評估不同矯正器及矯正線組合之間摩擦力的表現; Evaluation on frictional forces between different sets of orthodontic brackets and archwires

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(1)中國醫藥大學臨床醫學研究所碩士學位論文. 中國醫藥大學醫學研究所臨床牙醫學組碩士學位論文. 評估不同矯正器及矯正線組合之間摩擦力的表現. 評估不同矯正器及矯正線組合之間摩擦力的表現 Evaluation on frictional forces between different sets of orthodontic brackets and archwires. 指導教授: 余建宏博士許瑞廷博士. 吳麗君. 研究生: 吳麗君. 中華民國九十八年七月. 中華民國九十八年七月.

(2) 中文摘要在齒顎矯正的拔牙症例中，尤其會面臨空間關閉的問題。然而存在於矯正器及矯正線之間的摩擦力，常會影響牙齒初期的移動，造成初期移動效果緩慢，因此必須了解矯正器及矯正線之間的摩擦阻力表現，以做為臨床選擇矯正裝置的參考。本研究主要針對目前常用之矯正器/矯正線的組合，來進行摩擦阻力的研究及探討。具體目標有二：第一，探究不同材質的矯正器及矯正線在相對滑動時的最大靜摩擦阻力的差異，並同時了解改良式超彈性鎳鈦合金線 (improved super-elastic nickel-titanium alloy wire，亦稱為 low-stress hysteresis wire, LH wire)的摩擦力表現。第二，觀測不同矯正線的表面性質，以了解矯正線表面性質與摩擦阻力的關係。本研究選用三種矯正器及四種矯正線之組合。選用之三種矯正器，包括：不鏽鋼金屬矯正器、透明塑膠矯正器合併金屬溝槽及自鎖式矯正器；四種矯正線，包括：不鏽鋼矯正線、LH 矯正線、Sentalloy 鎳鈦合金線及鈦鉬合金線(Beta-titanium wire)。樣本數一共有 12 組，每組 10 個樣本，總計 120 個樣本數。實驗分為兩部分：一是摩擦阻力測試：使用材料測試機搭配荷重元為測試平台，量測滑動模式下之最大靜摩擦阻力。二是矯正線表面性質觀測：包括定量分析矯正線的. I.

(3) 表面硬度及表面粗度與定性分析(以金相顯微鏡及掃描式電子顯微鏡) 觀測摩擦阻力測試前後矯正線表面型態的變化。實驗結果顯示：第一部分摩擦阻力測試結果，在矯正線的比較為鈦鉬合金線所測得的最大靜摩擦阻力最高；不鏽鋼矯正線最小； Sentalloy 鎳鈦合金線及 LH 矯正線介於兩者之間。矯正器的比較為自鎖式矯正器 mini Clippy 所測得的最大靜摩擦阻力最小；不鏽鋼金屬矯正器及透明塑膠矯正器合併金屬溝槽在與 LH 矯正線、Sentalloy 鎳鈦合金線及鈦鉬合金線三者組合時，最大靜摩擦阻力沒有顯著差異。第二部分矯正線表面性質觀測結果：在表面硬度測量結果為不鏽鋼矯正線表面硬度最大，鈦鉬合金線居中，LH 矯正線及 Sentalloy 鎳鈦合金線表面硬度最小且兩者無顯著差異；表面型態的觀測由金相顯微鏡觀測到四種矯正線表面型態皆不相同，其中不鏽鋼矯正線呈現亮度最高、表面最為平滑的影像，其他三者則亮度明顯較暗，而掃描式電子顯微鏡在 1000 倍下觀測到實驗後之 LH 矯正線及 Sentalloy 鎳鈦合金線表面有明顯 abrasion 現象，鈦鉬合金線除了 abrasion 現象還伴隨 adhesion 現象產生；表面粗度測量結果為 LH 矯正線表面粗度最大， Sentalloy 鎳鈦合金線次之且與 LH 無顯著差異，鈦鉬合金線居中，不鏽鋼矯正線最小。關鍵字：矯正、矯正器、LH 矯正線、摩擦阻力、表面型態。 II.

(4) Abstract Sliding a tooth along an archwire is a very common orthodontic procedure, especially during closure of spaces in the extraction case. A frictional force generated at bracket/archwire interface tends to resist the desired movement, thus reduce the efficiency of orthodontic treatment. Therefore, understanding the frictional force between brackets and archwires is one of the important issues. The objectives of this in vitro study were to evaluate the frictional mechanism between different sets of the orthodontic brackets and archwires during sliding, and surface characteristics of the archwires including hardness, surface topography and surface roughness. Three types of preadjusted maxillary canine brackets were selected in this study: metal brackets, plastic brackets with metal slot, and self-ligating brackets. Four types of archwires were also used: stainless steel wires, Sentalloy nickel-titanium (Ni-Ti) alloy wires, low-stress hysteresis (LH) wires, and Beta-titanium wires (TMA). The experiment were divided into two parts: (1) frictional force testing: each bracket-archwire combination was subjected to 10 independent evaluations, giving a total of 120 trials in this study. Testing was performed on a material testing machine with a 10-N load cell. The static frictional friction, peak point of friction, was used as the evaluation index. (2) measurement of the surface characteristics of archwires: surface hardness, surface roughness, and surface topography obtained from metallographic microscope and scanning electron microscope (SEM). III.

(5) The results of the study showed that the significant differences were observed in the frictional forces among the different combinations of brackets and archwires. Basically, Self-ligating brackets showed the lowest frictional forces in all type of archwires. Furthermore, except to the stainless steel wires group, no significant difference between metal brackets and plastic brackets. For the three types of brackets, TMA wires showed the highest frictional force and stainless steel wires showed the lowest. In addition, no significant difference between LH wires and Sentally Ni-Ti alloy wires were observed. Compared to the new archwire, from the SEM image at 1000 magnitude, the surface topography of the tested wires were quite different: LH wires and Sentally Ni-Ti alloy wires appeared full continuous lines due to the obvious difference of surface hardness of both wires and stainless steel wires. TMA wires showed irregular rough surface that are attributed to the phenomenon of adhesion and abrasion. Comparing the results from four types of archwires in this study, no correlation was found between the increase surface roughness and frictional force. Key words: Orthodontic; Bracket; LH wire; Frictional force; Surface topography.. IV.

(6) 誌謝畢業七年後再回到母校中國繼續唸研究所，其實是思量許久的決定，因為擔心自己無法勝任課業的負荷，也擔心自己的能力不能做好。這段學習的歷程，衷心感謝我的臨床指導老師也是我的矯正啟蒙老師-余建宏老師，很幸運能在余老師認真又詳細的教導下，對矯正從懵懂惶恐到逐步熟悉了解並能實際操作。今日的我在矯正治療上若有絲毫的進步與自信，都要歸功於余老師的指導。另外要特別感謝我的研究指導老師許瑞廷老師，初期當我對實驗感到擔憂時，是許老師帶領我一步步從實驗的構想裝置到步驟，每個環節都耐心的教導我，也因此啟發我對實驗的熱忱與投入。同時感謝許老師與牙醫系黃恆立老師，從研一開始就認真指導我們研究的相關知識並不斷給予修正與建議，並且感謝牙醫系林殿傑老師、明道大學張銀祐老師與陽明大學黃何雄老師，在研究上給予我協助以及許多非常寶貴的意見，讓這篇論文能更完整。還有中國矯正科已畢業的琬真與志杰、嘉隆、佳陞、桄緯、馨文、亭延、冠遇、長陽、冠綾等可愛的學弟妹及芳如，謝謝你們一直以來給予我的關心及幫助。最後要深深感謝我的老公志鈴，因為你的包容與體諒，支持我能夠努力到最後，也由衷感謝我的父母和公婆，一直沒好好陪伴你們，但你們的體諒與關懷總是適時給予，溫暖了我也成就了今日的我。 V.

(7) 目錄中文摘要..................................................................................................... I 英文摘要.................................................................................................. III 誌謝............................................................................................................V 目錄.......................................................................................................... VI 表目錄...................................................................................................... IX 圖目錄...................................................................................................... XI 第一章前言...............................................................................................1 1-1 研究背景 .....................................................................................1 1-2 齒顎矯正裝置的演進 .................................................................6 1-3 牙齒移動機制 .............................................................................9 1-4 摩擦力與齒顎矯正之關係 .......................................................13 1-4-1 摩擦力的定義................................................................16 1-4-2 摩擦力的影響因素........................................................17 1-5 文獻回顧 ...................................................................................19 1-5-1 矯正線對齒顎矯正摩擦力之影響................................19 1-5-2 矯正器對齒顎矯正摩擦力之影響............................... 26 1-5-3 綁紮方式對齒顎矯正摩擦力之影響............................30. VI.

(8) 1-6 研究動機及目的 .......................................................................33 第二章研究材料與方法 ....................................................................... 35 2-1 實驗流程圖 ...............................................................................35 2-2 實驗材料 ...................................................................................37 2-2-1 矯正器之種類.................................................................37 2-2-2 矯正線之種類.................................................................39 2-2-3 綁紮方式.........................................................................41 2-3 摩擦阻力之實驗裝置及實驗步驟 ............................................41 2-3-1 實驗平台.........................................................................42 2-3-2 實驗夾具.........................................................................43 2-3-3 矯正器定位器.................................................................45 2-3-4 實驗步驟….....................................................................48 2-4 矯正線表面性質之觀測 ............................................................52 2-4-1 矯正線表面硬度之測量.................................................52 2-4-2 矯正線表面型態之觀測.................................................54 2-4-3 矯正線表面粗度之測量.................................................58 2-5 資料分析和統計 ........................................................................59 第三章研究結果.................................................................................... 61 3-1 摩擦阻力實驗裝置之可信度驗證 ............................................61. VII.

(9) 3-2 摩擦阻力測試結果 ..................................................................65 3-3 摩擦阻力測試結果之統計分析………………………………70 3-4 矯正線表面硬度測量結果及統計分析....................................78 3-5 矯正線表面型態觀測結果 ........................................................82 3-6 矯正線表面粗度測量結果及統計分析....................................87 第四章研究討論.................................................................................... 91 4-1 摩擦阻力測試結果之討論 ........................................................91 4-1-1 矯正線種類對最大靜摩擦阻力的影響………………..92 4-1-2 矯正器種類對最大靜摩擦阻力的影響………………..93 4-2 矯正線表面性質觀測結果之討論 ............................................94 4-2-1 矯正線表面硬度之討論……………………………….. 95 4-2-2 矯正線表面型態之討論……………………………….. 98 4-2-3 矯正線表面粗度之討論……………………………….106 4-3 研究限制及未來改善之探討 .................................................113 第五章結論與建議 ............................................................................. 115 參考文獻................................................................................................ 118 作者簡歷………………………………………………………………122. VIII.

(10) 表目錄表 3-1 本試行研究之最大靜摩擦阻力測試結果..................................63 表 3-2 Redlich et al.之最大靜摩擦阻力測試結果...............................64 表 3-3 不鏽鋼矯正線(ss1622)與三種矯正器：不鏽鋼矯正器(ss18)、透明塑膠矯正器合併金屬溝槽(pl18)及自鎖式矯正器 mini Clippy (cl18)組合的最大靜摩擦阻力量測結果.......................66 表 3-4 LH 矯正線(LH1622)與三種矯正器：不鏽鋼矯正器(ss18)、透明塑膠矯正器合併金屬溝槽 (pl18) 及自鎖式矯正器 mini Clippy (cl18)組合的最大靜摩擦阻力量測結果比較...............64 表 3-5 Sentalloy 鎳鈦合金線(Sent1622)與三種矯正器：不鏽鋼矯正器 (ss18)、透明塑膠矯正器合併金屬溝槽(pl18)及自鎖式矯正器 mini Clippy (cl18)組合的最大靜摩擦阻力量測結果 ..............68 表 3-6 鈦鉬合金線(TMA1622)與三種矯正器：不鏽鋼矯正器(ss18)、透明塑膠矯正器合併金屬溝槽(pl18)及自鎖式矯正器 mini Clippy (cl18)組合的最大靜摩擦阻力量測結果.......................69 表 3-7 不同組合之矯正器與矯正線其最大靜摩擦阻力的差異(+： one-way ANOVA；*：Duncan’s multiple range test；摩擦阻力單位：克重)……………………………………………………….70 表 3-8 利用 Two-way ANOVA 得知：無論矯正器、矯正線及交互作用. IX.

(11) 三項皆達到統計上顯著差異(P<0.001) ....................................77 表 3-9 本研究選用之四種矯正線(不鏽鋼矯正線(SS)、鈦鉬合金線 (TMA)、Sentalloy 鎳鈦合金線(SENT)及 LH 矯正線(LH))的表面硬度 HK 測量結果.................................................................78 表 3-10 四種矯正線表面硬度測量結果之描述性統計量....................79 表 3-11 四種矯正線表面硬度測量結果之 ANOVA 表(顯著性為 0.000 <α =0.05)………………………………………………………79 表 3-12 以 Tukey HSD test 來檢定 4 種矯正線表面硬度測量結果…80 表 3-13 本研究選用之四種矯正線(不鏽鋼矯正線(SS)、鈦鉬合金線 (TMA)、Sentalloy 鎳鈦合金線(SENT)及 LH 矯正線(LH))的表面粗度測量結果(Ra 之平均值±標準差，單位：μm)...........87 表 3-14 四種矯正線表面硬度測量結果之描述性統計量....................88 表 3-15 四種矯正線表面粗度測量結果之 ANOVA 表(顯著性為 0.000 <α =0.05)………………………………………………………88 表 3-16 以 Tukey HSD test 來檢定 4 種矯正線表面粗度測量結果 .....89. X.

(12) 圖目錄圖 1-1 矯正裝置示意圖(矯正器及矯正線) ············································ 2 圖 1-2 矯正拔牙治療以紓解齒列擁擠問題············································ 3 圖 1-3 矯正拔牙治療以改善顏面外觀問題············································ 3 圖 1-4 齒顎矯正以拔牙治療須空間關閉之情形···································· 4 圖 1-5 (左)全口環套(banding)裝置；(右)全口黏著(bonding)裝置…….6 圖 1-6 標準式矯正器(standard bracket)與直線式矯正裝置(straight wire appliance)之正面觀比較…………………………………………7 圖 1-7 標準式矯正器(standard bracket)與直線式矯正裝置(straight wire appliance)之咬合面觀比較………………………………………7 圖 1-8 以線圈機制關閉拔牙空間 ··························································· 9 圖 1-9 以滑動機制關閉拔牙空間：(左)彈簧牽引方式，(右)彈性鏈牽引方式……………………………………………………………..10 圖 1-10 理想牙齒移動模式示意圖(由上到下)：牙冠與牙根整體連續性的移動方式……………………………………………… 11 圖 1-11 實際牙齒移動模式示意圖(由上到下)：牙冠先傾倒，牙根再扶正之交替移動方式······························································· 12 圖 1-12 Active archwire：(左)矯正前；(右)矯正後····························· 13 圖 1-13 Basic archwire：(左)矯正前；(右)矯正中······························· 14. XI.

(13) 圖 1-14 摩擦力示意圖 ··········································································· 16 圖 1-15 典型摩擦力圖形 ······································································· 17 圖 1-16 (左)量測摩擦阻力儀器；(右)三種不同金屬矯正線的摩擦阻力數值 ·························································································· 21 圖 1-17 摩擦阻力量測結果(左)比較三種不同矯正線；(右)比較三種不同尺寸的矯正線······································································· 21 圖 1-18 (左)觀測反射光散射程度之裝置；(右)四種不同合金的相對能量(倒數值表示表面粗糙度) ···················································· 22 圖 1-19 (左)矯正線表面粗度器量測結果；(右)原子力顯微鏡量測之矯正線表面結構粗糙度影像······················································· 23 圖 1-20 (左)有限元素模型圖；(右)模擬結果顯示改良式超彈性鎳鈦合金線和不鏽鋼矯正線對於位移的阻尼緩衝能力……………24 圖 1-21 (左)改良式三點彎曲試驗以測量動摩擦力之實驗示意圖；(右) Sentalloy 及 LH 矯正線所量測之遲滯曲線:受力和位移關係圖………………………………………………………………25 圖 1-22 (左到右)：金屬矯正器，塑膠矯正器，陶瓷矯正器 ············· 26 圖 1-23 量測摩擦阻力實驗裝置 ··························································· 26 圖 1-24 (左)量測摩擦阻力之實驗裝置；(右)摩擦阻力圖：以最大靜摩擦力為評估指標······································································· 28. XII.

(14) 圖 1-25 自鎖式矯正器(左：金屬，右：半透明) ································· 29 圖 1-26 Taylor et al.研究中選用之三種不同的矯正器(左到右：Standard, Activa, Speed)··········································································· 29 圖 1-27 (左)量測摩擦阻力之實驗裝置；(右)20 種不同組合的矯正器、矯正線與綁紮方式之摩擦阻力量測結果……………………31 圖 1-28 (左)量測模擬金屬結紮線綁紮力量與摩擦阻力的實驗裝置； (右) 綁紮正向力與摩擦阻力量測結果之關係圖··················· 31 圖 1-29 (左)口內量測摩擦阻力之實驗裝置；(右)5 位矯正專科醫師及 5 位住院醫進行綁鬆綁緊之綁紮力量測量結果 ······················· 32 圖 2-1 摩擦阻力實驗流程圖 ································································ 35 圖 2-2 矯正線表面性質(表面硬度、表面型態及表面粗度)觀測流程圖 ·································································································· 36 圖 2-3 矯正器溝槽截徑示意圖 ···························································· 38 圖 2-4 不鏽鋼金屬矯正器 ···································································· 38 圖 2-5 透明塑膠矯正器合併金屬溝槽················································· 38 圖 2-6 自鎖式矯正器 ············································································ 38 圖 2-7 不鏽鋼矯正線 ············································································ 39 圖 2-8 LH 矯正線··················································································· 40 圖 2-9 Sentalloy 鎳鈦合金線 ································································· 40 圖 2-10 鈦鉬合金線(TMA)··································································· 40. XIII.

(15) 圖 2-11 彈性環 (o-ring) ········································································ 41 圖 2-12 本研究之實驗平台 ·································································· 42 圖 2-13 本研究測試夾具 ······································································ 43 圖 2-14 ㄇ字型夾具之特製固定裝置以確保放置角度和位置恆定 ··· 44 圖 2-15 矯正器定位器(不鏽鋼金屬矯正器) ········································ 45 圖 2-16 矯正器定位器(透明塑膠矯正器) .............................................46 圖 2-17 矯正器定位器(自鎖式矯正器)················································ 46 圖 2-18 矯正器固定於ㄇ字型金屬夾具之示意圖······························· 47 圖 2-19 摩擦阻力試驗之參數組合示意圖··········································· 48 圖 2-20 固定矯正線夾具之組件說明圖··············································· 49 圖 2-21 電腦軟體 QC Force 所記錄之時間、摩擦阻力大小及摩擦阻力圖形 ·························································································· 51 圖 2-22 本研究之硬度試驗機(松澤精機，MXT70 型) ······················ 52 圖 2-23 本研究之金相顯微鏡(OLYMPUS BX40 +上部光源)············ 54 圖 2-24 金相顯微鏡觀測流程 ical Company, Kyoto, Japan) ··············· 55 圖 2-25 明道大學場發射型掃描式電子顯微鏡 ( TF-SEM,JEOL JSM-7000F) ·············································································· 57 圖 2-26 矯正線試片製備之示意圖……………………………………57 圖 2-27 本研究之表面粗度測定器 ······················································· 58 圖 3-1 Redlich M et al.用來定位矯正器於鋁板相對位置之定位裝置 XIV.

(16) ·································································································· 62 圖 3-2 Redlich M et al.量測矯正器與矯正線間摩擦阻力之實驗平台 ·································································································· 62 圖 3-3 (左) Redlich M et al.量測之最大靜摩擦阻力圖形；(右)本試行研究量測之最大靜摩擦阻力圖形 ··········································· 64 圖 3-4 以矯正器為主比較不同矯正線對最大靜摩擦阻力的影響(橫座標為三種矯正器，縱座標為與四種矯正線對應所量測之最大靜摩擦阻力) ············································································· 72 圖 3-5 以矯正線為主比較不同矯正器對最大靜摩擦阻力的影響(橫座標為四種矯正線，縱座標為與三種矯正器對應所量測之最大靜摩擦阻力) ············································································· 74 圖 3-6 以不鏽鋼矯正器(Stainless Steel)與不鏽鋼矯正線(SS)之組合所測得之最大靜摩擦阻力為基準組(黃色長條者)，將所有實驗組合與此基準組比較，以*p<0.05；** p<0.01；*** p<0.001 來標示與基準組比較的顯著性(橫座標為三種矯正器，縱座標為與四種矯正線對應所量測之最大靜摩擦阻力)情形 ·············· 76 圖 3-7 矯正線平均硬度長條圖(橫座標：矯正線種類；縱座標：硬度平均值 HK: kg/mm²) ································································ 81 圖 3-8 摩擦阻力測試前矯正線表面型態之金相顯微鏡觀(40X) ······· 82 圖 3-9 摩擦阻力測試前矯正線表面型態之金相顯微鏡觀(上圖：100X. XV.

(17) 下圖：200X) ············································································ 83 圖 3-10 摩擦阻力測試前矯正線表面型態之掃描式電子顯微鏡觀(上圖：100X，下圖：1000X)······················································ 84 圖 3-11 摩擦阻力測試後矯正線表面型態之掃描式電子顯微鏡觀(上圖：100X，下圖：1000X)······················································ 84 圖 3-12 摩擦阻力測試前後不鏽鋼矯正線表面型態之 1000X 掃描式電子顯微鏡觀(上圖：測試前，下圖：測試後) ························ 85 圖 3-13 摩擦阻力測試前後 Sentalloy 鎳鈦合金線及 LH 矯正線表面型態之 1000X 掃描式電子顯微鏡觀(上圖：測試前，下圖：測試後) ……………………………………………………………..86 圖 3-14 摩擦阻力測試前後鈦鉬合金線(TMA)表面型態之 1000X 掃描式電子顯微鏡觀(上圖：測試前，下圖：測試後)················· 86 圖 3-15 矯正線平均粗度長條圖(橫座標：矯正線種類；縱座標：粗度平均值 Ra：μm)······································································· 90 圖 4-1 諾氏硬度試驗所使用之壓痕器及其壓痕································· 97 圖 4-2 摩擦阻力測試前(上)與測試後(下)矯正器表面型態之實體影像顯微鏡觀 ·················································································· 98 圖 4-3 矯正器構造示意圖 ···································································· 99 圖 4-4 金相顯微鏡的原理 ·································································· 100. XVI.

(18) 圖 4-5 試片表面光線反射圖 ······························································ 101 圖 4-6 摩擦阻力測試前矯正線表面型態之金相顯微鏡觀(上圖：100X，下圖：200X) ··········································································· 102 圖 4-7 矯正線表面型態之 1000X 掃描式電子顯微鏡觀(上圖：測試前，下圖：測試後)………………………………………….104 圖 4-8 表面粗度測定器之觸針式測量示圖……………………....... 107 圖 4-9 矯正線表面粗度曲線圖(由上到下: 不鏽鋼矯正線，Sentalloy 鎳鈦合金線，LH 矯正線，鈦鉬合金線) ····························· 109 圖 4-10 矯正線表面粗度曲線圖(由上到下: Sentalloy 鎳鈦合金線，LH 矯正線，鈦鉬合金線)………………………………………..111 圖 4-11 摩擦阻力測試前後鈦鉬合金線(TMA)表面型態之 1000X 掃描式電子顯微鏡觀(上圖：測試前，下圖：測試後)…………112. XVII.

(19) 第一章前言 1-1 研究背景牙科治療的觀念從早期牙痛及牙齒疾病的基本治療，演進到今日，越來越多民眾期望藉由牙科治療來改善牙齒排列不整及咬合不正的問題，尤其對於顏面外觀的重視，與日俱增，因此更加彰顯出齒顎矯正的重要性。藉由齒顎矯正的治療，能改善牙齒咬合與咀嚼功能、提升口腔的清潔效能、改善發音以及達成顏面骨骼與軟組織的協調與美觀。矯正治療的原理主要是藉由牙齒的移動來達到改善咬合關係及牙齒排列的目的，因此，必需先在牙齒上黏著矯正器(bracket)以提供施力點，才能給予牙齒矯正力量；之後藉由矯正線(archwire)的置入，提供一個穩定的軌道，使牙齒可以依循醫師的調整及施力，而達成所需的牙齒移動(如圖 1-1 所示)。由此可知，在齒顎矯正治療的過程中，矯正器與矯正線扮演著相當重要的角色，兩者相互影響並且缺一不可。. 1.

(20) 圖 1-1 矯正裝置示意圖(矯正器及矯正線)(資料來源：中國醫藥大學附設醫院牙科齒顎矯正科) 在齒顎矯正的治療中，拔牙治療是非常常用的治療方式與選擇。藉由拔牙治療，可以紓解牙齒排列擁擠(圖 1-2)、達成上下齒弓的協調性以及改善顏面外觀等問題(圖 1-3)。. 2.

(21) 圖 1-2 矯正拔牙治療以紓解齒列擁擠問題(資料來源：中國醫藥大學附設醫院牙科齒顎矯正科). 圖 1-3 矯正拔牙治療以改善顏面外觀問題(資料來源：中國醫藥大學附設醫院牙科齒顎矯正科). 3.

(22) 選擇以拔牙來治療的病例，常會面臨空間關閉的問題。因此，使牙齒在矯正線上滑動，成為常見的矯正治療程序(圖 1-4)。選擇使用角度及扭矩內建的矯正器系統，為目前矯正治療的主流與趨勢，連帶使得牙齒滑動機制的重要性備受矚目。因此，牙齒滑動機制順利的進行，將有助於提升治療的成效及時效[1]。然而牙齒在開始移動的瞬間，必須要克服矯正器與矯正線兩介面之間的摩擦阻力。因此，牙齒的滑動能否平順的進行，關鍵主要在於矯正器及矯正線與周圍矯正裝置之間的摩擦力。矯正醫師如果能有良好掌控摩擦力的能力，將可大幅減少錨定的喪失，達成預期的牙齒移動，進一步更能給予適切的力量來抵抗摩擦力[2]。. 圖 1-4 齒顎矯正以拔牙治療須空間關閉之情形(資料來源：中國醫藥大學附設醫院牙科齒顎矯正科). 4.

(23) 有鑒於存在矯正器及矯正線之間的摩擦力，常會影響牙齒初期的移動，造成初期移動效果緩慢，延長矯正療程及增加病患回診次數等不便。因此，若能了解矯正器及矯正線之間的摩擦阻力表現，將有助於臨床治療時選擇矯正裝置的參考與依據。. 5.

(24) 1-2 齒顎矯正裝置的演進隨著矯正材料的研發與進步，矯正治療的裝置日漸簡化。最早期的矯正治療是採用全口環套(band)裝置，必須將每一個矯正器分別焊接於金屬環套後再黏著於每顆牙齒上，治療過程繁瑣費時且不美觀。直到 1971 年，Miura [3]發明了矯正器直接黏著系統(Direct Bonding System,簡稱 DBS)。DBS 意指能夠將矯正器直接以黏著劑固定於牙齒表面，因此大幅簡化了矯正器的黏著步驟，使得齒顎矯正治療開始邁向一個新的里程：從全口環套(banding)裝置進入到全口黏著(bonding) 裝置的時代(如圖 1-5 所示)。. 圖 1-5 (左)全口環套(banding)裝置；(右)全口黏著(bonding)裝置(資料來源：中國醫藥大學附設醫院牙科齒顎矯正科) 矯正器直接黏著系統 (DBS) 由最初的標準式矯正器 (standard bracket)逐步演進到直線式矯正裝置(straight wire appliance)兩種可供選擇(圖 1-6，1-7)。 6.

(25) 圖 1-6 標準式矯正器(standard bracket)與直線式矯正裝置(straight wire appliance)之正面觀比較. 圖 1-7 標準式矯正器(standard bracket)與直線式矯正裝置(straight wire appliance)之咬合面觀比較所謂直線式矯正裝置(straight wire appliance)又稱為 preadjusted 7.

(26) edgewise system，是指在 bracket 上已事先設計有 angulation、inclination 以及 inset / offset 。因此當矯正治療完成時，理論上矯正線應在同一水平上，正面觀會呈現一直線(straight wire)(如圖 1-6 d 所示)。. 8.

(27) 1-3 牙齒移動機制矯正治療過程中，關閉拔牙空間的方法包含兩種治療機制:第一是線圈機制(loop mechanism)，第二是滑動機制(sliding mechanism)[4]。線圈機制( loop mechanism )：是指在矯正線上彎折特殊形狀的圈環，藉由增加矯正線長度來提高矯正線的活性(activation)，加上矯正線的回彈能力(spring back)而使牙齒持續移動，進而關閉空間(圖 1-8)。. 圖 1-8 以線圈機制關閉拔牙空間滑動機制( sliding mechanism )：主要是藉由一個力量傳遞系統，通常選用齒列後方的大臼齒作為錨定來源，利用大臼齒的牙根表面積較大、單位面積所需承受的力量較小、較不會達到移動牙齒所需要的閥值的特性，再藉著彈簧或是彈性鏈的力量牽引，一端懸掛於欲移動牙齒的矯正器上，另一端懸掛於後方錨錠牙齒的矯正器上。憑藉彈簧或是彈性鏈的收縮彈力，將力量傳遞到欲移動的牙齒上、再傳遞到牙 9.

(28) 根以及牙周組織，於是在齒槽骨受壓力處會產生破骨細胞 (osteoclast) 造成骨頭吸收，在張力處會產生成骨細胞 (osteoblast)造成骨質沈積。經由這一連續的生物反應，使得牙齒一側的骨頭吸收而另一側的骨頭沉積，於是能夠使牙齒產生移動而關閉空間(圖 1-9)。相較於圈環機制而言，滑動機制堪稱為目前較為常見的治療方式。. 圖 1-9 以滑動機制關閉拔牙空間：(左)彈簧牽引方式，(右)彈性鏈牽引方式(資料來源：中國醫藥大學附設醫院牙科齒顎矯正科) 在選擇以滑動機制來關閉空間的牙齒移動模式，理想上是牙冠與牙根進行整體、連續性的移動過程(圖 1-10)；然而，實際上牙齒的移動模式是牙冠先傾倒、牙根再扶正，兩者輪替的重複運動方式[1](圖 1-11)，其中並伴隨有牙齒旋轉的運動產生[5]。. 10.

(29) 圖 1-10 理想牙齒移動模式示意圖(由上到下)：牙冠與牙根整體連續性的移動方式. 11.

(30) 圖 1-11 實際牙齒移動模式示意圖(由上到下)：牙冠先傾倒，牙根再扶正之交替移動方式. 12.

(31) 1-4 摩擦力與齒顎矯正之關係牙齒的滑動能否平順的進行，關鍵在於矯正器、矯正線及矯正裝置之間的摩擦力。摩擦力在矯正的運用有兩個層面，一個是需要摩擦力，一個是需要減少摩擦力。當牙齒需要進行平整及擴大效應時，矯正線扮演主動的角色，稱之為 active archwire，此時矯正器及矯正線之間需要有足夠的摩擦力，方能使牙齒移動(如圖 1-12 所示)。. 圖 1-12 Active archwire：(左)矯正前；(右)矯正後(資料來源：中國醫藥大學附設醫院牙科齒顎矯正科) 而當牙齒需要進行滑動及旋轉效應時，矯正線則扮演被動的角色，稱之為 basic archwire，意即矯正線被視為一個提供滑動的軌道，此時，矯正器及矯正線之間的摩擦力需盡可能的減少(如圖 1-13)。. 13.

(32) 圖 1-13 Basic archwire：(左)矯正前；(右)矯正中(資料來源：中國醫藥大學附設醫院牙科齒顎矯正科). 在以滑動機制的模式下所探討的牙齒移動，為一連續性牙冠傾斜與牙根扶正的運動，以交替的方式而非連續整體性牙冠牙根等量移動的方式。當牙齒開始移動的瞬間，施加在牙齒矯正器上的力量 (也就是移動牙齒所需的力量)，必須先克服存在於矯正器與矯正線兩介面間的摩擦阻力。此時，原本藉由彈簧或是彈性鏈施加在牙齒上的力量，將有一部分會被摩擦力所消耗掉。而為了要克服矯正線與矯正器之間的摩擦阻力，理論上可以增加選用的彈簧或彈性鏈的彈性係數來增加收縮力，但是基於作用力與反作用力原則，同樣的力量也會施加在後方的錨錠牙上，此較大的力量可能會造成錨錠牙周邊骨質有較高的應力或應變產生，甚至引起牙齒的牙周組織反應，造成錨錠牙的移動，反而不利於錨錠的控制。有文獻指出，牙齒在移動的過程中，介於矯正線與矯正器之間的摩擦阻力，會導致所給予的矯正力量有 12% 甚至多達 60%不等的力量因此喪失掉[1, 6-8]。因此，當牙齒需要進行 14.

(33) 滑動時，如何降低矯正器與矯正線之間的摩擦阻力，使滑動機制能平順的進行，將是十分重要的影響因素[1, 9, 10]。而其中，啟動牙齒開始移動的最大靜摩擦力，相較於牙齒開始移動之後所產生的動摩擦力，更具有影響與探究的意義[9]。. 15.

(34) 1-4-1 摩擦力的定義傳統摩擦力的定義：摩擦力，是指兩物體接觸面間阻止物體運動的力，方向恆與物體的運動方向相反（圖 1-14）。. 圖 1-14 摩擦力示意圖摩擦力包含兩種形式，一為靜摩擦力、一為動摩擦力。靜摩擦力 (fs)是指物體由靜止到開始運動前，接觸面間所產生的摩擦力；而當所施加之外力超過某一定值，物體恰將開始運動的瞬間，靜摩擦力會達到最大值，此時稱為最大靜摩擦力(f)。最大靜摩擦力為一定值，其與外力大小相等、方向相反；動摩擦力(fk)則是表示物體在運動中所受的摩擦力。動摩擦力為一定值，其大小與物體之速度、外力完全無關(如圖 1-15 所示)。. 16.

(35) 圖 1-15 典型摩擦力圖形 18 世紀，英國物理學家庫倫提出關於最大靜摩擦力的近似規律，稱做摩擦定律。主要指出，最大靜摩擦力 f 與造成兩個物體間互相擠壓的正向力 N 大小成比例，與接觸面積的大小無關，即 f =μN，μ 稱為最大靜摩擦係數。而摩擦係數 μ 是指兩物質摩擦時，接觸介面間作用的係數，和兩物質的表面性質以及彼此間的交互作用等都有關係。. 17.

(36) 1-4-2 摩擦力的影響因素影響矯正過程摩擦力表現的因素相當多元，歸納來說有兩大因素：第一，是機械性的因素；第二，是生物性的因素[2, 9, 11-13]。機械性因素包含矯正線、矯正器與綁紮因素。矯正線的部份，包含有：矯正線的材質、型態尺寸、表面質地、勁度等；矯正器的部份，包含：矯正器的材料、表面處理、設計方式、製造方式及溝槽尺寸；而綁紮因素中，綁紮的方式、綁紮的材質、與施加在矯正線上的綁紮力量(即正向力)，都會對摩擦力的表現有所影響。生物性的因素，則包含有：口腔中有唾液存在所造成的潮溼狀態、牙菌斑的堆積及口腔中動態環境的影響，包括咀嚼、吞嚥、說話、咬合力等因素。本研究主要針對機械性的因素，來探討矯正過程中以滑動機制的模式所造成的摩擦力的表現。. 18.

(37) 1-5 文獻回顧 1-5-1 矯正線對齒顎矯正摩擦阻力之影響矯正線的演進，由早期 50 年代的黃金線，演進到不鏽鋼合金線、鈷鉻合金線等勁度較大的線。由於不鏽鋼組成成分的差異，不鏽鋼的種類有超過數百種並且被廣泛運用於各個領域。其中 AISI(American Iron and Steel Institute)type 316L 的不鏽鋼因含有鉬(molybdenum)的成分，具有良好的抗鏽和抗腐蝕能力，因而大量應用於醫學領域；而應用在矯正材料的製造部分，主要以 AISI type 304 的不鏽鋼為主[14]。雖然不鏽鋼或是鈷鉻合金線其強度或是彈性大多都能符合臨床矯正線的需求，但缺點是勁度太大，當需要小幅度的彎折矯正線以能置入矯正器的溝槽內時，必須在矯正線上施加很大的力量，導致回彈 (spring back)力量過大，造成病患感到疼痛不適，甚至對牙周組織造成傷害[15]。到了 70 年代，美國海軍軍備實驗室首先研發出具有形狀記憶及超彈性的鎳鈦合金線，並在 80 年代，由 Dr. George Andreasen 首度將鎳鈦合金線引進矯正界，並由 Unitek 公司以 Nitinol (即 nickel-titanium Naval Ordnance Laboratory 的簡稱)商品名問世。之後亦有文獻指出， Nitinol 具有減少矯正線置換頻率、減少臨床上診療的時間、縮短牙齒 19.

(38) 平整及改正牙齒轉位的時間、並能減緩病人的不適感[16]。隨後出現的有傳統鎳鈦合金線(如 Sentalloy)及鈦鉬合金線(TMA)，此兩種線材皆能提供在同一程度的彎折下所釋放出來的能量比不鏽鋼合金線輕微許多。直到近期，又有改良式超彈性鎳鈦合金矯正線(LH 矯正線) 的發明，使得矯正線的選擇更加多樣化，矯正醫師可以針對患者在不同的治療時期，選擇適當的矯正線來進行治療。因此，瞭解不同矯正線間的摩擦阻力成為一重要課題。 2003年Mendes et al.[17]研究探討臨床使用的矯正器和矯正線是否確實如同廠商所宣稱具有低摩擦阻力特性的功效。作者檢視臨床常用之四種矯正器與七種不同的矯正線(包含三種材質)間摩擦阻力的數值，結果發現鈦鉬合金矯正線具有最大的摩擦阻力，其次是鎳鈦合金矯正線，而不鏽鋼矯正線的摩擦阻力最小。Krishnan et al.[18]則比較三種不同矯正線(不鏽鋼矯正線、鈦鉬合金矯正線、TiMolium)的摩擦阻力、表面結構以及材料組成的差異，結果發現鈦鉬合金矯正線在最大靜摩擦力及動摩擦力都有最大值，不鏽鋼矯正線則為最小(圖 1-16)。同樣的實驗結果，在Cha et al.[19]和Garner et al.[20]的研究也證實，鈦鉬合金線比不鏽鋼矯正線的摩擦阻力大。. 20.

(39) 圖1-16 (左)量測摩擦阻力儀器；(右)三種不同金屬矯正線的摩擦阻力數值(Krishnan et al., Angle Orthodontist, 74(6):825-831, 2004). Cacciafesta et al.[21]針對三種不同廠牌的矯正器(Victory, Damon SL II, Osyter)與三種不同材質的矯正線(不鏽鋼矯正線、鎳鈦合金線、鈦鉬合金線)和三種不同尺寸的矯正線(0.016, 0.017x0.025, 0.019 x 0.025 英吋)進行摩擦阻力的測試，結果指出：尺寸較大的矯正線都會有較高的摩擦阻力；鈦鉬合金線有最高的摩擦阻力，不鏽鋼矯正線和鎳鈦合金線的摩擦阻力則不具統計上的差異(圖 1-17)。. 圖 1-17 摩擦阻力量測結果(左)比較三種不同矯正線；(右)比較三種不同尺寸的矯正線(Cacciafesta et al, American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics, 124(4):395-402, 2003). 21.

(40) 針對上述數種矯正線，由歷年文獻可大致歸納為[7, 20, 22, 23]：在矯正器溝槽與矯正線之間無角度存在時，在相同尺寸的矯正器溝槽及相同尺寸的矯正線條件比較下，不鏽鋼合金線會有最低的摩擦阻力，其次是鎳鈦合金線，而鈦鉬合金線的摩擦阻力最高。為探究其原因，有學者由矯正線材的表面粗度性質著手，以了解表面粗糙程度是否會和摩擦阻力有所關聯。Kusy et al.[24]利用雷射打在測試的矯正線金屬表面上，觀察其反射光散射的程度(Laser spectroscopy)，以決定矯正線表面的粗糙度，結果發現不鏽鋼合金線表面最光滑、鈦鉬合金次之、鎳鈦合金表面最粗糙(圖 1-18)。. 圖 1-18 (左)觀測反射光散射程度之裝置；(右)四種不同合金的相對能量(倒數值表示表面粗糙度)(Kusy et al., Angle Orthodontist, 58(1):33-45, 1988) 十年後， Bourauel et al.[25] 以原子力顯微鏡 (Atomic force microscopy)、laser specular reflectance 及表面粗度測試器(profilometry) 三種方式，來探討矯正線的表面粗糙度，也得到相同的結果(圖 1-19)。以此結果推估，鎳鈦合金矯正線的摩擦阻力應該最大，但事實上和量 22.

(41) 測到的摩擦阻力結果並不相符合，因此 Bourauel et al.推論矯正線的表面粗糙度和摩擦力的關係是複雜且不明確的。. 圖 1-19 (左)矯正線表面粗度器量測結果；(右)原子力顯微鏡量測之矯正線表面結構粗糙度影像(Bourauel et al.,European Journal of Orthodontics, 20:79-92, 1998). 近年來除了不鏽鋼合金線、鎳鈦合金線和鈦鉬合金線之外，改良式超彈性鎳鈦合金線(improved superelastic nickel-titanium alloy wires with low-stress hysteresis: ISW，亦稱為 low-stress hysteresis wire, LH wire)使用上也越來越普及。LH 矯正線是日本國立東京醫科齒科大學(National Tokyo medical and dental university)所研發的新一代矯正線。此種線材與傳統鎳鈦合金線比較，一樣具有形狀記憶與超彈性的特性，並且能夠提供穩定且持續的矯正力量，同時根據廠商宣稱也具有低摩擦阻力的特性，有助於改善牙齒滑動時矯正器與矯正線間摩. 23.

(42) 擦阻力的問題。Iramaneerat et al.[26]利用有限元素法探討改良式超彈性鎳鈦合金線與不鏽鋼矯正線，在進行矯正時對牙齒周圍的應力分析，研究結果指出改良式超彈性鎳鈦合金線能夠展現出較佳能力的阻尼緩衝效應(damping capacity)，同時能夠傳遞更穩定的力量到牙周膜韌帶(periodontal ligament, PDL)(圖 1-20)。. 圖 1-20 (左)有限元素模型圖；(右)模擬結果顯示改良式超彈性鎳鈦合金線和不鏽鋼矯正線對於位移的阻尼緩衝能力(Iramaneerat et al. Journal of Medical and Dental Sciences, 51:59-65, 2004) 2007 年，台灣國立陽明大學首度發表有關 LH 矯正線摩擦阻力的相關研究[10]。主要針對傳統鎳鈦合金線(Sentalloy)及改良式超彈性鎳鈦合金線(LH)，以改良式三點彎曲試驗(a modified 3-point bending test) 來測量動摩擦力並進行遲滯與勁度試驗(stress hysteresis and stiffness measurement)來觀測線材形變量(圖 1-21)，結果發現兩者皆能發揮輕. 24.

(43) 微且持續的力量，並且都有低摩擦阻力的表現(其中 LH 的摩擦阻力小於 Sentalloy)，有助於改善牙齒滑動時矯正器及矯正線之間的摩擦問題。. 圖 1-21 (左)改良式三點彎曲試驗以測量動摩擦力之實驗示意圖；(右) Sentalloy 及 LH 矯正線所量測之遲滯曲線:受力和位移關係圖 (Yu-Cheng Liaw et al., Am J Orthod Dentofacial Orthop 2007;131:578.e12-578.e18). 25.

(44) 1-5-2 矯正器對齒顎矯正摩擦阻力之影響目前，矯正器的材質主要分為三大類：金屬、塑膠與陶瓷(圖 1-22)。早期是由金屬矯正器開始，而隨著技術的演進，金屬矯正器的製成也從傳統鑄造式不鏽鋼發展到以高溫高壓粉末成形。Vaugha.et al.[27]以兩種不同廠商所提供的壓模成形之金屬矯正器與 Kapali 的傳統金屬矯正器比較發現，以同樣尺寸、材質的合金線，在壓模成形的矯正器中滑動所需要克服的摩擦阻力較小(圖 1-23)。. 圖 1-22 (左到右)：金屬矯正器，塑膠矯正器，陶瓷矯正器. 圖 1-23 量測摩擦阻力實驗裝置(Vaugha et al., American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics, 107(1):20-27, 1995)[27] 26.

(45) 近年來在臨床使用上，為了美觀的需求而開始發展透明矯正器，材質主要包括有塑膠與陶瓷兩類。Smitha et al.[23]以掃描式電子顯微鏡觀察矯正器的表面粗糙度，發現不鏽鋼矯正器表面最為光滑、陶瓷類次之。同時 Smitha et al.[23]也指出，在比較矯正器溝槽(slot)同樣是不鏽鋼材質時，以高溫高壓粉末處理(sintering)的不鏽鋼溝槽比起鑄造處理(casting)的表面更為光滑。在針對不同材質與設計的矯正器對摩擦阻力表現的探討中， Redlich et al.[9]選用了六種市面上常用且為廠商宣稱具有低摩擦阻力的矯正器，在三種不同的角度下，以三種不同尺寸大小的矯正線，量測矯正器與矯正線間的摩擦阻力，並以最大靜摩擦力作為評估的指標 (圖 1-24)。實驗結果指出，並非所有廠商宣稱能降低摩擦阻力的矯正器都能有效達到減少摩擦力的目標；同時也指出，摩擦阻力大小取決矯正器與矯正線的摩擦係數(friction coefficient)以及綁紮力量(即正向力)兩個因素。. 27.

(46) 圖 1-24 (左)量測摩擦阻力之實驗裝置；(右)摩擦阻力圖：以最大靜摩擦力為評估指標(Redlich et al, American Journal of Orthodontics and Dentofacial Orthopedics, 124(1):69-73,2003)[9] 近年來，由於自鎖式矯正器(self-ligating bracket)(圖 1-25)的發展備受矚目，許多學者投身於自鎖式矯正器效能的研究。Taylor et al.[28] 以自鎖式矯正器和一般需綁紮的矯正器相比(圖 1-26)，量測結果得到較小的摩擦阻力。目前，多數文獻皆指出，自鎖式矯正器和一般需綁紮的矯正器相比，有較小的摩擦阻力表現[29-31]；但仍有研究指出 [9]，在種類繁多的自鎖式矯正器中，部份自鎖式矯正器的摩擦阻力表現比需要綁紮的矯正器來的更大。. 28.

(47) 圖 1-25 自鎖式矯正器(左：金屬，右：半透明). 圖 1-26 Taylor et al.研究中選用之三種不同的矯正器(左到右：Standard, Activa, Speed)(Taylor et al., Angle Orthodontist, 66(3):215-222, 1996)[28]. 29.