CN103054651B - 一种基于形状记忆聚合物弓丝的个性化正畸方法 - Google Patents

Abstract

一种基于形状记忆聚合物弓丝的个性化正畸方法，通过患者CT数据重建出包括骨骼、牙齿的三维口腔模型后，与患者牙模的扫描重建后的数据重合，根据患者的牙齿排列及骨骼条件，制订出正畸治疗方案，得到治疗后的最终牙列排列；在此基础上，选择托槽并确定每颗牙上的托槽位置；根据托槽位置设计正畸弓丝，其形状即与经过正畸治疗后的牙列和托槽位置相匹配，是SPM弓丝需要恢复的记忆中的形状；临床操作时，将弓丝置于设定的温度环境中使其变软，即可方便的固定于患者口腔中牙上的托槽内。本发明能有效实现个性化正畸、消除潜在的安全隐患。

Description

一种基于形状记忆聚合物弓丝的个性化正畸方法

技术领域

本发明涉及一种正畸方法。

背景技术

口腔固定正畸是针对牙齿排列畸形或错牙合（牙合为一个字，下同），利用弓丝、托槽等组成的矫治器械，对牙齿施加机械矫治力和力矩，调整颜面骨骼、牙齿和颌面肌肉三者间的平衡和协调，经过一段时间的矫治后改善面型、排齐牙列并提高咀嚼效能。20世纪初，被誉为现代正畸学之父的美国牙医Edward Angle开始设计牙齿矫治器，到1928年推出了方丝弓矫治技术，奠定了现代口腔正畸学的基础。1970年美国正畸医生Andrews提出了最佳自然牙合的六条标准，并在方丝弓矫治器的基础上发明了直丝弓矫治器，使用更加方便。目前，应用自锁托槽的直丝弓矫治已经成为口腔正畸的主流技术，其关键在于用对应于不同牙位的特定参数的托槽来补偿每颗牙与咬合线之间的尺寸差异，而无需再象方丝弓一样对弓丝进行弯制。我国直到上世纪80年代才引入方丝弓矫治技术，30多年来主要以消化吸收和应用为主，目前主要的正畸器械如自锁托锁仍然依赖进口，价格高昂。每年正畸的就诊病人只有几十万，而有数据显示我国青少年错牙合畸形的发病率在50%左右，随着经济发展和生活水平的提高，我国对正畸治疗的需求将快速增长，迫切需要具有自主知识产权的正畸器械。

口腔正畸中，弓丝的主要作用是通过与托槽配合，对需要移动的牙齿和牙弓施加相应的力和力矩，实现牙齿的移动。传统的金属弓丝由于施加的力衰减较快，力学性能不够稳定，已经逐步被具有形状记忆功能的合金弓丝代替。镍钛合金等形状记忆材料制作的口腔正畸弓丝所能提供的力学特性比传统的合金材料更加优良，可以持续释放的较小且稳定的矫治力。其工作原理是将人体口腔的正常牙弓根据尺寸大小进行统计分析和分组，根据该分组制作一组标准大小的弓丝，其形状与正常牙弓形状一致，是正畸患者牙列排齐后的理想形状；临床应用时，正畸医生根据患者实际的牙弓大小从标准的弓丝中选择形状和尺寸最接近的一根弓丝；该弓丝经过医生操作使其变弯、扭转等固定在患者牙上标准托槽中，在口腔温度环境下，弓丝会缓慢变形恢复到初始的标准形状，与托槽配合提供牙齿移动的载荷，实现牙齿的移动。

目前的弓丝及存在的问题：目前，基于标准的形状记忆弓丝和直丝弓托槽的正畸中的最大问题在于弓丝和托槽都是标准的形状和尺寸，通过不同牙位上的标准托槽的尺寸改变来补偿不同牙位与正常咬合线间的位置差异，而每个人的牙齿大小存在差别，咬合线也会与标准数据不同。因此目前的直丝弓矫治器并没有考虑个体差异，其提供的矫治力并不精确，容易造成牙齿不必要的位移，需要在治疗过程不断调整治疗方案并调校矫治器来补偿和修正，延长了治疗时间并增加了治疗风险。

发明内容

为了克服已有形状记忆合金弓丝个性化成型困难、镍材料不安全的不足，本发明提供一种能有效实现个性化成型、消除安全隐患的基于形状记忆聚合物的个性化正畸方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于形状记忆聚合物弓丝的个性化正畸方法，所述正畸方法包括以下步骤：

1）CT数据采集及牙模制作：拍摄患者口腔部位的CT图像，并制作患者石膏牙模；

2）口腔组织三维模型重建：利用三维重建软件基于CT数据重建患者口腔模型，重建模型包括牙齿和牙槽骨；

3）扫描并重建牙模：利用三维扫描仪扫描石膏牙模，然后利用逆向重建软件重建出牙模的三维模型，将该模型与基于CT重建的模型重合，得到了包括牙齿、牙槽骨和牙龈表面的复合模型；

4）在复合模型上，根据患者的牙齿错位情况，制订出牙齿移动的步骤，得到正畸方案，测算出关键参数，所述关键参数包括牙齿移动量、所需的正畸力和力矩以及加力的方式，并排出经过治疗后的目标牙列；

5）根据目标牙列为每颗牙选择自锁托槽，并确定托槽在牙上的位置；

6）根据每个托槽上的弓丝槽的位置，用扫掠的方式构制出弓丝，该弓丝与目标牙列及托槽的位置匹配，具有个性化的形状；

7）根据该弓丝形状设计出成型模具；

8）将弓丝模具用金属粉末快速成型技术SLM制造出来；

9）利用形状记忆聚合物材料在模具中成形出SMP弓丝；

10）临床使用时，将弓丝加热到相变温度变得柔软，固定在托槽中，在口腔温度环境下，弓丝中的软质相逐渐发生软化逆变，恢复到一次成形的初始形状，提供持续稳定的正畸矫治力。

进一步，所述步骤9）中，SMP弓丝材料采用聚氨酯材料。当然，也可以选用其他具有形状记忆功能和良好生物相容性的材料。

本发明的技术构思为：如果将具有形状记忆功能的弓丝根据患者自身牙列数据和标准托槽制作成个性化形状将可以改善目前直丝弓矫治中存在的问题，但形状记忆合金的形状成形温度在500oC以上，成形非常困难。更大的问题在于，大量实验证明，镍钛等具有形状记忆功能的合金材料的安全性存在一定问题。该类材料在口腔内的腐蚀不仅降低合金的强度，腐蚀产物（合金中析出的有害金属离子）还会对机体产生不良反应，如过敏、牙齿着色及毒性作用。大量实验证明，镍离子具有毒性，而且会引起过敏反应，因此大量镍金属离子的释放，对人体健康存在着较大的潜在威胁。国内也有学者通过体外毒性实验证明镍钛形状记忆合金丝的细胞毒性升高具有一定的普遍性，对人体健康存在危害。近年来有学者提出一种具有形状记忆功能的聚合物材料（SMP， Shape memory ploymer）应用于医学领域，其原理在于SMP是由固定硬质相和逆变软质相组成的，当温度达到软质相的逆变相变温度T_trans范围，会导致其分子重新排列到原来的位置，使形状得到恢复，恢复到变形前的初始形状，在变形过程中可以提供持续的变形力。SMP材料具有良好的生物相容性和良好的力学性能，为正畸矫治器提供了一类新材料。

本发明的有益效果主要表现在：用具有形状记忆功能的SMP材料制作与患者自身牙齿排列相匹配的个性化形状的正畸弓丝，配合通用的自锁托槽，通过弓丝在口腔温度环境下的形状回复提供稳定、持续的正畸矫正力，实现个性化的正畸治疗，减少患者佩戴矫治器的治疗时间和医院回访次数。

附图说明

图1是牙齿和牙槽骨的示意图。

图2是复合模型的示意图，其中，1为石膏模型，2为三位重建骨骼。

图3是目标牙列的示意图。

图4是确定托槽在牙上的位置的示意图。

图5是个性化弓丝的示意图。

图6是弓丝的成型模具示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图6，一种基于形状记忆聚合物弓丝的个性化正畸方法，通过患者CT数据重建出包括骨骼、牙齿的三维口腔模型后，与患者牙模的扫描重建后的数据重合，根据患者的牙齿排列及骨骼条件，制订出正畸治疗方案，得到治疗后的最终牙列排列；在此基础上，选择托槽并确定每颗牙上的托槽位置；根据托槽位置设计正畸弓丝，其形状即与经过正畸治疗后的牙列和托槽位置相匹配，是SPM弓丝需要恢复的记忆中的形状；临床操作时，将弓丝置于一定的温度环境中使其变软，即可方便的固定于患者口腔中牙上的托槽内。

主要的步骤：

1）CT数据采集及牙模制作：拍摄患者口腔部位的CT图像，并制作患者石膏牙模。

2）口腔组织三维模型重建：利用三维重建软件基于CT数据重建患者口腔模型，重建模型包括牙齿和牙槽骨,如图1所示。

3）扫描并重建牙模：利用三维扫描仪扫描石膏牙模，然后利用逆向重建软件重建出牙模的三维模型，将该模型与基于CT重建的模型重合，得到了包括牙齿、牙槽骨和牙龈表面的复合模型，如图2所示。

4）在复合模型上，根据患者的牙齿错位情况，制订出牙齿移动的步骤，得到正畸治疗方案，测算出包括牙齿移动量、所需的正畸力和力矩、加力的方式等关键参数，并排出经过治疗后的目标牙列，如图3所示。

5）根据目标牙列为每颗牙选择自锁托槽，并确定托槽在牙上的位置，如图4所示。

6）根据每个托槽上的弓丝槽的位置，用扫掠的方式构制出弓丝，该弓丝与目标牙列及托槽的位置严格匹配，具有个性化的形状，如图5所示。

7）根据该弓丝形状设计出成形模具，如图6所示，可以根据需要在一副模具上放置多条不同患者的个性化弓丝。

8）将弓丝模具用金属粉末快速成型技术SLM（Selective Laser Melting）制造出来。

9）利用形状记忆聚合物材料在模具中成型出SMP弓丝。SMP弓丝材料可以采用已经被证实具有形状记忆功能和良好生物相融性的聚氨酯（Polyurethane, PU)材料,它是由固定硬质相4.4’亚甲基异氰酸苯酯和逆变软质相聚己内酯（poly-ε-caprolactone ，PCL)嵌塞共聚合成。作为一种典型的SMP材料，目前市场上可以购买到合成PU的原材料，然后利用材料制备设备在不同温度条件下合成满足要求的PU材料。PU可以在加热至100oC-150oC时通过模具、挤出、注射等成形，得到一次成形制品。

10）临床使用时，将弓丝加热到相变温度（50oC左右）变得柔软，非常方便地固定在托槽中。在口腔温度环境下，弓丝中的软质相逐渐发生软化逆变，恢复到一次成形的初始形状，提供持续稳定的正畸矫治力。

Claims (2)

1.一种基于形状记忆聚合物弓丝的个性化正畸方法，其特征在于：所述正畸方法包括以下步骤：

1)CT数据采集及牙模制作：拍摄患者口腔部位的CT图像，并制作患者石膏牙模；

2)口腔组织三维模型重建：利用三维重建软件基于CT数据重建患者口腔模型，重建模型包括牙齿和牙槽骨；

3)扫描并重建牙模：利用三维扫描仪扫描石膏牙模，然后利用逆向重建软件重建出牙模的三维模型，将该模型与基于CT重建的模型重合，得到了包括牙齿、牙槽骨和牙龈表面的复合模型；

4)在复合模型上，根据患者的牙齿错位情况，制订出牙齿移动的步骤，得到正畸方案，测算出关键参数，所述关键参数包括牙齿移动量、所需的正畸力和力矩以及加力的方式，并排出经过治疗后的目标牙列；

5)根据目标牙列为每颗牙选择自锁托槽，并确定托槽在牙上的位置；

6)根据每个托槽上的弓丝槽的位置，用扫掠的方式构制出弓丝，该弓丝与目标牙列及托槽的位置匹配，具有个性化的形状；

7)根据该弓丝形状设计出成型模具；

8)将弓丝模具用金属粉末快速成型技术SLM制造出来；

9)利用形状记忆聚合物材料在模具中成形出SMP弓丝；

10)临床使用时，将弓丝加热到相变温度变得柔软，固定在托槽中，在口腔温度环境下，弓丝中的软质相逐渐发生软化逆变，恢复到一次成形的初始形状，提供持续稳定的正畸矫治力。

2.如权利要求1所述的一种基于形状记忆聚合物弓丝的个性化正畸方法，其特征在于：所述步骤9)中，SMP弓丝材料采用聚氨酯材料。