微型正畸装置形状记忆合金弓丝非线性止锁机制设计

作     者：代清源 吉利 华嘉皓 梁振宇 余健文 陈太聪 

作者机构：华南理工大学土木与交通学院 中山大学附属第一医院 广州欧欧口腔医疗研究院 广州欧欧医疗科技有限责任公司 亚热带建筑与城市科学国家重点实验室 

出 版 物：《生物医学工程学杂志》 (Journal of Biomedical Engineering)

年 卷 期：2024年

学科分类：1003[医学-口腔医学] 100302[医学-口腔临床医学] 10[医学] 

基　　金：国家自然科学基金资助项目(52178479) 广州市创新创业领军人才项目(2021-L004) 广东省现代土木工程技术重点实验室项目(2021B1212040003) 

主　　题：正畸装置 止锁机制 形状记忆合金 正交实验设计 

摘      要：目前研发的新型国产正畸装置中，托槽与形状记忆合金（SMA）弓丝之间的止锁机制是控制牙体精准矫正的关键。为满足临床治疗中的止锁力需求，止锁螺栓的紧固扭角及所需要的扭矩大小需要精准设计。为此，本文开展止锁机制的设计研究，分析紧固扭角与止锁力的对应关系，确定有效的扭矩值，其中涉及复杂耦合的接触、材料和几何非线性特征。首先，针对SMA弓丝的三点弯曲实验数据，开展基于参数正交实验设计的仿真分析，确定SMA超弹性材料参数。其次，建立螺栓旋紧和弓丝拉拔的两阶段精细有限元仿真模型，通过关键接触参数的优化设置，实现非线性分析收敛。最后，开展三种紧固扭角情况下的多组标定实验。本研究通过设计分析与标定实验的对比结果表明，各情况下止锁力的设计分析值与标定均值的偏差在10%以内，设计分析方法有效可靠。本研究最终确定临床应用的紧固扭角为10°，额定扭矩为2.8 N·mm。综上，本文所得关键数据可用于新型正畸装置的临床方案设计和后续机械优化，研究方法可为包含SMA材料的医疗器械受力分析提供有益参考。