Abstract
目的
在干燥和人工唾液环境中测量Lock-loose托槽结扎中间翼和结扎全翼时与弓丝之间滑动摩擦力和静摩擦力的大小，并与传统四翼托槽和自锁托槽进行对比。
方法
应用原子力显微镜观察不锈钢弓丝与不同托槽摩擦前后的表观形貌。选用Lock-loose托槽、传统四翼托槽和自锁托槽，分别与0.406 4 mm、0.457 2 mm不锈钢圆丝和0.457 2 mm×0.634 9 mm、0.482 6 mm×0.634 9 mm不锈钢方丝组合，其中Lock-loose托槽使用结扎中间翼和结扎全翼两种结扎方式。使用电子万能力学实验机测量干燥和人工唾液两种环境下弓丝在托槽内滑动的动、静摩擦力。
结果
不同尺寸弓丝与不同托槽摩擦前后的表面粗糙度无明显差异（P>0.05）；Lock-loose托槽结扎中间翼与4种弓丝组合的动、静摩擦力均接近于0，与传统四翼托槽有明显差异（P<0.05）；与0.457 2 mm×0.634 9 mm不锈钢方丝组合时，Lock-loose托槽结扎全翼可以获得最大动、静摩擦力，与传统四翼托槽和自锁托槽的差异有统计学意义（P<0.05）；人工唾液环境中的摩擦力小于干燥环境中的摩擦力（P<0.05）。
结论
Lock-loose托槽可以通过不同的结扎方式调节并获得临床所需的摩擦力，有效解决了低摩擦力与强支抗控制的矛盾问题。
Keywords: Lock-loose托槽, 摩擦力, 人工唾液, 正畸
Abstract
Objective
Frictions of Lock-loose brackets with ligated main wings or all six wings were measured as they slid along archwires in dry and artificial saliva environments. The Lock-loose brackets were then compared with traditional brackets and self-ligating brackets.
Methods
The surface states of the stainless steel archwires were observed with atomic force microscopy before and after mechanical traction. The Lock-loose brackets, traditional brackets, and self-ligating brackets used in this study were composed of 0.406 4 and 0.457 2 mm stainless steel round archwires and 0.457 2 mm×0.634 9 mm and 0.482 6 mm×0.634 9 mm stainless steel rectangular archwires. Two different ligating methods were applied to the Lock-loose brackets, i.e., main wings ligated and all six wings ligated. Frictions were measured by using an electronic universal testing machine.
Results
No significant differences were found between the roughness of different archwires before and after mechanical traction in different brackets (P>0.05). When the main wings of the Lock-loose brackets were ligated, the frictions of the four different stainless steel archwires were close to zero, and the difference with frictions of traditional brackets was significant (P<0.05). When using 0.457 2 mm×0.634 9 mm rectangular archwires, maximum friction (P<0.05; significantly different from those of other brackets) was reached when all six wings of the Lock-loose brackets were ligated. Frictions in the dry state were higher than those in the wet state (P<0.05).
Conclusion
The Lock-loose brackets can adjust the friction efficiently with different ligating methods, thus solving the problem of low friction and strengthening anchorage.
Keywords: Lock-loose bracket, friction, artificial saliva, orthodontic
矫治错
畸形的本质就是在力的作用下，通过矫治器对错位的牙齿施加适当的矫治力，使其向正确的方向和位置移动，重建协调、稳定、美观的咬合关系。牙齿的移动主要通过托槽和弓丝之间的相对运动来完成。研究[1]发现，使牙齿移动的力大约有50%用来克服托槽、弓丝、结扎丝之间的阻力，因此托槽和弓丝之间的摩擦力是影响矫治力的重要因素之一。如果忽略矫治过程中摩擦力的影响，则会导致支抗丧失和不良的牙齿移动。
为了满足正畸治疗的不同阶段及不同牙齿对摩擦力的不同需求，在LF（low friction and low force）托槽的理念下[2]，由吉林大学口腔医院杨陆一将LF托槽的平底槽沟设计为槽沟带有突脊的正畸托槽，命名为Lock-loose托槽，并取得国家实用新型专利[3]。Lock-loose托槽在原有LF六翼托槽的基础上将平底槽沟设计成峰形，并相应增加托槽中间翼槽壁高度和托槽底厚度，希望可以在正畸过程中仅通过采用不同的结扎方式就可同时解决摩擦力和支抗控制的问题。口腔的唾液环境是影响摩擦力的主要生物因素之一，但唾液环境对摩擦力的影响尚存争议[4]–[5]。为进一步研究Lock-loose托槽的摩擦力特性，本实验在干湿两种条件下，比较结扎中间翼的Lock-loose托槽、结扎六翼的Lock-loose托槽、传统四翼托槽以及自锁托槽分别与不同的不锈钢弓丝在弹性橡皮结扎圈结扎情况下的摩擦力特性，为其临床应用提供参考。
1. 材料和方法
1.1. 实验材料
1.1.1. 托槽
槽沟尺寸为0.558 8 mm×0.711 2 mm的Lock-loose托槽（杭州奥杰医疗器材有限公司），其结构见图1，峰高A=0.39 mm；传统的四翼托槽（杭州新亚齿科材料有限公司）；自锁托槽（TOMMY公司，日本）。
图 1. Lock-loose托槽示意图.
Fig 1 Sketch map of the Lock-loose bracket
1.1.2. 其他材料
弓丝：0.406 4 mm不锈钢圆丝，0.457 2 mm不锈钢圆丝，0.457 2 mm×0.634 9 mm 不锈钢方丝，0.482 6 mm× 0.634 9 mm不锈钢方丝（TP公司，美国）；结扎材料选用弹性橡皮结扎圈（Ormco公司，美国）；釉质黏合树脂（天津市合成材料工业研究所）；自制托槽标尺板；电子万能力学实验机（Shimadzu公司，日本），原子力显微镜（aomic force microscopy，AFM）（Veeco公司，美国）。
1.2. 实验方法
1.2.1. 微观实验
由于物体的表面形貌会影响摩擦力的大小，因此为了验证Lock-loose托槽是通过改变结扎方式来调节正畸过程中所需的摩擦力，而不是因为托槽与弓丝之间摩擦导致表面形貌的变化而引起摩擦力的改变，本研究使用结扎全翼的方式来确保弓丝与托槽之间有摩擦力产生。截取与托槽摩擦前后的4种弓丝（0.406 4 mm、0.457 2 mm不锈钢圆丝和0.457 2 mm×0.634 9 mm、0.482 6 mm× 0.634 9 mm不锈钢方丝）各5段，每段长5 mm，通过AFM观察表观形貌，分析摩擦对其表观粗糙度的影响，从而确定Lock-loose托槽与现有托槽对弓丝表面影响的差异。
1.2.2. 摩擦力测试
实验所用的弓丝、托槽和结扎材料用体积分数75%的乙醇清洁吹干后，将托槽固定在标尺板上，弓丝嵌入托槽之后用橡皮圈结扎。标尺一端固定于电子万能力学实验机的拉伸夹具上，然后将弓丝一端固定，拉伸夹具、弓丝和托槽的中心点在同一垂直线上（图2）。以10 mm·min−1的速度拉动弓丝，行程10 mm，记录托槽与弓丝间的最大静摩擦力和滑动摩擦力。
图 2. 摩擦力测试方法.
Fig 2 Measurement of friction
本实验设计有弓丝、托槽、环境共3个实验因素，每个实验因素又分为不同的水平（表1），各因素各水平完全组合，每个组合取3个样本，每个样本重复实验3次。
表 1. 本实验采用的设计因素.
Tab 1 The designing factors of the experiment
| 实验 | 实验因素 | ||
| 水平 | 托槽 | 弓丝/mm | 环境 |
| 1 | Lock-loose结扎托槽全翼 | 0.406 4 | 干燥 |
| 2 | Lock-loose结扎托槽中间翼 | 0.457 2 | 唾液 |
| 3 | 传统四翼托槽 | 0.457 2×0.634 9 | - |
| 4 | 自锁托槽 | 0.482 6×0.634 9 | - |
1.3. 统计学分析
使用SPSS 16.0统计软件进行单因素方差分析，各组均数以最小显著差异法（least significant difference，LSD）进行两两比较，检验水准为双侧α=0.05。
2. 结果
2.1. 微观实验结果
通过AFM观察弓丝在摩擦前后的表观形貌见图3，使用AFM后处理软件Nano Scope Analysis对弓丝的表观形貌进行分析，并测量摩擦前后弓丝的表面粗糙度，其结果见表2。图3中的亮度反映了材料表面的高低形貌，颜色越亮表示表面突起越高。图3A为摩擦前弓丝表观形貌，图3B、C、D为弓丝与不同托槽摩擦后的表观形态。比较摩擦前后的弓丝形貌，可见托槽与弓丝之间的摩擦对弓丝形貌有所影响，但是摩擦后的表面粗糙度无明显区别。从表2可以看出，4种弓丝与不同托槽摩擦前后的表面粗糙度均无明显差异（P=0.944）。
图 3. 0.457 2 mm×0.634 9 mm不锈钢方丝摩擦前后在AFM下的表观形貌.
Fig 3 The surface states of 0.457 2 mm×0.634 9 mm stainless steel rectangular archwires before and after mechanical traction under AFM
A：摩擦前；B：与传统四翼托槽组合摩擦后；C：与Lock-loose托槽组合摩擦后；D：与自锁托槽组合摩擦后。
表 2. 摩擦前后弓丝表面粗糙度.
Tab 2 Mean values for roughness of archwires before and after mechanical traction
| 弓丝/mm | 摩擦前 | 摩擦后 | ||
| 与传统四翼托槽组合 | 与Lock-loose托槽组合 | 与自锁托槽组合 | ||
| 0.406 4 | 18.1±1.5 | 19.1±1.7 | 20.1±2.1 | 19.3±1.1 |
| 0.457 2 | 18.6±1.4 | 19.3±1.3 | 21.2±0.8 | 20.7±1.6 |
| 0.457 2×0.634 9 | 22.9±2.1 | 22.3±3.4 | 24.1±2.3 | 23.6±1.5 |
| 0.482 6×0.634 9 | 21.8±0.9 | 20.1±1.5 | 22.1±1.8 | 21.1±1.7 |
nm
2.2. 摩擦力测试结果
电子万能力学实验机记录的摩擦力测量结果见图4。曲线最大载荷为最大静摩擦力值，后期趋于平滑稳定时的载荷为滑动摩擦力值。
图 4. 摩擦力测量结果.
Fig 4 Results of the friction test
干燥和湿润环境下不同托槽—弓丝组合在橡皮圈结扎时的最大静摩擦力和滑动摩擦力见表3。干燥环境下，Lock-loose托槽结扎中间翼时，与不同弓丝间的动、静摩擦力均接近于零，与传统四翼托槽有明显差异（P<0.05）；Lock-loose托槽结扎全翼时，与不同弓丝间的动、静摩擦力均大于传统托槽结扎四翼，差异有统计学意义（P<0.05）；方丝与不同托槽的动、静摩擦力均大于圆丝与相应托槽的摩擦力值，差异有统计学意义（P<0.05），其中Lock-loose托槽结扎全翼与（0.457 2×0.634 9） mm弓丝组合时，获得的动、静摩擦力值均为最大（P<0.05）。比较不同托槽—弓丝组合在干燥和人工唾液状态下的动、静摩擦力可以看出，干燥与人工唾液环境下的最大静摩擦力和滑动摩擦力的差异均有统计学意义（P<0.05），人工唾液环境下的摩擦力小于干燥环境下。由此可见，环境、托槽和弓丝对摩擦力的影响均有统计学意义，且托槽与弓丝之间存在明显交互作用。
表 3. 干燥和唾液环境中不同托槽—弓丝组合的摩擦力.
Tab 3 Friction of different combinations in dry and artificial saliva environment
| 摩擦力 | 托槽 | 0.406 4 mm | 0.457 2 mm | （0.457 2×0.634 9） mm | （0.482 6×0.634 9） mm | ||||
| 干燥 | 唾液 | 干燥 | 唾液 | 干燥 | 唾液 | 干燥 | 唾液 | ||
| 静 | 传统四翼托槽 | 1.09±0.07 | 0.74±0.14 | 1.23±0.20 | 0.99±0.07 | 1.84±0.22 | 1.22±0.12 | 2.41±0.45 | 1.84±0.25 |
| 静 | Lock-Loose托槽结扎全翼 | 1.76±0.17 | 1.32±0.12 | 2.26±0.12 | 1.58±0.25 | 3.20±0.30 | 2.50±0.24 | 2.97±0.22 | 2.54±0.27 |
| 静 | Lock-Loose托槽结扎中间翼 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 静 | 自锁托槽 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1.04±0.29 | 0.66±0.09 | 1.51±0.16 | 0.65±0.09 |
| 滑动 | 传统四翼托槽 | 0.84±0.11 | 0.48±0.10 | 0.96±0.21 | 0.69±0.06 | 1.46±0.15 | 0.98±0.10 | 1.93±0.50 | 1.37±0.13 |
| 滑动 | Lock-Loose托槽结扎全翼 | 1.52±0.23 | 1.06±0.11 | 1.90±0.15 | 1.31±0.16 | 2.75±0.45 | 2.05±0.14 | 2.44±0.13 | 2.03±0.26 |
| 滑动 | Lock-Loose托槽结扎中间翼 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 滑动 | 自锁托槽 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0.86±0.26 | 0.51±0.11 | 1.14±0.14 | 0.80±0.16 |
N, x±s
3. 讨论
3.1. Lock-loose托槽的摩擦力特性
Lock-loose托槽是在原有直丝托槽的基础上将槽沟设计为突脊形状，并未对原有直丝托槽所预制的数据做更改。由于Lock-loose托槽主要使用在后牙段，因此在关闭拔牙间隙时增加后牙支抗的同时，也可以通过托槽预成的转矩来使牙齿的位置得以调整。Lock-loose托槽结扎中间翼时，因为中间翼槽壁高度增加，橡皮圈与弓丝之间分离，槽沟形成管状结构，弓丝受到的结扎力极小[6]，使得弓丝与托槽之间的摩擦力减小；而结扎全翼时，则类似传统托槽的结扎方式，此时橡皮圈从侧翼外侧与托槽接触，对弓丝产生一定的压力。由于Lock-loose托槽全翼的周长大于传统四翼托槽全翼的周长，而橡皮圈的周长是一定的，因此Lock-loose托槽结扎全翼时弓丝与托槽间压力大于传统四翼托槽，由于摩擦力与结扎压力成正比[7]，所以其摩擦力大于传统托槽。虽然Moore等[8]认为摩擦力随着弓丝横截面积的增加而增大，但是本研究所使用的4种弓丝在与Lock-loose托槽的组合中，由于（0.457 2 mm×0.634 9 mm方丝较0.482 6 mm×0.634 9 mm方丝更易发生变形，在相同橡皮圈结扎条件下，其与托槽的接触面积更大，所以获得了4种托槽—弓丝组合中最大的摩擦力。
在临床正畸治疗过程中，托槽沿弓丝滑动时产生的摩擦力越大，牙齿移动时所需矫治力就越大。在直丝弓矫治过程中，利用滑动法关闭间隙时，需要弓丝在托槽和颊面管中自由滑动，此时采用Lock-loose托槽结扎中间翼的方式，获得弓丝与托槽间尽可能小的摩擦阻力，获得较好临床效果的同时，满足了正畸轻力原则，患者疼痛感也明显减轻[9]–[10]；而在最后的精细调整阶段，临床医生通常希望加大个别牙齿托槽与弓丝间的摩擦力，以使牙齿在三维方向上得到精确的调整；再如临床上用两步法关闭间隙拉尖牙向远中移动过程中，当不允许任何的支抗后牙移动而发生支抗丧失时，支抗牙齿托槽和弓丝间的摩擦力需要足够大[11]，此时可以采用Lock-loose托槽结扎全翼来获得较大的摩擦力。
3.2. Lock-loose托槽对弓丝的影响
根据物理学原理，当两个接触的固体之间发生相对移动的时候，在其接触面上会产生与其运动方向相反的摩擦力[12]，临床上弓丝和托槽之间的摩擦力正是由于两者之间的相对运动引起。Lock-loose托槽通过改变槽沟形状来改变与弓丝之间的接触面积，从而控制临床所需的摩擦力大小；但是对比弓丝与Lock-loose托槽、传统四翼托槽和自锁托槽摩擦前后表观形貌可以发现，3种托槽对弓丝表面形貌的影响无明显差异，可见Lock-loose托槽可在临床推广应用。
3.3. 干湿条件对摩擦力的影响
考虑到口腔的唾液环境，本研究同时测量了干燥和人工唾液环境下托槽与弓丝之间的动静摩擦力。由于唾液的润滑作用，人工唾液环境中同种托槽与弓丝之间的动静摩擦力均小于干燥环境下的摩擦力，且差异有统计学意义（P<0.05），这与Cash等[13]的研究是一致的。
Lock-loose托槽具有灵活的摩擦力特性，采用不同结扎方式即可控制摩擦力的大小，既解决了传统四翼托槽摩擦力变化范围小，无法获得多种摩擦力的缺点，又弥补了自锁托槽在精确调整时无法提供足够摩擦力的弊端；同时，Lock-loose托槽的操作方法简便，无需特殊工具，而成本远低于进口托槽，更适合中国国情，有利于在临床上推广应用。牙齿移动是一个复杂的生物力学过程，托槽与弓丝之间的摩擦阻力只是牙齿受力的一部分，不能以单纯摩擦力的大小来说明牙齿受力的大小和移动的快慢，而本实验只是对牙齿移动中摩擦力部分进行初步研究。此外，本实验部分地模拟了口腔环境，在一定程度上反映了口腔环境中的摩擦力状况，但是唾液外的其他生物因素，例如肌力、咬合力、牙周组织、牙齿移动方式、咀嚼等也会影响正畸摩擦力，因此要反映真实口腔环境中的摩擦力状况，仍需进一步研究。在后续研究中，笔者将对不同结扎方式对摩擦前后的弓丝与托槽表面形貌的影响做更加深入全面的研究。此外，本研究所使用托槽槽沟底峰高为0.39 mm，以后将针对不同峰高的托槽进行摩擦力研究，从而获得最佳的峰高高度并应用于临床。
Funding Statement
[基金项目] 吉林省卫生厅科研基金资助项目（2010Z096）
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