一种微型自攻型支抗钉的设计与制造.pdf
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1、Chin J Dent Mater Dev 2023年第32卷第3期205口腔材料器械杂志 器械研究 一种微型自攻型支抗钉的设计与制造茹栋何敌王国庆(杭州西湖生物材料有限公司,杭州311107)【摘要】目的研制一种具有良好生物力学功能、可直接自攻到位的微型自攻型支抗钉。方法选用高强度植入物用钛合金 TC4,或 316L 植入物医用不锈钢,设计支抗钉螺杆尖端自攻、螺杆主体、非骨质埋入部(龈部)、支抗钉功能头部和周向稳定槽,并采用 6 轴数控加工中心、配专用夹具工艺制造微型自攻型支抗钉。结果成功设计了一种支抗钉螺杆尖端、螺杆主体骨螺纹和轻锥度、力矩输入段及牵引悬挂结构的微型自攻型支抗钉,该支抗钉能
2、满足多重牵拉结扎,无需通过黏膜切口手术,可直接从牙龈穿透自攻植入牙床骨质中。结论支抗钉具有良好的植入稳定性、生物相容性,在自攻固位后即可牵拉结扎,有效地缩短了正畸周期,避免了牵引过程中出现植入部分松动或植入部分失效的现象。【关键词】微型自攻型钛合金正畸支抗钉设计制造DOI:10.11752/j.kqcl.2023.03.10The design and manufacturing of a miniature self-tapping screwRu DongHe DiWang Guoqing(Hangzhou West Lake Biomaterials Co.,Ltd,Hangzhou 3
3、11107)【Abstract】ObjectiveThis study aimed to develop a micro self-tapping orthodontic screw with excellent biomechanical function and direct self-tapping in place.MethodTitanium alloy TC4 or 316 stainless steels for high-strength implants was selected to produce the tip of the TAD,the bone thread an
4、d light taper of the screw body,the torque input segment,the traction suspension structure,and a 6-axis CNC machining center with special fixtures are used to manufacture the miniature self-tapping orthodontic screw.ResultThe design of a miniature self-tapping stud with a screw tip,screw body thread
5、 and light taper,torque input section,and traction suspension structure has been successfully developed.The Temporary Anchorage Device did not need to be operated through a mucosal incision surgery and can be directly penetrated from the gums and self-tapped implanted into the gum bone.Conclusion Th
6、e Temporary Anchorage Device has a favorable implantation stability and biocompatibility,and can be pulled and ligated after self-retention,which effectively shortens the orthodontic cycle and avoids the phenomenon of partial loosening or failure of the implant during traction.【Key words】The microSe
7、lf-TappingTitanium alloyOrthodontic Mini ScrewThe design and manufacturing正畸用支抗钉体积小,植入及去除方便,作为支抗的同时不会造成其他牙齿不必要的移动,而被广泛应用于牙齿正畸矫治中。所谓支抗就是用来对抗矫治力的固定源。在矫治系统中,对任何部位施加矫治力时,都需要一个能够对抗此矫治力的固定源。有研究表明,在整个矫治力系统中,力和力矩之和都应该等于 0(Burstone,1995),因此在口腔内很难找到理想的固定源,即支抗,是通信作者:王国庆,Email:Chin J Dent Mater Dev 2023年第32卷第3期
8、206口腔材料器械杂志正畸器械设计、制造和矫治操作的科学探索的重点之一。支抗的方法有多种,由于骨性支抗(skeletal anchorage)越来越受到关注,它为解决支抗难题提供了可能性。骨性支抗的适配零件就是微种植钉-支抗钉,其植入过程主要包括以下步骤:先在设计好的位置上作数毫米长的黏膜切口,再用适配的钻头在暴露的密质骨上开引导孔,然后将微型支抗钉从引导孔处旋转进入,植入后半个月左右伤口愈合后通过在支抗钉的头部或颈部设置支抗丝进行牵引正畸,其手术时间跨度较大。多数支抗钉植入都存在牵引过程出现植入部位松动,植入失效现象1。针对现有支抗钉形体技术存在的不足,本研究进行了新的结构设计,结合先进的加
9、工工艺,设计提供一种不需要进行黏膜切口手术、不存在多余创伤的、可以直接攻入的自攻型正畸支抗钉。1材料和方法1.1材料支抗钉材料可选用国标高强度植入物用钛合金 TC4,或 316L 植入物医用不锈钢。根据使用过程中可能出现的各种受力状态,对钛合金采用固溶加时效处理,使其具有最大的强度同时具有最高韧性,对产品表面进行阳极氧化处理,使其表面有共格的氧化钛结构;对不锈钢使用其轻拉半强化态技术制造支抗钉,其强度和韧性会略优于钛合金,生物性能也能满足要求。在实际应用中,趋向于选用高强度植入物用钛合金 TC4 制造支抗钉,根据支抗力 500 g 左右和微创伤的要求(钉体要微小),试验产品经杭州西湖生物材料有
10、限公司支抗钉生产车间加工成正畸微型自攻型支抗钉。1.2形体结构设计图 1 为支抗钉结构主视图,图 2 为支抗钉螺纹转向示意图,图 3 为支抗钉周向稳定槽示意图。1.2.1支抗钉螺杆尖端自攻设计2支抗钉的自攻要求尖端必须尖锐、易穿刺、易攻入,但细的尖端强度不够,所以必须设计出材料强度能承受又能在骨上自攻攻入的顶角锥度,如图 4所示,该支抗钉螺杆尖端 1 的自攻设计采用 50锥角。使得支抗钉在头部自攻过程中具备较好的切削强度和排削效果,有效减小头部材料在自攻过程中的径向扭矩,消除断裂现象并形成较好的导向条件。图 1支抗钉结构主视图注:1 为支抗钉螺杆尖端,2 为螺杆主体,3 为非骨质埋入部分(龈部
11、),4 为支抗钉力矩输入段(功能头部工具着力面),5 为牵引力悬挂结扎部分(包括牵引槽、牵引孔、方丝弓槽等),6 为周向稳定槽,7 为第一腔壁,8 为第二腔壁,9 为腔体,10 为旋转切削角,11 为牙形体。图 2支抗钉螺纹转向示意图图 3支抗钉周向稳定槽示意图图 4支抗钉尖端角度图为了减少攻入时的挤压应力,在顶尖部设计制造了自攻刃,使纯挤压应力变成主要为切削应Chin J Dent Mater Dev 2023年第32卷第3期207口腔材料器械杂志力,其刃形设计如图 5 所示,图中 a 为刃形槽长轴方向上的位置,从接近顶端开始至钉杆直径到达处,约经过 3 个锥度螺纹并和轴向成一角度。刃形槽在
12、径向截面中如图 5b 所示,槽的一边和通过轴心线的平面重合并和外圆或螺纹形成切削刃口,刃口前角等于 0(确保自攻的切削效果和刃口的强度),刃前槽成排屑槽,有效地减小了支抗钉植入骨质过程中进入的轴向阻力和植入深度后螺杆体的周向阻力矩。图 5支抗钉刃形设计图注:a.刃前槽轴向,b.B-B 截面。如图 5 所示,在顶尖部设置 12 牙锥度螺纹,使顶尖攻入时螺纹的轴向反作用分力能平衡掉近一半的攻入时挤压轴向分力,使攻入时增加自攻能力,并使攻入容易。1.2.2螺杆主体设计3螺杆主体 2 采用 1 度轻锥角设计,确保螺杆主体在植入骨质后螺纹的每一节都能受到均匀的径向向心挤压应力。螺纹牙形在确定合理的齿形高
13、度的条件下,牙形角为不对称形式-即 G1G2 角面的螺杆轴向分力,且 G1 与G2 的合力方向与支抗钉的植入深度方向一致。螺杆主体的此款形体能加强和确保支抗钉植入的稳固性。螺杆直径由攻入扭力、抗弯力和牵引力等强度决定,根据计算和实验,最大力是攻入时的扭力和弯曲力,对于钛合金材料制成的钉杆,直径需达 1.2 mm 以上才能满足要求(常用的为 1.2-1.8 mm),杆部螺纹需保证攻入后牵引力作用下不松动不脱落,我们设计的是骨螺纹结构,如图 6 所示,螺纹的螺距是普通螺纹的 3 5 倍,使骨质螺纹嵌入体和金属体螺纹啮合的轴向部分的结构螺纹齿形有近似等强度联接,G1 角面还导致螺纹顶角由通常 60
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