CN101272745B - 具有机械固位能力的塑料托槽及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于畸齿矫正的支架，其全部以使用注模成型工艺的塑料制成。该创新的支架具有任何一种支架的基本部件，例如固定或粘固在牙齿上的基座、沿中段至末段方向的弧形槽，以及标准连接线或弹性体所用的凸缘。本发明的基本特征即如上述，其与金属支架一样，固定基座能够提供机械固位，因而在粘固的过程中不需要涂加任何化学添加剂。

Description

具有机械固位能力的塑料托槽及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于矫正牙齿的支架及其制造方法，虽然该支架仅是由塑胶注模成型，但其在硬度、精度以及机械安全方面可与金属制品相媲美。

背景技术

众所周知，在矫正畸齿治疗中，必须将类似于支架，颊面管或者其他此类仪器，粘合到牙齿上。相连的具体部分是牙齿的正前方或后部表面和支架的一个表面，该表面被称为基座的牙齿表面。该基座紧密地连接到所谓的支架主体上，其中该支架主体上通常具有畸齿矫正弧的保持槽。

考虑到制造材料，该支架可用金属，陶瓷或者塑胶制成，但由于经济和美学原因，目前的趋势是越来越多地使用塑料，因为塑料的价格比金属或陶瓷便宜，并且能达到和牙齿一致的颜色，或者使其透明，从而增加了其审美价值。制造该矫正设备的技术难题是能够制造出来一种塑料支架，其在抗变形和/或断裂强度以及保持性能上能够与金属制品类似，但其更具有美感而生产成本更低。此外，还必须考虑到生产工艺，机械加工或注塑成型的手段都可以制造出来，但后者更为便宜。

为了使制造出来的塑料支架具有上述特性，必须考虑的一些基本问题是：基座的形状、支架主体的形状、以及注塑工艺中所用的塑料的种类。

本发明一个主要目的是获得一个具有机械保持力的基座。如果分析这个基座，一个重要的方面是要考虑其与牙齿的粘着力，所述的基座必须能够支持在50-100牛之间的力。考虑到材料及其很小的体积，这是不容易做到的事。由于保持力以及植入的容易度取决于所述的形状，因此基座的形状，尤其是基座的牙齿表面的这一部分已经是多项专利的内容。保持力可能是化学的或机械的，并且保持力是专业人员决定采取哪一种支架时的一个考虑因素，由于化学保持力的方法包括一个增加的步骤，即在用粘接材料粘合基座前，必须在基座上施用一种液体。

支架主体，通常具有多个保持翼和一个设在弧面上的槽，弧形的沟槽符合某个几何形状，当咀嚼时，或当托架受到引至沟槽内的弧形的压力时，具有较大的变形或断裂概率的区域是限定的。众所周知，塑料比金属或陶瓷更容易变形及破裂，但还存在另外的问题是，由于水解，塑料托架将会随着时间逐渐退化，同时造成机械性缺陷，以及颜色逐渐改变直到变得不透明。通过对这一部分尽可能完美的精加工，可避免由水解造成的退化。所以这里显示了选择原料和注塑工艺的重要性。

如上所述，基座的结构取决于支架和牙齿的连接，这一结构已经被申请过若干个不同的专利。美国专利4.544.353公开了一种改进了连接技术的装置，其直接用矫正装置接触牙齿。这种直接接触的连接技术包括：在基座的牙齿表面施用粘固剂，将涂有粘固剂的基座放在牙齿上，然后清理掉多余的粘固剂。由于此前存在的矫正装置的基座的形状，以及在放置到牙齿表面的过程中粘固剂和支架的下滑，而且还不得不清除多余的粘合剂，这种操作有些困难。在所述专利中，这个问题是依靠基座来解决的，该基座具有一个沿其整个外围延伸的角度在90°到70°之间的法兰，从而形成一小腔来容纳粘固剂，除此之外，在固定牙齿时，除了能够清除多余的粘固剂流出，还能阻止粘固剂的下滑。

美国专利5.295.824公开了一种塑料支架，其改进了塑料支架和牙齿的结合方式，其中所述牙齿的结合表面覆盖了能够侵蚀并且溶解所述塑料的底层的丙烯酸单体和溶剂的混合物，从而扩展结合的牙齿表面。一旦基座的牙齿表面被覆盖，即加热支架及混合物，以挥发溶剂和分子量相对较低的单体，从而得到一层主要是单体的丙烯酸材料。这第一层作为第一粘合剂，改进了基座与诸如丙烯酸之类的牙齿粘固剂进行结合时的连接强度。所述专利中列举的适合的溶剂为，苯，氯仿，丙酮，二氯甲烷或其他任何可溶解构成支架的塑料的溶剂。对于使用这种方法，选用聚碳酸酯制造的塑料支架非常适合。

多年来所要实现的一个目标就是使塑料支架的基座的牙齿表面足够粗糙以便在把塑料支架安装到牙齿之前不需要对其表面进行热补。这个过程是试图使其与金属支架相似，通常金属支架的基座的牙齿表面总有一些沟槽，从而容纳充分的粘固剂，提供足够的保持强度。

美国专利6.071.117提出了一种通过注模来生产塑料矫正设备的方法；支架基座的表面向外突出成类似圆柱形或直角棱形的这些在模具中比较容易成型的形状。这种形状的基座表面能够使支架基座表面与粘固剂的接触面最大化。而事实上所存在的第一个问题是，若是采用这种方法来设计模具的话，上述形状的表面则不能是粗糙的，如果表面是粗糙的，那么从模具中取出支架时，可能会造成一些损坏。其后果是，如果保持力是机械的，通过注模取得的几何形状不能够获得足够的强度。为了解决这个问题，采取第二个步骤，通过加热或超声波能量来改变基座外部的几何形状，以在外表面旁边形成一个反向锥形的空间。这将有助于加强支架基座与牙齿表面之间的机械保持力。

可能因为机械保持力的问题，与上述专利具有相同申请人的美国专利6.109.165公开了一种关于基座形状和变形过程的相同方法，只是多了一步，即在前述步骤之后，用粒子轰击，以使它们碰撞基座突出部分的外部。

前述美国专利6.071.117和美国专利6.190.165公开的方法都有增加产品价格的问题，因为除了模制的步骤之外，还需要使之变形，尽管在控制进程的变形站进行变形，但是加热的温度高达400°F(204℃)，才能够使整个支架产生变形。

本发明的第二个目的是获得性能与金属支架相同的机械装置。如果我们考虑塑料支架硬度所带来的问题，或者同样的问题，如塑料支架抗变形或抗断裂的能力，基本上是采取两种方式处理。一种是寻找适合类型的塑料，另一种是内部植入金属结构，从而加强必须承受更高外力作用的点。

当涉及到塑料的类型时，不仅要涉及其是否取自聚碳酸酯，砜，聚醚砜或者其他类塑料，而且还要考虑这种塑料是否会填注其他元件。这种填注不涉及将诸如矾，硅等无机物与塑料一起混合，尽管也有可能将有机物或者金属材料注入，其目的都是为了增强装置的承受力。

美国专利5.254.002以及前述美国专利6.071.017和美国专利6.190.165的一些实施例公开了一种加固塑料的方法，在塑料的内部分散填充一些无机材料，例如玻璃颗粒。但是，这种在塑料内部分散颗粒的方法，不管是玻璃，硅还是金属颗粒，都存在一个问题，即由于颗粒被注入时，该混合物具有较高的温度，由于每一种成分都具有不同的膨胀系数，其冷却后会造成一定的变形，从而产生微破坏作用。在其主体形状较窄的区域里这种影响更为明显，从另一方面来说，该较窄的区域也更容易断裂，这种情况同样出现在表面区域，将会增加我们并不想要出现的水解的作用。

为了缓解上述微破坏的作用，美国专利6.358.043引进了混合有机材料，以聚碳酸酯作为混合的基本成分，粒度0.1微米至10微米的橡胶苯乙烯作为硬化元素。然而，只有硬化似乎是不够的，所以它还采用了加强金属片，该金属片按照槽的方向插在并延伸于两翼之间。当通过注模来制造支架的时候，支架中植入金属加强元件会产生一系列的问题。在所述的问题中，可以列举一些，象在制造过程中塑性基体的变形、碎裂、所述薄片的移动，该移动甚至可导致所述薄片在矫正治疗过程中移动，以及它的价格的提升。

实用新型内容

本发明设计了一种塑料支架，其可获得足够的抗力来避免断裂以及很好的加工精度来减轻水解的影响，并且不会使塑胶材料丧失其透明度，本发明解决了粘固剂的机械保持力的问题，并且不需要使用化学添加剂来改善支架的牢固度，从而减少已有技术中遇到的问题。

为了达到上述目标，该过程包括以下步骤：

a)选择材料，其必须要是“一致”的

b)计算支架的大小，所述的大小取决于制造它所用的材料，以及其能够达到的抗变形力或者抗断裂力，

c)对基座形状进行检测，因为必须要考虑到，所述基座的形状是适于在注模中制造的，以使其可在不断裂或者拆分的情况下从所述模具中取出，同时，所述力还取决于其大小和制造材料。

d)为其设计一个合适的具有优化注射点的模具，同时其可以适当疏散气体，从而避免气体在该区域内堆积，弱化该区域，使纤维定向，将使其在装配时具有更大的硬度和收缩时较小的变形。

e)通过粒子轰击的方式建立一个粗糙的基座凹槽，以获得将产品粘合在牙齿上的保持力。

选择的材料一直是聚碳酸酯，聚砜，聚醚，因为它们在抗水解方面表现出色，而且，当精加工的部分是很好的话，它们能在较长时间内保持透明而不会逐渐变得不透明。它们还可以耐受高压灭菌器进行除菌，其在卫生产品中多次使用。不用混合选择的这些材料，也不用为其整体的化学结构注入加固剂，从而不会出现因注入分布不匀而造成不同部位的硬度不同，尤其是特别狭窄的表面区域。

因此，由于所选材料未经注入，从而制造出来的部件的所有区域的每个部分的物理和化学特性都一样。由这种材料制得的现有技术中已知形状的部件具有一些预定的抗变形和抗断裂特性。

这已经通过有限元仿真研究的手段得到了实现，通过获知哪一种材料及其抗变形和抗断裂的特征，从而选择最优化支架形状和实现最小体积，达到最初的目的。

所述的仿真模拟已经通过Cosmosworks公司的一种应用软件完成，之后的许多试验表明，塑料模型能被制造，甚至在满足需要的特性方面略强于金属产品，同时具有足够小的体积，能在矫形治疗使用中。

一旦得知支架的大小，就对基座的形状进行分析，以使得这种支架具有很好的机械保持力的特性。模制支架的保持基座的内侧远端方向通常具有一些沟槽，这一设计的目的是使让空气出去，以便于粘合材料剂的充分进入，在咀嚼时产生的拉力不会使它们变形，并且具有一定的粗糙程度，从而可以补偿粘合剂干燥以后的收缩。

考虑到以下因素：

-基座上的凹槽必须具备上述特点；

-粘合物质的收缩率的范围是由1.65％到16％；

-在第二个设计步骤中已经通过计算得出支架的大小和形状。

根据凹槽的数量，长度，深度，槽与槽之间的距离，以及槽的凹陷部分的形状，可以得到各种各样的基座布置。通过参数的变化会得到很多可能的布置，为了根据其结构参数，确定最优的配置，所有这些都受到了用INSTRON机测试的牵引试验的检测。

从上述测试，可以获得配置的基座的形状的一些参数值，其中包括最大值和最小值，相比预期的保持力，其达到了相同或者更好的水平。

模制过程是极其重要的，这样可以使支架具有所用材料在前面步骤中考虑的所有性质，目标是：

整个构件经过一致的精加工，消除或最小化水解的作用。

在注入过程中，难以散逸的气体所造成张力没有计算在内，这会引起不均匀收缩，且可能造成最后形状未按照之前步骤所计算的预期特性。

通过运行一个模拟测试软件，来确定最优的注入点，以及气体的排出位置。从而一旦将其从模具取出，整体就具有所需的材料均匀性、收缩均匀性和精加工表面的特征。

为确保保持力不会以4.16％的最大收缩率减小，一旦工件被拿出模具并被冷却，即采用硼砂处理的方法，减小槽与槽之间的距离。

在本发明的说明书中的一个优选实施例中，将会详细的描述与制成本发明的支架的五个步骤相关的结果及特性。

附图说明

为了便于更好的理解本发明的目的，将结合附图对本发明的一个实施例进行描述，其中：

图1是从支架后侧看的透视图，其中可以看到基座的结构。

图2和图1的支架相同的视图，用于示出支架的结构参数的大小。

图3是图1中支架基座的一个凹槽的垂直横截面图。

图4示出了槽侧面的形状，所述形状取决于半径r1、r2的长度依据中心C1和C2之间的距离。

图5示出了槽的深度P，该深度取决于角度a。

图6是支架的俯视图。

图7是沿图5中平面A和B的垂直剖视图。

图8是在制造过程中所用的、通过注模得到图1中支架基座形状的阳模的透视图。

图9简要的示出了组成制造支架的模的两个部分，用于制造基座的阳模和用于制造主体的阴模。

图10示出了注模工艺中阳模与阴模的合模，箭头“i”指注入点、箭头“o”指气体散逸点。

图11简要的示出了在喷砂之前或者之后，一个与槽临近的区域的部分。

具体实施方式

如上文所述，获得本发明的支架所要考虑的变量为：生产材料、支架的大小、基座的形状、模的设计，以及喷砂处理所述基座。

选择的材料可以是聚碳酸酯，聚砜，聚醚，这是因为这几种材料具有良好的抗水解性能，并且它们制成的部件经精加工后，能够保持透明的颜色，不会随着时间的推移变得不透明，而且能够经受高压灭菌器的温度。这些材料不需要装进其他任何材料，因为支架的大小大约为8mm3，当处理这样一个小部件时，目前很难知道这种组合的结构具有何种特性，因为无法比较用于测量的测量指示器，从而不能有效的测量硬度。

图1所示的本发明的支架，其包括两个部分，保持基座1和支架主体2，支架主体具有一个槽3，其能够容纳弧形和一些用于连接上部4和下部4‘的翼，其中保持支架具有设置在其表面上多个槽6，和几个嵌在齿5中的支撑条，以及位于基座几何中点的注入点7。

在优选实施例中，使用的是聚砜，将其物理和化学性能作为一个起点，进行必要的检测，以计算合适的支架的大小，目的是使其具有足够的抗变形性能和抗断裂强度。

为获得一个能够满足上述目的的支架，需要考虑的因素有：齿龈咬合长度I1，中部到末端的长度I2，从槽的底部到齿的表面的长度I3，从槽的底部到连接表面的长度I4，为了更好的理解，不对这些长度进行限制。

测试后的结果如下：

3.3mm＜齿龈咬合长度I1＜4.5mm，

2.8mm＜中部到末端的长度I2＜3.6mm，

0.9mm＜从槽的底部到齿的表面的长度I3＜2.0mm，

0.7mm＜从槽的底部到连接表面的长度I4＜2.0mm

其中优选实施例中选择的数值如下：

齿龈咬合长度I1＝3.5mm；

中部到末端的长度I2＝3.1mm；

从槽的底部到齿的表面的长度I3＝1.8mm；以及

从槽的底部到连接表面的长度I4＝0.75mm。

一旦知道了支架的最优形状和大小，就达到了目的，基座就会具有一个形状，其能够实现粘合材料的机械保持力至少是50N。该基座的槽的形状的第一个制约因素是能够通过注模进行生产。

第一个制约因素假定将制成的支架从模具中取出时，不会造成任何的变劣，因而，不允许所述槽具有一个锥形或者倒棱镜的形状，从而限制了槽的形状。图1示出了保持基座，其由嵌入齿5中的一些支撑条和多个槽6构成，所述齿5形成了外表面。槽6的形状是实现本发明目的的基本点之一，如上文所述，这达到了机械保持。

图3-7示出了所述槽6的形状。如图3所示，槽6包括两个平的侧壁17和后壁9，后壁9具有一个圆周弧的凹面形状，当齿5中的支撑条由所述侧壁17和前壁10组成，其中前壁10还带有圆周弧的凹面形状。侧壁17基本上相互平行，以形成从注模出去通道，而且前壁比后壁9的曲率更大，以便与牙齿粘合操作所用的树脂占据更大的表面，从而达到预定的粘合力值：50N。

图4及5示出了形成槽6的侧壁17的形状，后壁9和前壁10的凹度大小取决于中心c1/c2以及半径r1/r2，槽的深度取决于中心c1/c2之间的距离。槽的深度在对称的中心(图6的平面A)处最大，并向两端(图6的平面B)逐渐变小，参见图5，7，8。

根据上述，考虑到以下变量：

槽的个数；

齿龈咬合长度I1；

中部到末端的长度I2；

嵌入牙齿中的支撑条的宽度I5；

槽的宽度I6；以及

槽6的宽度，此宽度可以根据角度位置而变化，并且可以通过不同的曲率半径值来指定该宽度，上述参数的改变，可以生产出来一系列不同的支架。在INSTRON机止检测它们的保持力，得到的结论是：对于确定的测量，达到了预定的目标(通过注模的方式生产的可行性以及机械保持力)。

所获得的数值使提出的目标变得可能，在优选实施例的支架中，数值可以通过下述公式概括：

3≤槽的个数≤6；

0.22mm≤槽的宽度I6≤0.4mm；

0.45mm≤嵌入牙齿中的支撑条的宽度I5≤1mm；其中槽的宽度I6≤嵌入牙齿的支撑条的宽度I5；

0.5mm≤支架中心的深度25≤0.7mm；其中槽的深度取决于r1/r2，以及中心之间的距离，其中6mm≤r1≤20mm，2mm≤r2≤5mm，且r2≤(r1-2)。

一旦确定了支架的整体几何形状，下一步就是通过注模进行制造，而该种制造方法制成的支架不会存在由于纤维不恰当的定位、气体的聚集或者冷却过程中的收缩变形导致的弱点。

通过两个半模的方式进行模制，两个半模用滑动系统连接在一起，以能够喷射支架。所述两半模是：

图8和9中所示的基座11阳模，其产生保持基座1形状，在基座1中能够看到突出的部分6’和几个模槽5’，突出部分6’是形成槽6的原因，而模槽5’则形成了嵌入牙齿5中的支撑条。其中，基座的阳模受到龈根咬合边19，中央末端边18，注入点7的限制；以及

图9示出了主体12的阴模，当阴模被再次填充时，形成支架2的主体部分，他们就是已知的保持槽3和翼4，4’。其中主体的阴模受到与基座11的阳模相配合的龈根咬合边、中央末梢边的限制。

为了加强基座11阳模的突出部分6’而提供了加强肋，该加强肋垂直地固定在两侧壁17之间。

基座11的阳模，阴模的龈根咬合边和中央末梢边的长度是相同的，并且有着相互配合的形状，以两者能够像图10所示的一样紧密地连接在一起。

通过特定的仿真软件，找出了注入过程中形成的塑料模具的注入点和气体散逸点，并且能够达到最适当的目标，使得支架具有均匀的加工精度，在其结构中就不会积聚压力，并且在冷却的过程中也不会导致收缩，而收缩则会使变形的部分产生比支架其他部分更大的应力。

图10示出了所达到的结果：

一个唯一的注入点位于附图标记8所指的地方，阳模基座中附图标记14所指是的空气散逸点，主体的阴模中附图标记15所指的是排气点。

生产工艺的最后一个步骤的目的是补偿粘合树脂在干燥过程中的收缩。该收缩率大约为10％，这将会将槽6的宽度减少10％。可以通过在2秒内，距离10cm的位置，将120-180微米的粒子喷射在20psi范围内的方式解决这个问题，不过这会在壁上产生波纹，除了会减少槽的宽度，还会扩大保持力面，因为波纹的表面比平面具有更大的延伸面。

图11示出了喷砂前后支架的区域9、10以及17中表面的差异，由于表面褶皱造成表面明显增大，但此外，喷砂必须满足：y≤0.9x，其中x是槽在喷砂之前的宽度，y是所述槽在喷砂之后的宽度，从而补偿粘合树脂的收缩。

一旦对本发明的实质内容和优选实施例进行了充分的描述，只要它们不影响权利要求中所要求的特性，可以对其形状和材料以及其性能作出改变。

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；

所述托槽体(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毫米)。

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10％的程度减小了所述槽(6)的宽度。

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