A comparative study of frictional resistances between orthodontic bracket and arch wire[J]. Am J Orthod, 1980,78(6):593609.
[12] 丁 鹏. 自锁托槽矫治器的发展、分类及特点[J]. 口腔正畸学, 2006,13(1)：4043.
[13] Hain M, Dhopatkar A, Rock P. A comparison of different ligation methods on friction[J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 2006,130(5):666670.
[14] Baccetti T, Franchi L. Friction produced by types of elastometic ligatures in treament machanics with the preadjusted appliance[J]. Angle Orthod, 2006,76(2):211216.
[15] Prososki R R, Bagby M D, Erickson L C. Static frictional force and surface rougness of nickeltitanium arch wires[J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 1991,100(4):341348.
[16] 朱 鲲，王春玲，王 娟，等. FAS自锁托槽与传统自锁托槽的摩擦力对比研究[J]. 华西口腔医学杂志，2007,25(4)：371374.
[17] Kusy R P. Influence on binding of thirdorder torque to secondorder angulation[J]. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 2004,125(6):726732.
