研究目的持续的矫治力令牙槽骨发生改建从而使牙齿移动是当代正畸治疗的生物学基础。牙周膜作为牙齿和牙槽骨之间的重要连接组织,对正畸治疗中牙齿移动的作用不可忽视。为使用更高效的加力方式,更精准地控制治疗结果,需明确牙周膜生物力学性质。本研究利用纳米压痕实验的优势,从微观角度对人切牙牙周膜的力学性质进行了初步研究,旨在明确不同实验参数条件对测试结果的影响并得出最适用于人牙周膜的纳米压痕实验条件,在此基础上获得准确的人牙周膜粘弹性参数,并应用于正畸治疗中牙周膜的有限元仿真,为实现未来的精准正畸提供参考。材料与方法第一部分,人牙周膜纳米压痕实验:从3名健康男性新鲜上颌骨标本上取上颌中切牙和侧切牙的牙槽骨-牙周膜-牙齿复合体,切割成垂直于牙长轴的厚度为(2.0±0.3)mm的切片,取根中段(n=9)制备样本。保湿环境下,在样本上选取合适实验位点对牙周膜部位使用平头压头反复进行压痕实验。每次压痕间隔15分钟以待牙周膜充分恢复,每组参数重复3次。实验取均值以验证可重复性减少随机误差。(1)选取(0.1mN/s、0.3mN/s、0.5mN/s、0.7mN/s)的加载率加载至3mN后直接卸载,确定最适加载率后进行保载200s的蠕变实验;(2)在相同加载率和载荷下(0.5mN/s、3mN),使用(25s、50s、75s)的保载时间进行实验,确定基于纳米压痕的约化弹性模量测试的保载时间范围;(3)在相同加载率和保载时间下(0.5mN/s、25s),使用(1mN、2mN、3mN、4mN)峰值载荷进行实验,确定基于纳米压痕的约化弹性模量测试的峰值载荷范围;(4)最后使用上述实验组得到的实验参数,以最适保载时间和峰值载荷进行实验并计算获得人牙周膜约化弹性模量数据。第二部分,上颌中切牙转矩控制有限元研究:选取1例上颌前突拔除4颗第一前磨牙正畸患者,以其CT数据为基础,利用Mimics、CATIA、ABAQUS等软件建立上颌中切牙及其牙周组织的仿真模型,使用第一部分实验数据分别确定弹性与粘性参数,采用一种粘弹性模型作为牙周膜材料的非线性本构模型,分别将0.29、0.59、1.18、2.94、4.41、5.88、7.35、11.76、20.58N·mm的静力扭矩力施加到牙冠唇侧表面中点上,应用ABAQUS软件对牙周膜中产生的应力响应进行分析,为临床施加转矩提供指导。研究结果1.基于纳米压痕的蠕变实验结果显示,0.3mN/s-0.5mN/s的加载率为较适合人牙周膜基于纳米压痕的蠕变实验的加载率参数范围;蠕变实验曲线提示人牙周膜具有蠕变行为。2.基于纳米压痕的约化弹性模量测试结果显示,0.5mN/s加载率下牙周膜蠕变曲线在保载开始后约15s达到缓慢钝化阶段。峰值载荷为1mN时,曲线不完整;峰值载荷为4mN难以消除蠕变效应;峰值载荷2-3mN为较合理的实验参数范围。不同参数纳米压痕实验测得牙周膜弹性模量范围为0.0121-6.84MPa。选取25s保载时间、2mN载荷进行纳米压痕实验,求得该样本约化弹性模量为1.892 Mpa。3.基于纳米压痕实验数据的有限元分析结果显示,不同转矩力矩作用下牙齿均产生冠唇向的运动,牙颈部唇侧及根尖区舌侧受压应力,牙颈部舌侧及根尖区唇侧受拉应力。牙周膜的最大等效应力值随转矩力矩的增大而增大,且应力分布在牙根不同部位有所差异。获得了在0.56mm槽沟中,对0.48mm×0.63mm不锈钢方丝施加不同转矩角度对应的牙周膜最大等效应力值。结论1.人牙周膜具有粘弹性性质,测得人切牙牙周膜的约化弹性模量范围为0.0121-6.84 MPa。2.适用于测试人牙周膜粘弹性力学特性的纳米压痕实验条件为:人牙周膜基于纳米压痕的蠕变实验建议使用0.3-0.5 mN/s的加载率,约化弹性模量测试建议使用25 s的保载时间和2-3 mN的峰值载荷。3.使用纳米压痕实验所得数据可赋予牙周膜粘弹性属性以进行有限元分析。4.通过有限元分析获得了使用0.56mm槽沟深度托槽、0.48mm×0.63mm不锈钢方丝,在不同弓丝转矩角度下对应的牙周膜应力大小及分布情况,分析得最佳转矩角度为12.36-13.18°。