可摘局部义齿是牙列缺损常用的修复方式之一[1],相比于固定义齿修复和种植义齿修复，可摘局部义齿修复是一种适应证更加广泛且创伤较小的修复方式[2]。通常，可摘局部义齿由金属支架、基托和人工牙组成[1]。钴铬合金依靠其较高的强度、化学稳定性、生物安全性等，是目前常用的金属支架材料[3,4]。然而，作为一种金属材料，钴铬合金也有一些缺点，例如金属卡环外露影响美观、口腔内出现金属异味以及引起金属过敏反应等[5,6,7]。

近年来，一种高分子非金属材料——聚醚醚酮(polyetheretherketone, PEEK),被认为可以代替钴铬合金，用来制作可摘局部义齿支架[6,8]。已有相关的临床病例使用PEEK进行可摘局部义齿修复，然而，研究发现PEEK作为支架材料时，可摘局部义齿的固位能力较弱[5,7]。可摘局部义齿的固位力主要依靠卡环固位体[1,9]。传统卡环的设计理念，要求卡环臂末端1/3作为弹性部分，进入基牙倒凹区以提供固位[2,9]。可是对于PEEK这样一种高弹性材料，该理念是否仍然合适值得探究。

本研究改变了PEEK卡环臂进入基牙倒凹区的比例，并研究了这一改变对卡环固位与疲劳性能的影响，希望提出并验证一种提高PEEK卡环性能的新策略。

1、材料与方法

1.1 基牙与卡环的设计加工

从3Shape牙科设计软件(3Shape, 丹麦)中选取一颗标准形态上颌第一磨牙牙冠模型，修整牙冠表面锐利的牙尖和嵴，在近中设计一支托凹(4 mm×3 mm×2 mm)。在牙冠根方添加一根圆柱形连接体，用于后续实验中的夹持与固定。使用三维打印机(NCL-M150,南京铖联激光科技有限公司，中国)与钴铬合金粉末(CoCrW,南通金源智能技术有限公司，中国)打印出合计40颗钴铬合金基牙。

继续在3Shape牙科设计软件中，以上述模型为基牙，设计4组三臂卡环(n=10/组)。组1:固位臂末端1/3进入0.75 mm倒凹[10,11]的PEEK卡环；组2:固位臂末端2/3进入0.75 mm倒凹的PEEK卡环；组3:全部固位臂进入0.75 mm倒凹的PEEK卡环(图1);对照组：固位臂末端1/3进入0.25 mm倒凹的钴铬合金卡环[1]。所有卡环在支托的近中处都添加了一根圆柱形连接体，用于后续实验中的夹持与固定。卡环的具体设计参数见表1,为了使PEEK卡环获得足够的强度，卡环的宽度与厚度在设计时要大于钴铬合金卡环[8]。使用5轴铣削机(R+K CAD/CAM,德国)从牙科用PEEK盘(BioPAEK,吉林省登泰克牙科材料有限公司，中国)上切削出组1、组2、组3每组10个卡环，合计30个PEEK卡环。使用3D打印机与钴铬合金粉末打印出对照组10个钴铬合金卡环。所有基牙与卡环，都经过了同一名口腔修复技师的打磨与抛光。

图1 卡环设计的模式图   

表1 卡环的设计参数

1.2 卡环固位力测试与疲劳测试

1.2.1 卡环固位力测试

将卡环在基牙上就位后，把基牙与卡环的圆柱形连接体分别固定于Instron 3365台式电子万能材料试验机(英斯特朗，美国)的下部夹具与上部夹具。选择“拉伸测试”模块，以5 mm/min的恒定速率将卡环拉脱离基牙，终止行程为10 mm, 此时卡环与基牙完全没有接触。将这一过程中拉力的最大值记为本次测量的卡环的固位力值。

1.2.2 卡环疲劳测试

使用疲劳测试机(PAW-100,济南文腾试验仪器有限公司，中国),采用与1.2.1卡环固位力测试中相同的固定方式将基牙和卡环的圆柱形连接体固定于疲劳测试机的下部夹具与上部夹具，对各组卡环从基牙上摘戴的疲劳模拟循环，频率设置为2 Hz, 工作行程设置为10 mm。每进行1 500次疲劳循环，将卡环与基牙取下，重复1.2.1卡环固位力测试中的实验步骤，对卡环进行一次固位力测试。总共进行15 000次疲劳模拟循环。

1.3 卡环形变量分析

在卡环疲劳测试之前与之后，使用Trios3光学扫描仪(3Shape, 丹麦)扫描获取卡环的数字化模型。将同一卡环疲劳前与疲劳后的两个模型导入Geomagic Wrap 2020软件(3D Systems, 美国)中，使用“最佳拟合对齐”与“偏差分析”功能，以疲劳测试后的卡环模型为参考，通过软件生成的偏差色谱图显示模型间的偏差分布。由软件计算出的均方根(root mean square, RMS)反映形变大小[12]。

为了区分本实验中测得的卡环形变是否是由于扫描系统本身的误差导致的，在疲劳测试前随机选取了10枚卡环，并由同一名实验人员对其连续进行两次光学扫描，将得到的两个模型按上述方式进行“最佳拟合对齐”与“偏差分析”,所得到的RMS值记为扫描误差。

1.4 卡环臂内表面观察

在卡环疲劳测试之前与之后，使用TESCAN Maia 3扫描电子显微镜(泰斯肯，捷克)分别在55倍和500倍放大下，观察卡环臂内表面形貌变化以及是否出现微小裂纹。所有卡环在成像之前、之后都经过超声清洗与烘干，并且由于PEEK是非导电材料，PEEK卡环在成像前均经过喷金处理。

1.5 数据分析

使用SPSS 25软件(IBM,美国)计算各组卡环的固位力值与RMS的平均值和标准差。使用单因素方差分析(analysis of variance, ANOVA)与S-N-K事后检验对各组卡环的初始固位力、终末固位力、平均固位力和RMS(包括扫描误差的RMS)进行比较。统计显著性水平被设置在5%(α=0.05)。

2、结果

2.1 卡环的固位力

各组卡环的固位力随疲劳模拟变化的折线图如图2所示。可以看到从组1至组3,PEEK卡环的固位力整体上逐渐提高，但是即使是固位臂全部进入倒凹的PEEK卡环，其固位力仍低于对照组钴铬合金卡环。随着疲劳模拟的进行，各组卡环的固位力都发生了一定程度下降。其中对照组卡环固位力下降最多，固位力的变化曲线最陡峭；而组1卡环固位力下降最少，固位力的变化曲线也相对平缓。各组卡环初始固位力、终末固位力与平均固位力见表2。对照组卡环的初始固位力、终末固位力与平均固位力都高于其他三组PEEK卡环，其次是组3卡环，组1卡环最低。各组卡环的初始固位力、终末固位力与平均固位力之间的差异均有统计学意义(P<0.001)。

图2 卡环固位力随疲劳模拟变化的折线图   

表2 各组卡环初始、终末、平均固位力值 导

同一列中不同上标字母表示经过S-N-K事后检验，组间差异具有统计学意义(P<0.05)。

2.2 卡环的形变

卡环的偏差色谱图如图3所示。正向偏差(从浅黄色到红色)代表从卡环臂外表面向内表面的偏差(50.0～311.0 μm),负向偏差(从浅蓝色到深蓝色)代表从卡环臂内表面向外表面的偏差(-(50.0～311.0)μm),无偏差(绿色)代表绝对值小于50 μm的偏差。组1卡环的偏差主要发生在卡环臂内表面尖部；组2卡环的偏差主要发生在卡环臂内表面中部到尖部；组3卡环的偏差主要发生在卡环臂内表面起始部。三组PEEK卡环臂内表面的偏差着色都相对均一，为浅黄色正向偏差(93.5～137.0 μm),而外表面并未见到明显偏差。钴铬合金对照组卡环的偏差主要发生在卡环臂尖部，并且越靠近尖端着色越深，卡环臂内表面呈由浅黄色到红色的渐变色正向偏差(93.5～311.0 μm),外表面呈由浅蓝色到深蓝色的渐变色负向偏差(-(93.5～311.0)μm)。

图3 各组卡环固位臂的偏差色谱图   

扫描误差的RMS值最低，为(9.57±2.93)μm; 对照组的RMS值最高，为(105.47±10.82)μm。组1、2、3 PEEK卡环的RMS分别为(35.74±14.43)、(32.45±13.98)、(42.98±11.26)μm。所有组卡环与扫描误差之间RMS的差异均具有统计学意义(P<0.001),对照组与三组PEEK卡环间RMS的差异也具有统计学意义(P<0.001),而三组PEEK卡环之间的RMS差异不具有统计学意义(P=0.111)。

2.3 卡环臂内表面形貌变化

疲劳测试前后，典型的各组卡环臂内表面扫描电子显微镜图像如图4、图5所示。在疲劳测试前，PEEK卡环臂内表面能观察到PEEK碎屑与水平向的浅沟；钴铬合金卡环表面较为光滑平整。疲劳测试后，PEEK卡环臂局部出现了纵向划痕，且表面PEEK碎屑减少；钴铬合金卡环臂局部表面发生了较为明显的磨损，暴露出了内部未熔融的钴铬合金粉末。组1与对照组的形貌变化主要发生在卡环臂末端，组2的形貌变化主要发生在卡环臂中间段，组3的形貌变化主要发生在卡环臂起始部。各组卡环臂内表面均未观察到裂纹存在。

图4 卡环疲劳测试前内表面扫描电子显微镜成像   

图5 卡环疲劳测试后内表面扫描电子显微镜成像   

3、讨论

以往有关提高PEEK卡环性能的研究，主要聚焦在改变卡环臂进入的倒凹深度、改变卡环臂的长度、宽度或者厚度上[13,14,15]。本研究创新性地提出增加PEEK卡环的卡环臂进入倒凹的比例，有效实现了卡环固位力的提高，初步验证了这一策略的可行性。

Tribst等[11]提出，PEEK卡环需要比金属卡环进入更深的倒凹，来获取更强的固位力。因此在本实验中，PEEK卡环固位臂进入0.75 mm深度的倒凹，而钴铬合金卡环进入0.25 mm深度(推荐)倒凹。在以往的研究中发现，PEEK卡环的厚度可以设计到1.5 mm以增加固位力，而关于PEEK卡环的宽度并没有明确的设计标准[10,14,15]。Turner等[16]认为，热塑性高弹性材料的卡环应当具有比金属卡环更大的横截面积以取得足够的刚性。因此本研究中PEEK卡环的宽度与厚度设计为1.8 mm与1.5 mm, 横截面积大于钴铬合金卡环，这样设计在维持卡环臂的宽度与厚度协调的同时，也可避免由于PEEK卡环太薄在切削过程中支撑不足而发生断裂。有学者提出缩短卡环臂的长度也能够增强卡环臂刚性，从而增加固位力[15,16,17]。但是，这在实际应用中并不容易实现，因为卡环在设计时还需要包绕基牙超过180°或包绕基牙至少三个面来达到稳定平衡的作用[1,9]。所以在本实验卡环设计过程中，增加卡环臂进入倒凹的比例。进入倒凹前的卡环臂部分就类似于缩短的卡环臂，而进入倒凹的卡环臂继续延伸包绕基牙，起到卡抱稳定的作用。实验结果也表明，随着卡环臂进入倒凹的比例从1/3增加到全部，初始固位力也从5.84 N提高到了11.98 N。据此可以判断，增加卡环臂进入倒凹的比例，对卡环的固位力有积极影响。尽管3组PEEK卡环的初始固位力仍低于钴铬合金卡环(15.45 N),但是都已经可以满足不小于5 N的临床要求[11,18,19,20]。

15 000次的卡环摘戴，模拟了临床患者使用可摘局部义齿10年义齿被摘戴的总次数[13,15]。从图2中可以看出，在疲劳模拟过程中，各组卡环的固位力都随着疲劳循环次数的增加，发生了不同程度的下降，但是依然能够维持在临床要求的5 N以上。与初始固位力相比，钴铬合金卡环的终末固位力下降最多(38.38%),其次是组3(32.05%),组2(19.22%)次之，组1(13.18%)下降最少。在其他相关研究中，也有类似的发现，钴铬合金卡环的固位力下降量要高于PEEK卡环或其他高分子材料卡环[21]。钴铬合金卡环的固位力从疲劳测试开始到结束几乎持续下降，而三组PEEK卡环的固位力在7 500次疲劳循环后就基本达到稳定，不再有明显下降。卡环的固位力实际上是卡环与基牙之间的摩擦力[1,9],在卡环反复就位、脱位的过程中，这种摩擦力也在对基牙和卡环的形态造成影响，如引起磨损或弯曲，使卡环与基牙的接触变轻，固位力下降[13,21]。同时也意味着卡环与基牙之间的摩擦力在减弱，对基牙和卡环的形态的影响也越来越小，最终达到一种平衡，固位力也趋于稳定。

卡环的形变分析结果显示，扫描误差的RMS为(9.57±2.93)μm, 与Carbajal等的实验中Trios扫描仪的精确度(11.9 μm)相接近[22]。各组卡环的RMS都要高于扫描误差的RMS,证明各组卡环经过疲劳测试后的偏差，并不是仅仅由扫描误差引起的变化，而是有真实的形变发生。图2中钴铬合金卡环的偏差色谱图显示出的卡环臂内外表面渐变色着色，这一结果与Tan等[12]在对纯钛卡环疲劳后的形变研究中的结果相类似，说明钴铬合金卡环的卡环臂尖也发生了弯曲变形。而PEEK卡环的偏差色谱与钴铬合金卡环有所不同。PEEK卡环臂内表面的着色相对均一，没有呈现渐变色，并且主要分布在进入倒凹的区域，而外表面没有明显偏差着色，这提示PEEK卡环发生形变的模式不同于钴铬合金卡环的弯曲，而更有可能是卡环臂内表面的磨损。由于磨损的区域发生材料损失，厚度变薄，而没有发生磨损的区域形态保持不变，因此在对齐后，磨损的区域呈现出浅黄色的正偏差，未磨损的区域以及卡环臂的外表面都呈现出绿色的无偏差。本实验中，扫描电子显微镜的结果(图5)也显示，在各组卡环臂的内表面进入倒凹区的部分均发生了磨损。疲劳测试前，PEEK卡环臂内表面的水平向浅沟可能是由于加工过程中铣刃的切削方向造成的，类似的形态在以往研究中也曾有报道[14];在疲劳测试后，部分水平向浅沟消失，取而代之的是纵向划痕，并且这一方向与卡环就位道的方向一致，这很可能就是卡环在反复就位与脱位过程中与基牙表面发生摩擦，留下的痕迹。钴铬合金卡环在疲劳测试后，卡环臂尖的内表面也表现出一定程度的材料破坏，内部颗粒暴露，也说明了磨损的发生。在另一项对钴铬合金卡环的疲劳性能的研究中，经过体外疲劳试验后的钴铬合金卡环臂内表面，观察到了肉眼可见的磨损痕迹[23]。Güleryüz等[14]通过micro-CT观察到了PEEK卡环经过摘戴疲劳后，卡环臂的厚度发生了变化，证实了卡环臂上磨损的发生。这种磨损同样会减轻卡环臂与基牙的接触，使固位力发生下降。对照组卡环的RMS为(105.47±10.82)μm, 要明显高于3组PEEK卡环，说明钴铬合金卡环发生的整体形变量要高于PEEK卡环，因此也解释了钴铬合金卡环固位力下降得更多。尽管所使用的测量方法不同，但在其他研究中，也发现钴铬合金卡环表现出了比PEEK卡环更明显的形变[21,24]。但是本实验中S-N-K事后分析显示，3组PEEK卡环之间的RMS并没有显著差异，而卡环固位力的下降从组1到组3却依次增大。这可能是因为尽管3组PEEK卡环发生的磨损程度类似，但是由于磨损发生的位置不同，从组1到组3卡环臂的磨损逐渐靠近卡环臂的起始部，所以才对固位力产生了不同程度的影响。

本研究仍存在着一定的局限性。首先，由于在本实验中，首次改变了卡环臂进入倒凹的比例，因此难以找到其他相关的实验结果进行对比。其次，本研究在体外条件下进行，没有真实地还原口腔内软硬组织以及唾液的影响，与实际临床情况会有所差异，也无法评价对基牙、牙周膜、牙槽骨的应力的改变情况。最后，本研究关注的是单个卡环的性能，当作为一副完整的可摘局部义齿的一部分时其表现如何，仍需要更深入的研究。

在本研究的局限性内，可以发现，增加PEEK卡环臂进入倒凹的比例，有效地提高了卡环的固位力，并且更加接近钴铬合金。同时，在经过15 000次的摘戴疲劳模拟后，本实验设计下的PEEK卡环的固位力维持比钴铬合金卡环更加稳定，能够满足临床使用。

参考文献:

[1]赵铱民.口腔修复学[M].8版.北京:人民卫生出版社,2020.

基金资助:南京市卫生科技发展专项资金(YKK23294);

文章来源:罗颐辰,邱琳,耿铭珠,等.不同设计的聚醚醚酮卡环固位及疲劳性能研究[J].口腔医学,2024,44(05):369-374.