《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Biomechanical analysis of maxillary incisor intrusion with clear aligners under different periodontal conditions: a finite element analysis
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目的：通过有限元分析（finite element analysis，FEA），研究三种牙周条件下无托槽隐形矫治器（clear aligner，CA）压低上颌切牙的生物力学效应，并确定最优压低增量。
材料与方法：采用3×3设计构建9个有限元模型，模拟三种牙周
目的：通过有限元分析（finite element analysis，FEA），研究三种牙周条件下无托槽隐形矫治器（clear aligner，CA）压低上颌切牙的生物力学效应，并确定最优压低增量。
材料与方法：采用3×3设计构建9个有限元模型，模拟三种牙周状态（M1：正常骨水平；M2：三分之一牙槽骨丧失；M3：二分之一牙槽骨丧失）分别联合三种压低增量（0.10、0.15和0.20 mm）。分析前牙位移、牙根von Mises应力及牙周膜（periodontal ligament，PDL）最大压应力。
结果：牙齿位移和力学应力随牙槽骨丧失增加及压低增量增大而升高。中切牙发生更显著的倾斜移动，而侧切牙获得更大的垂直向压低。因此，侧切牙承受更高的应力；其牙周膜应力约为中切牙的两倍。中切牙压低效率随增量增大呈比例增加，而M2和M3状态下侧切牙在0.15 mm增量时表现出较0.20 mm更高的压低效率（峰值达92.0%）。在M3状态下，将增量从0.10 mm增至0.20 mm显著放大了侧切牙牙根应力（2.96–8.18 MPa）和牙周膜应力（0.056–0.114 MPa）。
结论：无托槽隐形矫治器可实现上颌切牙压低，但伴随倾斜移动。侧切牙较低压效率更高，但承受的力学应力大于中切牙。牙槽骨丧失加剧了倾斜趋势和应力。对于牙槽骨丧失超过三分之一的患者，建议压低增量限制在0.15 mm以内。
# 不同牙周条件下无托槽隐形矫治器压低上颌切牙的有限元生物力学研究解读
## 一、研究背景与问题
牙周炎是一种多因素慢性炎症性疾病，可导致牙周组织进行性破坏，影响全球超过50%的成年人。牙周组织退化常引起病理性牙齿移位、切牙唇向散开及创伤性咬合，最终可导致牙齿丧失，损害口腔功能、面部美学和整体生活质量。近年来，因牙周炎导致的病理性牙齿移位使成人患者对正畸治疗的需求不断增加。
上颌切牙的伸长和唇向散开是牙周炎患者寻求正畸治疗最常见的就诊原因之一。治疗目标通常包括关闭间隙、内收唇向散开的切牙以及减小前牙覆??覆盖，这需要通过正畸压低实现。然而，在减缩的牙周组织上施加压低力学机制仍存在争议。一方面，正畸压低有将龈上生物膜转移到龈下空间的风险，从而加重牙槽骨丧失并诱发骨内缺损；另一方面，控制不良的压低力可导致牙周缺血和牙根吸收。尽管如此，大量证据表明，在精细的炎症控制基础上施加低水平力，正畸压低能改善牙周参数，尤其在前牙区。
与传统固定矫治器相比，无托槽隐形矫治器因其可摘戴特性在牙周炎患者的口腔卫生维护方面具有明显优势。然而，初次戴入矫治器时产生的瞬时应力可比固定矫治器高出50至500倍，这使隐形矫治技术在牙周炎患者中的应用需谨慎评估。目前针对该特定人群的隐形矫治研究文献极为有限，多为病例报告。虽有研究人员采用有限元分析方法探讨了不同牙周条件下下颌切牙压低的最优增量，但以上颌切牙压低为对象的研究仍较匮乏。不同牙周状态下该移动方式的生物力学特征及合适的激活增量尚未完全阐明。
## 二、研究方法概述
三维有限元分析是正畸生物力学领域成熟的研究方法。本研究经首都医科大学附属北京口腔医院伦理委员会批准，获取一名成年男性志愿者的锥形束计算机断层扫描（cone-beam computed tomography, CBCT）数据，其拥有完整恒牙列、无牙槽骨丧失且上颌前牙唇倾度正常。研究人员在Mimics、Geomagic Studio及Pro/E软件中重建上颌骨、牙周膜和上颌牙列三维模型，依据2018年牙周病分类构建三种牙周状态（M1正常骨水平、M2三分之一牙槽骨丧失、M3二分之一牙槽骨丧失），并设计0.10、0.15和0.20 mm三种压低增量的无托槽隐形矫治器模型。在Hypermesh中划分网格（牙周膜采用楔形单元），于Abaqus中完成组装与计算，分析前牙三维位移、牙根von Mises应力及牙周膜最大压应力。
## 三、研究结果
### 1. 牙列和牙齿位移特征
研究人员通过位移云图和逐牙三维位移分析发现，在全部九种模型中，四颗上颌切牙压低时位移主要集中在六颗上前牙区域。随着压低增量增大，前牙位移逐渐增大；在相同增量下，牙槽骨丧失越多，前牙位移也越大，M3组联合0.20 mm增量时达到最大位移。在垂直向上，中切牙和侧切牙表现为压低移动，而作为支抗牙的尖牙表现出伸长趋势。在唇舌向上，切牙和尖牙均表现为牙冠舌向、牙根唇向的倾斜移动。侧切牙的垂直压低量大于中切牙，而中切牙的舌向冠倾斜和唇向根倾斜较侧切牙和尖牙更显著。
### 2. 切牙压低效率分析
研究人员定义了绝对压低效率以评估切牙沿牙长轴的绝对压低量占设计压低量的比例。在相同牙周条件和增量下，侧切牙的压低效率始终高于中切牙。随牙槽骨丧失加重，两种切牙的压低效率均升高。在相同牙周条件下，中切牙压低效率随增量增大而升高，在M3状态联合0.20 mm增量时达最大值27.3%；但侧切牙在M2和M3状态下，0.15 mm增量对应的压低效率反而高于0.20 mm增量，且在M3状态0.15 mm增量下达峰值92.0%。研究人员还观察了矫治器本身的位移趋势：覆盖四颗切牙的矫治器片段呈现伸长趋势，中切牙处较侧切牙更明显，这提示中切牙区域更易发生矫治器与牙齿贴合度的丧失。
### 3. 牙根应力与牙周膜应力分析
牙根von Mises应力峰值分布于牙冠切端和牙根舌侧两个区域，应力集中范围随压低增量增大而扩展。在相同条件下，侧切牙牙根的von Mises应力始终高于中切牙。牙槽骨丧失和压低增量增大均导致切牙牙根von Mises应力升高，M3状态0.20 mm增量时侧切牙牙根应力达8.18 MPa，约为0.10 mm增量时（2.96 MPa）的2.8倍。牙周膜最大压应力主要集中在根尖唇侧和颈部舌侧区域。侧切牙牙周膜承受的压应力高于中切牙，在相同条件下约为中切牙的两倍。M3状态0.20 mm增量时侧切牙牙周膜最大压应力为0.114 MPa，约为0.10 mm增量时（0.056 MPa）的两倍。应力分析表明，侧切牙比中切牙更易在压低过程中发生牙根吸收和舌侧骨开窗。
## 四、讨论与临床启示
本研究基于2018年牙周病分类构建有限元模型，模拟不同分期牙周炎患者使用无托槽隐形矫治器压低上颌切牙的过程。结果表明，所有模型中中切牙和侧切牙均沿牙长轴实现了一定压低，但未实现整体压低，而是伴随明显的牙冠舌向、牙根唇向倾斜。这一模拟结果与临床中切牙设计为沿牙长轴压低却反而表现为垂直于??平面伸长的观察相吻合，也解释了隐形矫治器在解决前牙深覆??方面效果欠佳的临床报告。上述发现强调了隐形矫治器压低上颌切牙时转矩控制的重要性，必要时可在矫治器龈方加入power ridge或对切牙最终位置设计过矫正。
关于不同牙位压低效率的差异，临床CBCT研究曾报告上颌侧切牙的压低达成率高于中切牙，本研究结果与此一致。研究人员推测，中切牙距离支抗牙较远，受隐形矫治器材料性能限制，压低效果和力学控制被削弱；同时中切牙牙周膜面积大于侧切牙，在相同增量下更难以压低。而不同研究中侧切牙可预测性最低的结论可能源于不同医生设计的牙齿移动方案差异，以及侧切牙对压低反应更敏感导致切缘与矫治器之间出现间隙、追踪丧失。本研究未在上颌前牙设计附件，矫治器的伸长趋势与牙齿压低之间的失配可能削弱压低力表达。对牙槽骨吸收的牙周炎患者而言，附件放置需要权衡牙周状态和移动效率。
牙槽骨高度降低使牙齿在相同正畸力下更易移动，单根牙因阻抗中心根方迁移而倾斜趋势增加。本研究中M3组表现出最大的三维位移和倾斜趋势，提示牙周炎伴牙槽骨丧失患者使用隐形矫治器压低上颌切牙时面临更高的前牙骨开窗风险，临床上需密切监测。压低效率分析显示，M2和M3状态下侧切牙采用0.20 mm增量时压低效率反而低于0.15 mm，可能与侧切牙牙冠较小、0.20 mm激活增量导致切缘处矫治器与牙齿出现间隙从而追踪丧失有关，而0.15 mm增量更有利于维持矫治器-牙齿适配度从而高效传力。
应力分析方面，侧切牙在相同条件下牙根和牙周膜应力均高于中切牙，提示其在压低过程中更易发生牙根吸收和舌侧骨开裂。牙周条件恶化时应力集中区域扩大、数值升高。在二分之一牙槽骨丧失时，侧切牙牙根von Mises应力在0.20 mm增量时是0.10 mm时的2.8倍，牙周膜最大压应力翻倍。过大的应力增加牙根吸收风险，并可能进一步加重牙周炎患者本已减弱的组织代谢状态下的牙齿松动和牙槽骨丧失。综合应力分析和压低效率结果，研究人员建议当患者牙槽骨丧失超过三分之一时，切牙压低增量不应超过0.15 mm。
## 五、研究结论
使用无托槽隐形矫治器沿牙长轴压低上颌切牙可获得压低效果，但伴随牙冠舌向、牙根唇向的倾斜趋势。侧切牙的绝对压低效率高于中切牙，同时承受更大的牙根和牙周膜应力。牙槽骨丧失加剧了压低过程中的倾斜趋势以及牙根和牙周膜承受的应力，因此必须进行精细的生物力学设计以确保安全高效的治疗。具体而言，当牙槽骨丧失超过三分之一时，建议矫治器压低增量最大限制为0.15 mm。
