1-1 研究背景
隨著生活水平的提高，越來越多人希望接受矯正治療來改善牙齒 的排列及增進咬合功能，甚至提升顏面的和諧及美觀，而矯正治療主 要乃是藉由牙齒的移動改善上述問題。要讓牙齒依照矯正醫師所計劃 的方式移動，必需先在牙齒表面黏上矯正支架(bracket,圖 1-1)，將 矯正線固定在支架上，此外還必需給予一適當的力量來帶動牙齒沿著 或隨著矯正線移動。矯正造成牙齒能夠在齒槽骨內移動的原因，主要 是當施加在牙冠的力量傳導到牙根時，會讓齒槽骨受壓力處產生破骨 細胞 (osteoclast)造成骨頭吸收，反之，在張力處會產生成骨細胞 (osteoblast)造成骨質沈積，牙齒一側的骨頭吸收而另一側的骨頭沉 積，就會讓牙齒產生移動的現象[1]，此為最基本牙齒之所以可以矯 正移動的原理 (圖 1-2)。
在臨床上這個矯正力量的給予方式主要是利用三種裝置，第一個 是矯正線本身提供的力量，此部份的力量是藉由記憶合金矯正線受力 變形後，自身回復原形狀之力量，也就是 unloading phase 時所釋放 之力量。第二是使用鎳鈦合金彈簧 (Ni-Ti closed coil spring)拉
Coil spring
Elastomeric chain Unloading phase of archwire
Ô
方式。a.矯正線 unloading phase 所釋放之力量。b.Coil spring 提供之拉力。 c.天然 或合成彈性鏈提供之拉力。開時回復原形狀之彈力。第三是天然或合成彈性鏈 (Natural or synthetic elastomeric chain)拉開時回復原形狀產生之彈力 (圖 1-3)。
由於矯正治療有時需要配合拔牙來改善顏面美觀，牙齒一旦拔除 後空間的關閉是否順利，便成為影響矯正治療時間長短之重要因素。
一 般 來 說 ， 矯 正 治 療 常 使 用 鎳 鈦 合 金 彈 簧 (Ni-Ti closed coil spring)或是彈性鏈 (Elastomeric chain)來進行空間關閉。然而不 管使用何者來進行空間關閉，皆有其使用上的限制或缺點，例如以第 一項矯正線的unloading phase來進行空間關閉，就無法有效廣泛應 用在各種情況，因為要使用矯正線提供拉力，就需要進行矯正線之彎 曲，然而在很多情況下矯正線必需形成一個讓牙齒移動的軌道，太多 的彎曲會使摩擦力增大，而且會阻礙牙齒的移動。其次是鎳鈦合金彈 簧，雖然其力量輸出較穩定，可是鎳鈦合金彈簧本身長度為 9mm (圖 1-4)，換句話說，彈簧拉開量如果小於9mm並無法利用此彈簧來關閉 空間，因此也限制了它的用途。至於彈性鏈則應用範圍較廣，即便二 顆相鄰之下顎門齒 (二顆距離大約僅6.5mm)，仍然具有關閉空間之力 量 (圖1-5)，然而彈性鏈之組成為彈性聚合物，根據一些文獻報告 [3]，其拉力會因環境各項因素產生衰減的現象，且此力量衰減會比 鎳鈦合金彈簧來得嚴重[4-5]，不過對整體的空間關閉速率，根據C.
Nightingale and S. P. Jones [6]的研究，並沒有太大的落差。而 鎳鈦合金彈簧只受溫度影響，不像彈性鏈受到許多因素的影響，如溫 度、酸鹼值、口腔內酵素、咬合力的影響、口腔衛生等，因此對彈性
鏈的力量衰減模式，有必要進一步了解，以便當使用彈性鏈進行空間 關閉或牙齒移動時能更有效率。
圖 1-5 當矯正進行到後期常 常只剩下不到 2mm 的空間(如 箭頭所示)，一般都是使用彈 性鏈來關閉這些小空間。
圖 1-4 上面為三種不同力量 之 Ni-Ti coil spring，由於 coil spring 本身之長度大 約為 9mm，因此彈簧拉開量小 於 9mm 之空間則無法使用 coil spring 來關閉。
1-2 橡膠的起源及歷史
關於橡膠的使用最早可以追溯到西元前 1600 年，在中美洲和南 美洲人從橡膠樹 (Hevea rubber trees)上採集橡膠 (圖 1-6)並做成 皮球進行一種遊戲叫蹴球，由於這些皮球的彈力極佳，更曾使到訪的 西班牙人以為這些皮球有邪靈附身。
橡膠漸漸被廣泛應用到生活上，例如利用橡膠使木製把柄固定在 一些石器或金屬具上，此外馬雅人更是將橡膠應用在製造暫時性的鞋 子，他們把腳浸泡在橡膠樹乳汁的混合物中待其硬化，如此一來就變 成他們所穿的鞋子。
雖然中美洲土著不像現代人那樣正式地把橡膠硫化，但他們仍能 利用有機物去達到近似的效果，例如把未經加工的乳劑混入不同種類 的樹液或一些藤類植物的汁液中（特別是某些種類的旋花科植物）。
西元 1540 年巴西一些土著會利用橡膠製造防水布料，曾有傳聞稱有 葡萄牙人把這些衣服帶回祖國，把同鄉嚇壞了，結果被控施行巫術而 受審判。
在 1770 年時，橡膠傳到英國，被一個科學家約瑟夫·普利斯特裡 (Joseph Priestley)發現可以擦掉紙上的鉛筆痕跡。到了 1839 年時，
Charles Goodyear[7] 發明了天然橡膠的硫化，算是橡膠工業一大改
進，他利用加熱處理及硫化處理並配合二苯及過氧化氫的加入來進行 硫化 (Vulcanization)，硫化後的橡膠改進了其彈性和強度，此外也 解決了橡膠對溫度的敏感性，大大增加了橡膠的用途 (圖 1-7)，以 上這些都是早期橡膠發展沿革及應用在生活上的事蹟。雖然天然橡膠 擁有還算不錯的性質，但是其最大的限制在於對臭氧和自由基 (如陽 光和紫外線均會產生自由基)太過於敏感，容易因為未飽和雙鍵的被 破壞一段時間後會產生龜裂的情形[8]，後來隨著化學慢慢地進步，
以前使用的橡膠都可以被合成類似性質的結構，而且強化並改良成更 好的性質，這類橡膠稱為合成橡膠 (synthetic rubber)。
早在 1826 年就有學者發現天然橡膠的成份可能是 C5H8 之化學 式，到了 1860 年時 Greville Williams 提出橡膠可能是 isoprene 之聚合物，直到 1909-1910 Prof. W.H. Perkin 等人才發明出第一個 合成橡膠 butadiene，可是合成橡膠真正開始蓬勃發展是一直到 1920 年代[9-12]。
圖 1-6 天然橡膠的採集。天然橡 膠是從一些橡膠樹採得，包含
Hevea brasiliensis、Ficus elastica
等橡膠樹。
圖 1-7 硫化後的橡膠在強度上 遠大於未硫化橡膠，也因此增加 了硫的應用性[10,11,12]。
1-3 矯正用彈性體材料 (Elastomer)
彈 性 材 料 最 大 的 特 性 即 是 會 表 現 出 橡 皮 彈 力 (rubber elasticity)，這類材料會表現出很特殊的應力應變圖 (圖 1-8)，在 一開始受力時，其表現為曲線，而不是像金屬或陶瓷是呈現直線，而 彈性體的彈性限度 (elastic limit)，剛好會落在曲線的轉折點，從 圖 1-8 上可看到本來曲線是彎折向下，後來變成彎折向上，中間的點 即為其彈性限度 (圖中箭頭所示)，超過此限度的彈性變形為不可逆 之改變，即代表其結構或是交聯 (cross-link)已有破裂產生。
彈性體的另一項特性就是給予負荷速度會影響其力量之表現 [13]，如 1-9 所示，如果對彈性鏈拉開的速度比較慢，其力量的衰減 也會比較小，因此在口腔內掛上彈性鏈時應該儘量減緩其延伸之速度 將彈性鏈掛上，此動作可以有效減小力量的衰減。
圖 1-8 彈性體材質受力並不是呈 一直線而是在一開始受力時為向 下彎曲之曲線，一旦超過了彈性 限度(圖中箭頭處)則變成向上的
圖 1-9 拉開彈性鏈的速度較快 時，其力量的衰減也會比較多。
[13]
彈性材質應用在齒顎矯正臨床上，已經超過 40 年，且廣泛為全 世界矯正醫師所接受使用，其間歷經不斷改良及新製品的研發，現今 比較常看到在口腔內使用的彈性橡膠上大致有以下 4 種：
1. 彈性鏈 (Elastomeric chain) (圖 1-10)
彈 性 鏈 自 從 1960 年 代 [14] 開 始 使 用 在 矯 正 上 拉 動 顎 內 (intra-arch)牙齒關閉空間以及改正旋轉 (rotation)的牙齒，至今 已超過 40 年，其製造材質從早期天然乳膠 (Natural latex)，慢慢 演 變 到 後 來 使 用 人 工 合 成 之 彈 性 鏈 (synthetic elastomeric chain)，由於其製作出來的形狀類似許多環形橡皮筋連成一鏈狀，
故一般常稱為 Elastic chain 或是 Elastomeric chain，而每家廠 商的商品名雖然不同，不過其成份和製作方法大致上類似，如 TOMY 的 Super chain/NEO chain、Ormco 的 Power chain 或是 RMO 的 energy chain 等 均 是 。 目 前 的 合 成 彈 性 鏈 材 質 大 多 是 由 聚 氨 脂 (polyurethane)所形成無定形的 (amorphous)聚合物，關於其詳細 之性質會在 1-4 節討論。
2. O 形環 (O ring) (圖 1-11)
O 形環其實與彈性鏈性質非常類似，主要也是 polyurethane 所 構成，最大的不同是其形狀並非像彈性鏈般形成鏈狀，而是單獨一個 一個環所構成，它主要功能是將矯正線固定在矯正支架的凹槽內，並
非去拉動牙齒移動，所以它的功能和金屬結紮線是一樣的，不同的只 是 O 型環套入和取出比較方便，也有許多醫師比較喜歡使用 O 型環而 不喜歡金屬結紮線。
3. 顎間橡皮筋 (Intermaxillary elastics) (圖 1-12)
顎間橡皮筋與彈性鏈和 O 型環之組成就比較不同，其成份大多是 聚異戊二烯 (Polyisoprene)，它的形狀類似 O 型環為單獨一圈，但 是因為其用途主要是上下顎牙齒間之牽引 (圖 1-13)，因此有分相當 多各種不同的尺寸大小，常見的尺寸為 3/16 英吋、1/4 英吋、5/16 英吋，由於聚異戊二烯做成之彈性材質，其力量維持比 polyurethane 穩定，但最大的問題在於聚異戊二烯之橡膠較容易吸水產生尺度變化 及劣化，所幸在臨床上更換顎間橡皮筋非常容易，且病患也可以每日 自行更換以便維持適當的力量輸出。
4. 分離橡皮筋 (Separating elastics) (圖 1-14)
此分離橡皮筋之主要目的是放在牙齒之間，藉由吸收水份膨脹將 二顆牙齒撐開使牙縫變大，以便下次回診時能夠輕易置入金屬環帶，
因此分離橡皮筋之拉力無關緊要，在此不予討論。
由於本實驗主要專注在彈性鏈力量表現之研究，因此對於 O 型 環、顎間橡皮筋及分離橡皮筋在此就不再詳加說明。
圖 1-10 Tomy 公司所生產的彈 性鏈。
圖 1-11 O 型環，可以將矯正主 線固定在矯正支架上。
圖 1-12 3M 公司所生產的顎間橡 皮筋。
圖 1-14 分離橡皮筋(如箭頭所 示)。
圖 1-13 口腔內正在使用的顎間 橡皮筋。
1-4 矯正用彈性鏈的性質
1-4-1 化學性質
有別於天然橡膠是 Cis-1,4 polyisoprene，大約包含 500 個單 元，彈性鏈及 O 型環的材質均是聚氨脂 (polyurethane)，單體 (urethane)化學式為-
(NH) - (C= 0) – 0
(圖 1-15)，
經由縮合聚合反 應 形 成 高 分 子 聚 合 物 ， 分 子 量 大 約 是 500,000 左 右 [15,16] 。 Polyurethane 聚合物的形成會經過許多步驟，主要是由帶芳香團的 二異氰酸酯 (aromatic diisocyanate)與長鏈二醇 (polyol，通常是 polyester 或是 polyether)和鏈延長劑 (chain extender，通常是二 胺 diamine)，前二者不同比例可製出不同軟硬度的產品，此外根據有別於天然橡膠是 Cis-1,4 polyisoprene，大約包含 500 個單 元，彈性鏈及 O 型環的材質均是聚氨脂 (polyurethane)，單體 (urethane)化學式為-