CN101272745A - 具有机械固位能力的塑料托槽及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及畸齿矫正用的托槽，它通过注塑成型法完全由塑料制成。本发明的托槽包括任何托槽底座件如被固定或粘固在齿上的托槽底座，并且包括在近中远端方向上的弓丝用槽沟、以及用于标准弓丝或弹性体的凸缘。本发明的主要特征在于，就像采用金属托槽时那样，固位托槽底座提供了机械固位，因而无需在粘固工序中在固位托槽底座上涂覆任何类型的化学添加剂。

Description

具有机械固位能力的塑料托槽及其制造方法

技术领域

本发明涉及畸齿矫正(正畸)用的托槽及其制造方法，尽管该托槽是通过注塑成型完全用塑料制成的，但它在硬度、光洁度和机械安全结扎方面的性能可以与金属托槽相媲美。

背景技术

在畸齿矫治中知道了，像托槽、颊面管这样的制品或这类器械必须用粘固剂被粘固在牙齿上。待连接的特定部分是牙齿的前、后面以及被称为托槽底座齿面的一个托槽表面。托槽底座被紧密连接在所谓的托槽体上，在托槽体中通常存在矫治弓丝的固位槽沟。

就制造材料来说，托槽可以是金属、陶瓷或是塑料的，但出于经济美观的考虑，用塑料制造托槽逐渐成为发展趋势，这是因为塑料比金属或陶瓷便宜并且也能获得与牙齿颜色相近的色彩，甚至可以制作出透明托槽，这赋予托槽以美观附加值。因此，对畸齿矫正器械的生产厂家提出的技术挑战就是要获得这样一种塑料托槽，它保证在抗变形能力和/或断裂强度和固位性能方面具有与金属托槽相似的特性，但更加美观并且表现出更低的制造成本。考虑制造方法也是重要的，该制造方法可以通过机加工或者低成本的注塑成型来实现。

为获得具有上述性能的塑料托槽而需要考虑的问题主要是：托槽底座形状，托槽体形状，在其制造模塑作业中的塑料类型。

发明内容

本发明的首要目的是获得一种托槽，它具有机械固位的托槽底座。如果分析托槽底座，首先要考虑的一个重要方面就是其与牙齿的粘固力，托槽底座必须承受50牛顿至100牛顿的力。鉴于制品的材料和小尺寸，这是不容易做到的。因此，托槽底座的形状且尤其是其齿面的形状已经是几篇专利的研究对象，这是因为固位强度以及植入的难易程度取决于上述形状。固位可以是化学方式或机械方式的，并且这是专业人士在选择特定类型托槽时考虑的因素，因为化学方式的固位包括为了借助粘固剂连接托槽底座而将液体施加至托槽底座上的附加步骤。

托槽体通常具有用于弓丝的几个结扎托槽翼以及槽沟，托槽翼和槽沟符合一个特征几何形状图，当托槽承受置于槽沟中的弓丝的牵拉以及遇到咀嚼动作时，在上述图中界定出变形可能性或断裂可能性较高的区域。众所周知，塑料比金属或陶瓷更容易变形和断裂，但还存在其它问题，即塑料托槽可能遇到因水解而随时间逐步降解，而这同时造成塑料力学缺陷和逐渐变色至不透明。水解造成的降解通过尽可能光亮地抛光该制品来避免，在这里，所选的材料以及所选的模塑工艺发挥了作用。

早已有人提出托槽底座的形状取决于托槽与牙齿的接合，底座形状已经是不同专利的研究对象。专利US4544353公开一种改善接合技术的装置，其做法是直接使牙齿接触畸齿矫正器械。这种直接接触式接合技术在于：将粘固剂施加至托槽底座的齿面上，将覆有粘固剂的托槽底座置于牙齿上，并且清除残余的粘固剂。由于截止到当时所存在的畸齿矫正器械的托槽底座形状，此操作变得有些困难，因为胶和托槽在托槽定位于牙齿表面上的过程中滑动，而且必须清除多余的粘固剂。在所述专利中，这一问题通过这样一种托槽底座得以解决，即托槽底座具有凸缘，凸缘的角度介于90度至70度，并且凸缘沿托槽底座的整个周边延伸，由此界定出容纳粘固剂的空腔，除了切掉多余的粘固剂外，该空腔还阻碍了在牙齿定位过程中的粘固剂掉落。

专利US5295824公开一种塑料托槽，其改善塑料托槽与牙齿的接合作业，其中牙齿的接合面覆有由丙烯酸类单体和侵蚀并溶解塑料底材的溶剂构成的混合物，混合物由此分散于塑料基材中。一旦托槽底座的齿面被覆盖，则托槽和混合物被加热以使溶剂和低分子量的单体挥发，由此得到一层丙烯酸类材料，它主要是单体的。第一层起到第一粘性层作用并且当第一层用牙齿粘固剂如丙烯酸类粘固剂制作时改善接合强度。所述专利提到的适当溶剂是苯、氯仿、丙酮、二氯甲烷或其它任何起到用于制成托槽的塑料的溶剂作用的物质。由聚碳酸酯制成的塑料托槽很适于采用此方法。

人们多年来一直在追寻的一个目标就是获得这样的塑料托槽，其托槽底座的齿面足够粗糙，从而无需在将其固定在牙齿上之前硫化齿面。人们尝试使此操作过程与金属托槽的操作过程相似，而金属托槽通常在托槽底座的齿面上具有几个槽，其足以获得保证足够高的固位强度的粘固剂。

专利US6071117提出一种通过塑料注塑成型而制成的畸齿矫正器械的制造方法，托槽底座表面本身外凸，其形状类似易构造的圆柱体或方棱柱体，因为它们是在模具中产生的。该托槽底座的表面形状期望托槽底座的接合面获得尽量多的粘固剂。由于以下原因出现第一个问题，即具有上述形状的表面无法是粗糙表面，因为如果模具被设计成是粗糙的，则在托槽脱模时会产生一定破裂。结果，如果固位是机械式，则通过模塑获得的几何形状不足以获得足够高的强度。为解决这个问题，进行第二步骤，它是要通过热能或超声能使托槽底座几何形状的外部变形，并且靠近外表面地提供呈倒锥形的空间，该空间有助于托槽底座与牙齿表面的机械固位。

可能是因为机械固位的问题，与上述专利是同一申请人的专利US6109165公开一种就托槽底座的形状和变形操作而言是相似的方法，其包括一个附加步骤，即在上述操作后用微粒轰击，以使微粒撞击到托槽底座突起的外部上。

上述专利US6071117和US6190165所述的方法具有制品价格上涨的问题，因为除了模塑步骤外，还需要产生变形，尽管该变形是在控制该方法的变形工站中完成的，但加热件可能随此变形达到400°F(204℃)，这会造成整个托槽的变形。

本发明的第二目的是获得机械设备，其等同于金属托槽的机械设备。如果我们考虑由塑料托槽的硬度或者就是说抗变形能力或断裂强度所带来的问题，有两个途径能解决该问题，其一是找寻适当类型的塑料，其二是在其内部加入用于加强必须承受更高应力的部位的金属结构。

在提到塑料类型时，并非只是从聚碳酸酯、聚砜、聚醚砜或其它塑料的等级的角度来谈的，而是意指塑料可能填充有或未填充有其它元素。填充不牵涉塑料与无机材料如明矾或硅石的混合，尽管它也可以填充有有机材料或金属材料，目的都是增大组件的强度。

专利US5254002以及上述专利US6071017和US6190165的一些实施例公开了塑料加强方法，其中塑料通过将一些无机材料如玻璃颗粒分散于其内部被再填充。尽管如此，这种在塑料内分散颗粒(即使是玻璃的、明矾的或金属的颗粒)的方法具有缺点，它由于以下事实造成了微裂，即在注射时混合物具有高温，并且由于每种成分具有不同的膨胀系数，所以在其冷却时造成一定变形。这一作用在托槽体形状的狭窄区内更显著，而另一方面，这些狭窄区是更容易断裂的区域，而且在表层区域内也是如此，这造成不期望有的水解作用增强。

为了缓解上述微裂作用，专利US6358043在混合物中加入有机材料，其做法是混合作为基材的聚碳酸酯和作为硬化剂的、粒径为0.1微米至10微米的苯乙烯弹性体。尽管如此，硬化看起来并不充分，因为它含有插入托槽翼之间地沿槽沟方向延伸的金属加强片。人们可以罗列出具有这样的构件的托槽的一系列缺点，即金属加强材料要在通过注塑成型制造托槽时埋置在该构件中。在这些问题当中，可以列举出像塑料基材变形、碎屑、在制造过程中金属片移动(这甚至可能造成金属片在其用于畸齿矫治过程时移动)、以及价格上涨。

本发明提出一种塑料托槽，借此获得足以避免断裂的强度和用于缓解水解作用的优良光洁度，以及塑料不丧失其透明性，为粘固剂除去机械固位，不需要使用改善托槽固定的化学添加剂，缓解了现有技术问题。

为实现该目的，该方法包括以下几个步骤：

a)选择材料，它必须是均质的；

b)计算托槽尺寸，该尺寸取决于要构成托槽的材料以及要获得的抗变形能力或断裂强度；

c)对托槽底座的形状进行试验，因为不得不考虑该托槽底座形状必须足以允许其在注塑模中制造并且在不断裂或不解体的情况下脱模，所述力也取决于制造材料和尺寸；

d)对此适当设计模具，以便具有最佳浇口位置并且同时获得充分的气体排放，由此避免在否则会保持低强度的区域内的积聚，以及获得这样的纤维取向，其保证更高的组件硬度和更小的收缩变形；

e)通过微粒轰击，使托槽底座的槽变粗糙，以获得粘固剂在牙齿上的固位。

所选的材料是聚碳酸酯、聚砜和聚醚砜，因为它们的耐水解性能出色，当制品的光洁度足够高时，它们保持透明色，不存在会随时间流逝而变为不透明的趋势。它们也耐蒸压消毒并且能被多次用于卫生产品。选择这些材料是因为无需混合物，也不用为整件制品的化学结构填入加强材料，不存在因尤其在缩窄的表面或区域内的填料不良分布而造成的不同硬度区。

由此，假定所选材料是不含填料的并且人们确信待制作部分的物理化学特性在所有区域都一样，问题在于，由这种材料制成的、其形状在现有技术中基本上是已知的工件具有预定的抗变形断裂特性。

这是通过基于有限元模拟的研究获得的，从而通过知晓是何种材料以及抗变形能力和断裂强度的特性，就针对要完成的最初前提条件获得最佳的托槽几何形状以及最小托槽尺寸。

已经利用Cosmosworks企业的应用软件进行了所述模拟，在多次尝试后得到以下结论，即可以制造出甚至比金属样品大一些的塑料样品，其满足了所指定的特性，此外，它的尺寸小到足以被用在畸齿矫治中。

一旦知道了托槽尺寸，就分析托槽底座的形状，以使此托槽底座具有优良的机械固位性能。通过模塑成型制造的托槽的固位托槽底座一般在近中远端方向具有一些槽，这些槽必须如此设计，即它们让空气流出并由此允许粘固剂完全进入，本身没有因咀嚼动作所产生的拉伸而变形，并且具有一定粗糙度，以补偿粘固剂在变干时的收缩。

考虑以下情况：

-托槽底座的槽必须具有上述特性；

-粘固剂具有介于1.65％至4.16％的收缩；

-通过在第二设计步骤中执行的计算而知晓托槽的形状和尺寸。

就槽数量、槽长度、槽深度、槽之间距离以及槽的或多或少呈凹形的形状而言，已经制定出不同的托槽底座结构。通过改变这些参数，已经获得大量可行的结构，所有这些可行的结构已经用INSTRON机器进行了牵拉试验检测，以便就这些构造参数而言确定最佳的结构设计。

从上述试验中已经获得一些设计托槽底座形状的参数数值，它们介于最大值和最小值之间，在所述取值范围内，获得了等于或者大于预定固位力的固位力。

模塑成型方法非常重要，从而托槽保持了所有的材料性能，上述步骤的计算就是基于所述材料性能。目的在于：

-制品具有均匀的光洁度，不发生水解或至少水解程度最小；

-在注射过程中，因排气困难引起的应力没有积累，应力积累会造成不均匀收缩和不符合在先前步骤中算出的预期特性的最终形状。

通过模拟软件，已经进行测试以便发现哪处是最佳的浇口位置，以及排气位置必须定位于何处，从而一旦脱模，制品就具有所需的材料均匀特性、收缩均匀特性和表面光洁度特性。

为保证固位力没有因4.16％的最大收缩而减小，一旦制品脱模并冷却后，槽间距离就通过喷砂处理被缩小，

在对本发明的一个优选实施例的说明中，将更具体地看到与用于获得本发明托槽的方法的这五个步骤相关的结果和特征。

附图说明

为了更好地理解本发明的目的，将基于附图来描述本发明的实施例，其中：

图1是从侧后方看过去的托槽透视图，在此可以看到托槽底座形状；

图2是与图1的托槽视图相同的视图，表示托槽的结构参数和尺寸；

图3是图1所示托槽底座的其中一个槽的竖向横截面图；

图4表示槽侧壁的形状，该形状取决于半径r₁和r₂的长度以及中心C₁和C₂之间的距离；

图5表示槽深度p如何依赖于角度α；

图6是托槽的俯视图；

图7表示在根据图5的平面A和B中截取的竖向截面图；

图8是注塑成型制造所用阳模的透视图，注塑成型使图1的托槽底座成型；

图9示意表示构成托槽制造模具的两个部分，即阳模用于托槽底座，阴模用于托槽体；

图10表示在注塑成型工序中的阳模与型腔的接合，用箭头i表示浇口位置，用箭头o表示排气位置；

图11示意表示在接受喷砂之前和之后的一个槽紧邻区域的截面。

具体实施方式

如上所述，为获得本发明的托槽而考虑的变量是制造材料、托槽尺寸、托槽底座形状、模具造型、以及对托槽底座的喷砂轰击。

所选的材料是聚碳酸酯、聚砜和聚醚砜，这是因为它们的耐水解性能出色，并且当制品的光洁度足够高时，上述材料保持透明色，不存在随时间流逝而变为不透明的趋势，而且耐蒸压温度。这些材料未填充有任何其它材料，因为托槽尺寸约为8立方毫米，而且当处理这样的小型构件时，目前难于知道复合结构的性能有哪些，原因是硬度测量的研究和对比尚不充分，这是因为用于所述测量的测量指标也是无法对比的。

图1示出了本发明的托槽，它由两个部分构成，即固位托槽底座1和托槽体2，该托槽体具有用于保持弓丝的槽沟3、以及用于上下绑线的托槽翼4、4’，该固位托槽底座具有形成在表面内的多个槽6、以及在齿上的一些支撑窄条5，浇口位置7位于托槽底座的几何形状中心点。

在优选的实施例中采用了聚砜，并且从其物理化学性能出发，已经做了必要的试验来计算托槽的适当尺寸，以使托槽具有足够大的抗变形能力和断裂强度。

为获得能满足上述目的的托槽而要考虑的尺寸是：咬合牙龈长度l₁，近中远端长度l₂，从槽沟底面至齿面的长度l₃，以及从槽沟底面至绑线面的长度l₄，为了更好理解，它们保持在规定范围内。

所做试验获得以下结果：

3.3毫米＜咬合牙龈长度l₁＜4.5毫米；

2.8毫米＜近中远端长度l₂＜3.6毫米；

0.9毫米＜从槽沟底面至齿面的长度l₃＜2.0毫米；

0.7毫米＜从槽沟底面至绑线面的长度l₄＜2.0毫米。

其中，对于优选实施例，选择以下数值：

咬合牙龈长度l₁＝3.5毫米；

近中远端长度l₂＝3.1毫米；

从槽沟底面至齿面的长度l₃＝1.8毫米；

从槽沟底面至绑线面的长度l₄＝0.75毫米。

一旦知道了托槽的最佳尺寸及形状，目的就是要获得这样的托槽底座，即托槽底座形状能产生至少为50牛顿的粘固剂承受应力的机械固位效果。托槽底座的槽的形状的第一决定因素是可以通过注塑成型实现。

第一决定因素假定该制品脱模时没有带来任何损伤，因而槽不会成锥形或倒棱柱形，由此限制了槽的形状。图1表示固位托槽底座，其由在齿上的一些支撑窄条5、以及一些槽6构成，所述支撑窄条限定出外表面。槽6的形状是实现本发明目的的诸多要点之一，其如上所述用于获得机械固位。

图3至图7表示所述槽6的形状。如可以从图3中看到的，这些槽6由后壁9和两个平面侧壁17构成，该后壁呈圆弧凹形形状，而在齿上的支撑窄条5由这两个侧壁17以及前壁10构成，该前壁也呈圆弧凹形形状。两个侧壁17是基本平行的，以允许从注塑模具中脱模，该前壁的曲率半径大于后壁9的曲率半径，从而在同所述齿粘固作业中使用的树脂占据了尽量大的表面，借此获得50牛顿的预定粘固力值。

图4和图5表示构成槽6的平面侧壁17的形状，其中后壁9和前壁10的凹弯程度取决于中心C₁和C₂和半径r₁和r₂，并且槽深度取决于中心C₁和C₂之间的距离。槽深度在对称中心(图6的平面A)较大并且随着接近横向末端而减小(图6的平面B)，这可以从图5、图7和图8中看到。

基于上述内容，并且在考虑以下变量的情况下：

-槽数量，

-咬合牙龈长度l₁，

-近中远端长度l₂，

-在齿上的支撑窄条的宽度l₅，

-槽宽度l₆，和

-槽6的宽度，它与角度位置有关地可变化并且能通过曲率半径值之差来确定，人们已经在改变上述参数并且已经制造出一系列的不同托槽，其中在INSTRON机器上检测每个托槽的固位强度，得到了对于规定尺寸能实现既定目标的结论(注塑成型制造的可行性和机械固位)。

可以通过以下公式来归纳能实现既定目标的、尤其是优选实施例的托槽的所获数值：

3≤槽数量≤6，

0.2毫米≤槽宽度l₆≤0.4毫米，

0.45毫米≤齿上的支撑窄条的宽度l₅≤1毫米，其中槽宽度l₆≤齿上的支撑窄条的宽度l₅，

0.5毫米≤托槽中心深度25≤0.7毫米，其中，槽深度取决于r₁和r₂以及中心之间的距离，在这里，6毫米≤r₁≤20毫米，2毫米≤r₂≤5毫米，并且r₂≤(r₁-2)。

一旦托槽的总几何形状被定下来，下一步就是要获得借助注塑成型的制造方法，该方法获得了没有薄弱点的制品，所述薄弱点可能是由纤维的不适当定向、气体聚集或者由冷却时的收缩变形引起的。

通过两个半模来实现该模塑成型，这两个半模与一个滑动系统连接以便能卸出制品。所述半模是：

托槽底座阳模11，如图8和图9所示，该阳模产生固位托槽底座1的形状，并且在该阳模中可以看到凸起部6’，所述凸起部就是槽6和产生齿上的支撑窄条5的空腔5’的成型起因，其中该托槽底座阳模由咬合牙龈边缘19、近中远端边缘18和浇口位置7界定；

托槽体中的型腔12，如图9所示，它在充填状态下产生托槽体2的几个部分，如众所周知的那样，这些托槽体部分是固位槽沟3和托槽翼4和4’，该托槽体型腔由咬合牙龈边缘、近中远端边缘界定，其与托槽底座阳模11的那些部分重合。

为了加强托槽底座阳模11的凸起部6’，设置加强肋，它垂直地位于侧壁17之间。

托槽底座阳模11的咬合牙龈边缘的长度和近中远端边缘的长度以及托槽体型腔的这些长度是相同的，并且具有互补形状以便能如图10所示地紧密接合。

通过某模拟软件，人们能查寻在注射过程中产生的塑料浇口位置以及排气位置，以便能获得最佳方案，其目的是要得到这样的托槽，即该托槽具有均匀的光洁度并且在托槽结构中没有应力集中，于是进行冷却工序时不造成收缩，这种收缩会使某些托槽部分的变形程度大于其它托槽部分的变形程度。

图10表示所获得的结果：

一个单独的浇口位置位于由数字8表示的部位，而位于托槽底座阳模中的排气位置用数字14表示，在托槽体型腔中的排气位置用数字15表示。

进行制造方法的最后一步，用于补偿粘固树脂在变干时的收缩。此收缩大约为10％，因而想要做的是按所述10％缩减槽6的宽度。这通过以20psi压力来喷射粒径为120微米至180微米的金刚砂来实现，喷射距离为10厘米，时间为2秒，这造成槽壁起皱，还带来减小槽宽度的效果，造成更大的固位面，因为它具有皱纹表面，皱纹表面的延伸长度大于其是平面时的延伸长度。

图11表示在喷砂之前和喷砂之后的、托槽区域9、10和17内的表面的区别，显然所述区别增大，这是由所产生的粗糙度造成的，不过，喷砂必须达到y≤0.9x，以补偿粘固树脂的收缩，其中x是喷砂前的槽宽度，y是喷砂后的槽宽度。

一旦充分描述了本发明的实质以及本发明的优选实施例，则剩下的只不过要补充说明，本发明的形状、材料和性能都可改变，只要这些改变没有实质上影响到如后续权利要求书所限定的特征。

Claims (3)

1. 一种畸齿矫正用的托槽，它是通过注塑成型法完全由塑料制成的，所述托槽包括：

固位托槽底座(1)，所述固位托槽底座包括多个槽(6)和多个支撑窄条(5)，所述槽和所述支撑窄条共同赋予所述托槽以机械固位能力；

托槽体(2)，所述托槽体限定出用于弓丝的槽沟(3)、和用于绑线的多个托槽翼(4，4’)，

其特征在于：

所述托槽由聚碳酸酯、聚砜或聚醚砜制成；

所述托架体(2)具有如下定义的尺寸：

咬合牙龈长度(l₁)，介于3.3毫米至4.5毫米的范围；

近中远端长度(l₂)，介于2.8毫米至3.6毫米的范围；

从槽沟底面至齿面的长度(l₃)，介于0.9毫米至2.0毫米的范围；

从槽沟底面至绑线面的长度(l₄)，介于0.7毫米至2.0毫米的范围；

所述固位托槽底座(1)呈凹形形状以使其自身适应于齿，并且所述固位托槽底座包括以下部分：

由后壁(9)和两个侧壁(17)构成的多个槽(6)，所述两个侧壁(17)由外曲率半径(r₁)、内曲率半径(r₂)、以及中心之间距离(d)界定，其中所述后壁(9)呈具有内曲率半径(r₂)的凹形形状；

多个齿上的支撑窄条(5)，由前壁(10)和所述两个侧壁(17)构成，其中所述前壁呈具有外曲率半径(r₁)的凹形形状。

2. 根据权利要求1所述的畸齿矫正用托槽，其特征在于：

所述固位托槽底座(1)具有3至6个槽；

槽的宽度(l₆)小于齿上的支撑窄条的宽度(l₅)，其中所述槽的宽度(l₆)介于0.2毫米至0.4毫米的范围，所述齿上的支撑窄条的宽度(l₅)介于0.45毫米至1毫米的范围；

所述托槽的中心深度(25)介于0.5毫米至0.7毫米的范围；和

所述槽的深度取决于外曲率半径(r₁)和内曲率半径(r₂)以及中心之间距离(d)，其中6毫米≤r₁≤20毫米，2毫米≤r₂≤5毫米，并且r₂≤(r₁-2)。

3. 一种制造根据权利要求1所述的畸齿矫正用托槽的方法，其特征在于：

制造模具包括带有滑动系统的托槽底座阳模(11)和托槽体型腔(12)，所述制造模具具有大致位于所述托槽底座的几何形状中心的唯一浇口位置(7)、位于所述托槽底座阳模中的多个排气位置(14)、以及位于所述托槽体型腔中的多个排气位置(15)；

所述托槽底座阳模(11)具有多个凸出部(6’)，其中在所述侧壁(17)之间竖直定位地设有加强肋；

所述固位托槽底座(1)接受金刚砂喷射，金刚砂的粒径为120微米至180微米，喷射压力为20psi，喷射距离为10厘米，喷射时间为2秒，由于金刚砂喷射在表面上产生皱纹，所以喷砂以大约10％的程度减小了所述槽(6)的宽度。

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