个性化精确正畸的生物力学机理及基于SMP的实现技术研究

发布时间：2020-06-27 01:13

【摘要】：口腔正畸可以调整颜面骨骼、牙齿和颌面肌肉三者之间的平衡和协调,进而帮助治疗对象获得更好的外貌特征,树立积极乐观的个人形象和生活态度,同时提升在社会交流中的自信心。正畸治疗中错位牙齿的矫正主要依靠矫治装置作用在牙冠上的矫治力,其大小必须在合适的范围内才能更好的激发牙槽骨改建机制从而实现牙齿移动。因此深入了解“矫治力-牙周组织应力应变-牙槽骨改建-牙齿移动”的复杂作用关系至关重要。目前正畸治疗中主要依赖正畸医生的临床经验和主观判断,采取患者定期回访的试错性治疗方式,施加的矫治力很少通过仿真模拟和实验测量进行定量确定,这使得正畸治疗始终处于矫正-调整-矫正的循环状态,效率较低。另一方面,现阶段临床常用矫治装置主要为固定式矫治器和无托槽隐形矫治器。用于固定式矫治器的金属镍钛弓丝在人体复杂的口腔环境下对人体存在潜在的威胁;无托槽隐形矫治器属于个性化定制产品,成本较高、矫治能力有限且适用症较窄。为此有学者提出将形状记忆聚合物(SMP,Shape memory polymer),比如形状记忆聚氨酯(SMPU,Shape memory polyurethane)应用于口腔正畸领域,SMP材料具有良好的生物相容性、成本低廉、易成型且透明,是潜在的理想矫治器材料。本研究旨在探究正畸矫治过程中的生物力学机理并构建一种基于SMPU材料的一体式个性化矫治器,以推动临床口腔正畸治疗的精准化和个性化。首先构建了一种符合人体牙周膜(PDL,Periodontal ligament)生物力学特性的牙周膜材料本构模型,并研究得到了牙齿不同移动方式下的最佳正畸力范围,为个性化精确矫治方案的设计奠定了良好的生物力学基础,并通过一例临床病例验证了个性化矫治方案设计技术的有效性;在此基础之上,研究了基于SMPU的个性化精确矫治技术,分析了SMPU的基础热力学响应和基于SMPU的个性化矫治器设计制作技术,通过仿真模拟探究了矫治器力学响应,并通过实验测量进行了验证。本文的主要工作和研究成果如下:(1)以人体牙周膜实验数据为基础,提出结合超弹性材料模型和黏弹性材料模型建立一种符合牙周膜生物力学特性的材料本构模型,并利用有限元软件ABAQUS对实验过程进行模拟,验证了该模型的准确性。(2)以上颌尖牙为研究对象,以牙周膜的静水压应力和对数应变为指标,计算获得了牙齿在不同移动方式下的最佳正畸力范围,为个性化精确正畸方案的设计奠定了生物力学基础。(3)以正畸生物力学为基础,提出了基于矫治力测量和有限元仿真的个性化正畸方案设计技术,并以浙江省人民医院一例临床病例作为研究对象,对个性化精确正畸方案的设计方法进行了验证。即通过矫治力测量和有限元模拟等手段帮助医生制定并实施精确安全的正畸方案,并通过治疗过程的临床反馈验证了该方案的有效性。(4)构建了能够描述SMPU材料在复杂受力状态下的三维热力学本构模型,并通过有限元模拟详细研究了其在不同载荷条件下的形状回复效应。(5)基于SMPU热力学材料模型和个性化正畸方案设计技术,提出了基于SMPU的一体式个性化矫治器设计技术,设计并制作了一体式个性化SMPU矫治器,通过有限元模拟研究了其在不同变形状态下的形状回复力。进一步搭建了三维矫治力动态测量平台,对矫治器在形状回复过程中的力学响应进行了测量,初步验证了一体式SMPU矫治器的有效性。
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R783.5;TQ317
【图文】：

牙周膜,根尖孔,牙槽,生物力学

浙江工业大学博士学位论文给牙周组织，再经牙周组织的吸收、缓列生物反应，并最终在矫治力的作用下，目的[23, 24]。图如图 1-2 所示，牙周膜作为连接在牙齿移动中起着重要作用[25, 26]，过大的矫治力起功能紊乱甚至牙周膜坏死、牙根吸收7]；过小的矫治力在经过牙周膜的吸收和不会发生移动。所以，矫治力的大小必佳状态才能更好的激发牙槽骨的骨改建功

力测量,弓丝,牙齿,尖牙

浙江工业大学博士学位论文2009 年，Hisham 等[53]设计搭建了一套具有多传感器的三维正畸力测量装置，如图1-4 所示，可以同时测量全牙列（14 颗）上的矫治力。在实验测试中对尖牙施加一定位移以模拟牙列错位状态，分别测量了尖牙、侧切牙和第一磨牙在不同结扎方式下的矫治力大小，测量结果表明不同的弓丝结扎方式下所获得矫治力大小也有所不同。但是，在该实验装置中将牙齿简化为标准圆柱体，托槽黏贴的位置和角度都与临床实际情况有所偏差，与其说是测量矫治装置作用在牙齿上的矫治力，不如说是测量弓丝在形变时产生的形变回复力。另外，该测量装置只能模拟弓丝沿唇舌向和根冠向的变形，其他方向的位移和转动均不方便实现，可模拟的牙齿错位情况受到很大程度的限制。

【参考文献】