作者：刘淼，张宁，首都医科大学口腔医学院正畸科

无托槽隐形矫治技术通过隐形矫治器形变产生回弹力，进而产生矫治力实现对牙移动的控制。治疗效果与材料性能密切相关。因此，了解隐形矫治器用热塑性材料应具备的理想性能，以及目前热塑性材料的成分、性能及其影响因素和改性方式是十分必要的。

1.理想的隐形矫治用热塑性材料性能要求

隐形矫治器应能够有效移动牙齿、美观、舒适、安全、便于制作、便于清洁，这就要求热塑性材料具有以下几种性能。

1）良好的力学性能

隐形矫治的矫治力主要来源于热塑性材料的回弹力。矫治器在摘戴过程中需要抵抗短期而剧烈的变形，能够恢复原来的形状且不发生断裂。在口内长期佩戴的过程中需要释放轻而持续的力，既可以有效移动牙齿又不至因为力过大而引起患者的疼痛和牙根吸收。因此需要材料具有适宜的弹性模量、高屈服应力、低应力松弛速率。

2）良好的抗老化性能

主要指低吸水性和良好的耐磨性。口内老化过程会引起材料力学性能的下降，可能与水解及机械磨耗有关。材料发生吸水膨胀后形状和厚度发生变化，密贴性变差，影响矫治效果。同时水也会与材料分子的官能团结合，溶解材料中的可溶性物质，影响材料的力学性能。材料与牙齿和食物摩擦，表面变得粗糙，出现微裂纹和磨损。

3）适宜的厚度

在保证能够有效移动牙齿的同时，厚度越小矫治器就越舒适，张宁等研究不同厚度的Biolon膜片，发现0.75 mm 的膜片综合性能最佳。

4）良好的透明性

为保证正畸治疗过程中的美观效果，材料的透明性应高于80%，结晶度越高，透明度越低。

5）良好的生物相容性及化学稳定性

隐形矫治器是直接与人体接触的Ⅱ类医疗器械。不能与人体产生排斥反应，不能与复杂的唾液成分发生化学反应，不能析出有毒有害物质。

6）良好的热性能

热性能主要指玻璃化转变温度及软化温度。无定形聚合物的维卡软化点与玻璃化转变温度很接近。要求材料的维卡软化点高于口腔温度，低于真空压膜机的加工温度，同时要求材料具有较宽的加工窗口，高弹态到黏流态的转变温度及材料的分解温度不能与加工温度太接近。

7）良好的尺寸稳定性

热塑性材料具有蠕变特性，在一定温度和较小的恒定外力的作用下，材料的形变随着时间逐渐增加，聚合物分子链刚性越大，分子间作用力就越大，材料尺寸稳定性越好。

8）良好的抗菌性能

菌群最开始主要黏附于矫治器突起的边缘和表面较粗糙的部分，随着佩戴时间的延长，材料表面粗糙程度的增加，矫治器的表面也会附着菌斑生物膜，给口腔健康带来危害。因此理想的材料应该表面光滑、耐磨、具备一定的抗菌性。

2.常用热塑性高分子材料

目前常用热塑性高分子材料主要包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）、聚对苯二甲酸乙二醇酯-1,4- 环己烷二甲醇酯[Poly(ethylene terephthalateco-1，4-cylclohexylenedimethyleneterephthalate)，PETG]、热塑性聚氨酯（thermoplasticpolyurethane，TPU）、聚碳酸酯（polycarbonate，PC）及乙烯- 醋酸乙烯酯共聚物（ethylene-vinyl acetatecopolymer，EVA）。

各种材料具体性能如下。PET 为结晶型高聚物，具有低温抗冲击性好，拉伸强度和断裂延伸率较高的优点，Scheu 生产的Copyplast、Dentsplay 生产的Essix ACE 为PET材料。PETG 是1,4- 环己二醇（CHDM）改性后的PET，由于CHDM 的引入，结晶度降低，透光性能好，耐水解、流动性能、加工性能更好，符合FDA 的标准，很适合作为热塑性材料的主材料。但是PETG 的玻璃化温度较低，在受到高温后易变形。

市面上大部分热塑性材料的主要材料为PETG，如Erkodur、Biolon，以及Scheu 公司生产的Duran。TPU 分子链由软链段和硬链段交替排列组成，存在微相分离结构，使弹性体材料力学性能提高。TPU 常用于材料的共混，提高共混物的黏弹性、柔韧性、耐溶剂性和加工简易性，但是TPU 与一些高聚物的共混体系相容性较差造成共混材料的力学性能和透明度下降，且容易染色。

隐适美公司的Ex30、Ex40、SmartTrack 以TPU 为主材料，Erkodent 生产的Erkoloc-pro 为PETG 和TPU 的双层材料。PC 分子链中含有苯环和羟基，分子链刚性大，具有良好的强度及尺寸稳定性；大分子链难于结晶，通常呈无定形态，具有高透光度；分子极性小，吸水率低。但其刚性过大容易出现开裂，耐磨性、耐溶剂性、抗划性差。常与其他聚合物共混后联合应用，提高材料整体强度的同时不会影响透光性能。

Scheu 推出的Durasoft 膜片，主要材料为PC 和TPU。EVA 是乙烯和醋酸乙烯（VA）的共聚物，其性能与VA 的含量和分子量有关，由于EVA 具有良好弹性、柔韧性、粘接性能，常作为改性剂与其他聚合物共混。Bioplast、Essix A 均为EVA 材料。

3.热塑性材料性能及其影响因素

1）隐形矫治器的力学性能

热塑性材料释放的矫治力受到材料的种类、厚度、结构、加工方式以及负载情况等因素的影响。弹性模量的大小取决于原子和分子之间的键合力。同种材料，弹性模量随厚度的增大而增大，热压成型后厚度减小，弹性模量随之降低，人工唾液浸泡后厚度增加，弹性模量又随之升高。

材料的宏观结构也会影响应力释放，单层材料最大绝对应力值比双层者高4 倍，但双层材料应力释放更为恒定。负载的增加，如咀嚼和矫治器摘戴次数的增加，会导致矫治器释放的力逐渐减小。热塑性材料是黏弹性材料，具有应力松弛的特性。应力松弛与材料的种类、结构和环境相关。口腔内有较高的温度、湿度、多种有机物和无机离子、微生物等，都会使材料的应力松弛速度加快。

2）隐形矫治器的老化性能

口腔环境容易导致热塑性材料老化，主要是由水解和机械磨耗所致，表现为表面粗糙度增加和力学性能下降。各种热塑性材料的吸水量变化基本一致，在48h 内吸水速度很快，而后逐渐减慢，2 周后基本饱和。吸水量的多少与材料的分子间隙、分子内所含极性基团及氢键的多少密切相关。热塑性材料的耐磨性随着硬度的增加而增加。戴用时间不同，粗糙度改变的位点不同，短期戴用后牙区的粗糙度较高，长期戴用前牙区的粗糙度较高。

3）隐形矫治器的生物安全性

目前研究证实热塑性材料生物安全性较好，被认为可以应用于临床。但也有报道使用Invisalign 后的严重不良事件，最常见的症状包括呼吸困难、喉咙肿胀、舌头肿胀，可能是由于致敏微量元素，需要警惕对过敏体质人群的危害。

4.改善隐形矫治用热塑性材料性能的方法

目前改性的方法主要有共混改性、多层复合改性和赋予材料抗菌性。

1）共混改性

共混改性是指将不同聚合物按照一定比例混合获得新材料。物理共混是共混改性方法中最简单、高效的一种方式。其难点在于聚合物之间的相容性和材料透明性的保持，此外，聚合物之间因为结构差异导致共混时出现相分离，共混物综合性能反而变差。在共混时应尽量选择能够完全相容或是折光指数相差较小的材料。用于隐形矫治的热塑性材料共混改性主要是以PETG 和TPU 为主材料。当使用TPU 对PETG 进行改性时，TPU 添加量小于15% 时共混物透光率在85% 以上，当达到15% 时，体系的拉伸强度明显下降，不能提供足够的矫治力。

PC 与TPU 相比，同PETG 的兼容性更强，比例为7 ：3 的PETG/PC2858 表现出最佳的机械性能，优于Erkodur 和Biolon。随着PC 含量的增加，共混物的拉伸强度、刚性增大，应力松弛速率、吸水量、断裂延伸率降低。当使用PETG、PC、TPU 三者进行共混时，比例为7 ：1 ：2 效果最佳，吸水性和应力松弛性能较Erkodur 和Biolon 更优。

在PETG、PC、TPU 的基础上加上纳米二氧化硅共混，通过注塑的方法制得热塑性材料。纳米二氧化硅基本保持材料的透明性，增强力学性能，进一步降低了吸水率和应力松弛速率，同时降低了材料维卡软化点，使得加工成型温度下降。由于TPU 用量在20% 以下才能保证透明性，添加量较少，材料的弹性差。在不改变组分的情况下，将纳米二氧化硅和TPU 一起熔融共混后造粒，将PETG 和PC 一起熔融共混后造粒，然后将所得的两种粒料在一起熔融共混，这样可以进一步降低吸水率和应力松弛速率，材料强度也有所提高。

但是仍然存在回弹力不足和泡水老化后材料力学性能显著下降的问题。有研究通过将PETG、PC、EVA 共混的同时添加扩链剂和轻质碳酸钙，解决以上问题，这种新材料的性能与Scheu和Erkodent 的矫治器性能接近甚至更加优越。轻质碳酸钙可以改变塑料的流变性能，提高材料的耐热性、耐磨性、尺寸稳定性、增韧补强及刚度，还可以提高制品的光泽和表面平整性。PC 的柔性链可以增强界面结合力，改善轻质碳酸钙和几种材料之间的相容性，提高其分散性。扩链剂可以改善聚合物之间的相容性，提高材料加工性能，尤其是可以使材料分子间接段更好，降低了材料的吸水性，提高泡水后的力学性能。

2）多层复合改性

共混改性在材料性能和舒适度之间存在矛盾。材料的硬度越大，强度就越高，但舒适度会下降。近年来出现了多层复合改性方法，通过改变材料的宏观结构来改善材料的性能。隐适美公司首先推出三层结构膜片SmartTrack，中间层为硬质PETG，两侧为软质的TPU。由于贴合组织面的材料质地较软，易于摘戴，佩戴舒适。TPU 层在加热时能够软化得更彻底，接近液态，具备优异的细节再现性。但使用TPU 作为外层容易破损和染色，影响功能和美观效果。

美国Bay Materials 推出ZenduraFLX，中间层为TPU，两侧外层为PETG，可以避免材料表面染色和刮擦，同时提供良好的矫治力。但表层的PETG 刚性较强，在应力作用下很容易产生银纹和断裂，制成的矫治器易产生表面破损。国内也有许多关于多层复合热塑性材料的专利。加工工艺主要以共挤为主，材料主要为TPU、PETG 和PC。

一些热塑性材料设计为外层硬度高提升机械性能、内层硬度低提升舒适度的形式。为了改进SmartTrack 表面容易刮划和Zendura FLX 表面刚性过强的问题，在最外层使用硬质TPU。例如双层膜片的外层使用硬质TPU，内层使用软质TPU。三层膜片的外层使用硬质TPU，中间层使用PETG，内层使用软质TPU。

3）抗菌性热塑性材料

正畸过程中的口腔健康问题一直是关注的热点，包括牙釉质脱矿、龋病和牙周病等。近年来有一些通过添加抗菌剂或增强透气性的方法赋予热塑性材料抗菌性能的研究。常用的医用抗菌剂包括无机抗菌剂（如金属离子及其氧化物）、有机抗菌剂（如季铵盐类）、天然抗菌剂（如甲壳素）等。口腔抗菌材料通常将抗菌剂与基体材料共混，通过释放抗菌剂的方式实现抗菌作用，但这样维持的有效抗菌时间较短。

有研究为获得长效抗菌效果，将改性电气石与PETG 共混。改性电气石能够产生负离子和微弱电流，作用于有机物，从而抑制细菌的生长；在增加PETG 材料抗菌性的同时增加其热变形温度，使得成品的尺寸精度更高。更多研究集中在通过不同的方式在表面添加抗菌涂层，以维持长效稳定的抗菌效果。如将以壳聚糖为基础的抗菌薄膜与PETG 材料交联。对于牙釉质脱矿的防治除了抑菌之外还需要再矿化。

将氟盐、聚乙二醇（PEG）、壳聚糖和纳米二氧化钛组成涂层通过超声辅助技术增加到材料表面，可以在增加抗菌性的同时缓释氟离子促进再矿化。近年来提出以透明树脂为原料的光聚合3D 打印法制作隐形矫治器的想法，与热塑性材料相比具有更加精确的几何形状，更容易控制厚度。国内有专利研制了一种直接3D 打印隐形矫治器的方法。在3D 打印机前端设置一个喷头进行PET、TPU 或复合材质的熔融沉积，中间一个喷头喷涂光固化树脂，后端为UV 等即时照射光固化树脂进行固化。目前配套软件、专用材料、生物相容性和临床效果仍然有待开发和研究。

来源：刘淼,张宁.无托槽隐形矫治用热塑性材料的研究进展[J].北京口腔医学,2025,33(01):66-69.DOI:10.20049/j.bjkqyx.1006-673X.2025.01.014.

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