正畸弓丝的研究发展受一系列因素的影响,最主要是与临床实践相关。十九世纪80年代晚期,临床上使用的是镍银和铂金合金等贵金属合金,这些合金的优点是柔软、有较高的弹性,但弓丝不能移动个别牙齿或整平牙弓[2]。方丝弓矫治技术是二十世纪20年代由DrEdwardAngle引入,方丝弓系统虽然能在三维方向上控制牙齿的移动,但由于当时依然采用贵金属合金,并不能对牙齿的移动进行稳定、有效的控制[1]。
不锈钢丝出现于二十世纪20年代末,其具有更高的强度和良好的延展性和耐腐蚀性。二十世纪30年代早期,锻造不锈钢和氟助溶剂的产生,成功地实现了焊接技术,贵金属弓丝退出历史舞台[3]。二十世纪30~50年代,美国正畸主要受DrCharlesTweed的影响,口内矫治力都是相对较重且间歇性的。50年代中期,P.R.Begg将轻力矫治引入正畸领域,这促使正畸学者寻求有更低硬度、更高弹性性能的弓丝。二十世纪60年代早期,美国海军研究实验室发现了一种具有形状记忆效应的合金,被称为镍钛合金。这种合金可预先成形,当再次加热时能够恢复原来的形状。镍钛丝在升温加热时,应力应变模式发生改变(奥氏体和马氏体的相互转化)并有形状记忆功能,更重要的是回弹性好、承受张力时其弹性模量远小于不锈钢[4]。镍钛丝良好的性能引起了正畸界的广泛关注。
Beta钛合金(,TMA)同镍钛丝相比,前者可焊接、成形性好,更重要的是比不锈刚丝弹性高,不含有可致敏的镍,其缺点为摩擦系数大,常用于后期调整阶段,可以更好地控制牙齿[1]。2001年,日本丰田研究中心研制出一种新的Beta钛合金-"橡胶合金"(GumMetal),橡胶合金在强冷加工下的"超"性能包括:超低的杨氏模量、超高强度、高屈服应变、高延性,以及室温下的超塑性变形能力。橡胶合金的超低杨氏模量可以提供稳定、温和而持久的力量,可以在正畸临床中更好的控制牙齿的移动[5]。
随着成人正畸患者的增加,学者对正畸弓丝的美观和安全性研究越来越多。陶瓷托槽的出现使美学正畸一度掀起热潮,然而,陶瓷托槽与普通镍钛丝和不锈钢等金属弓丝联合应用时,并不能真正实现美学正畸,陶瓷托槽的美学优势大打折扣。此外,应用金属弓丝材料时存在如金属过敏和干扰磁共振成像等问题。纤维增强复合材料(/plastic,FRP),是由纤维材料与基体材料(树脂)按一定的比例混合后形成的高性能型材料。有学者认为[6],FRP有可能成为口腔临床中的常用材料,如义齿的修复材料,前牙的固定保持器,以及代替常规的不锈钢丝来移动牙齿等。Imai等[7]研究出一种兼具美学和生物相容性的PRP弓丝,该弓丝是由聚甲基丙烯酸甲酯(,PMMA)作为基质和CaO-P2O5-SiO2作为纤维的新型丝。FRP的拉伸和三点弯曲测试显示其性能可与镍钛丝媲美,温度发生变化时,其性能基本稳定并可提供持续的矫正力。FRP与牙齿颜色相近,尤其是使用陶瓷托槽时,如配合FRP弓丝,能真正实现美学正畸。在矫正治疗的不同阶段,弓丝的机械性能要求不同,可通过调整FRP的纤维材料、纤维含量、纤维排列等成分,以改变性能满足不同治疗阶段对弓丝的多种要求。此外,FRP可以应用于成人的舌侧矫治,为美学需求高的患者提供完全隐形的矫治器[8]。另一种美学弓丝是被膜涂层弓丝,通过刚丝上的涂层来模拟牙齿的颜色。用于涂层的材料主要是含氟树脂或环氧树脂等聚四氟乙烯类的塑料树脂。这种弓丝需要由超强粘附性能的粘接剂实现环氧涂层和弓丝之间的粘接[9]。而许多学者认为被膜涂层弓丝是不耐用的,涂层弓丝在口腔环境中、咀嚼活动和口腔中酶的作用下,通常3周左右就会被破坏,出现被膜裂开、露出底层金属等问题;涂层弓丝的颜色往往随着时间的推移在口中发生变化[10,11]。此外,涂层弓丝与相同尺寸的其他弓丝相比,其更小的合金内核使其不能提供充足的牙齿移动动力;有学者认为这种弓丝的表面涂层会增大弓丝与托槽之间的摩擦力[12]。但有其他学者认为由同一制造商生产的塑料涂层弓丝与未涂层的弓丝相比,前者摩擦性显著地降低[13,14]。还有一些学者认为,美学弓丝的粗糙度并不取决于美学涂层材料的类型,而是受涂层涂覆方法的影响,涂层的孔隙率越低,弓丝的粗糙度越低[14]。虽然存在争议,被膜弓丝依然在临床中占有一定的市场和使用率。此外,还有一种机械性能和热性能优于传统材料的塑料,称为工程塑料。超级工程塑料(,SEPs)由于其机械强度高,并有改良的热稳定性和化学稳定性,得到了广泛使用。在各种SEPs中,聚醚醚酮(,PEEK)的机械强度最高。医学上,聚醚醚酮(PEEK)已被证明是一种在整形外科应用中钛的优秀替代品,并已用于口腔修复植入物、临时基台等[15]。Shirakawa等[12]研究的PEEK管复合弓丝是由弓丝穿过PEEK管制造的丝状物,这种弓丝不仅表现出良好的强度和低摩擦性,而且可以满足患者的美观要求,甚至可以根据不同种族、性别和年龄来调整弓丝颜色。