随着社会的发展和人们生活水平的提高,人们更加注重个人的外部形象。正畸矫正受到越来越多人的关注,然而,目前正畸治疗是个长期、反复甚至带有副作用的过程,主要原因是牙齿移动机理尚未研究清楚。牙周膜作为连接牙齿与牙槽骨的软组织在正畸治疗过程中有着很重要的作用,他能首先感受正畸力并传递给周围骨组织,使其发生骨改建引起牙齿的移动。此外,正畸治疗过程中,矫治器作用在牙冠上的力矩与力的比值(M/F)的大小是导致牙齿以不同方式移动(通常包括倾斜移动、整体移动、控根移动和旋转移动)的主要因素。因此,研究牙周膜生物力学特性,了解力系与牙齿移动方式的关系对正畸医生制定合理的矫治方案和矫治设计提高正畸治疗效率具有重大的意义。本文采用实验、理论模型与有限元仿真相结合的方法从宏观(拉伸实验)与微观(纳米压痕实验)角度对牙周膜生物力学特性进行深入研究。以比格犬牙周膜为研究对象,分颈缘、根中、根尖三个区域制作厚度为0.2mm的切片样本。借助万能试验机,以不同速率对每组样本做拉伸实验并计算每个样本数据的平均值作为该样本的拉伸实验曲线,并用双线性模型拟合每条曲线求出每段弹性模量。基于拟合结果,利用统计分析软件评价不同速率,牙周膜不同部位弹性模量差异。同时,牙周膜力学特性可以看成瞬时超弹性和与时间相关的粘弹性的叠加。为此,构建一种能够描述在不同拉伸速率下的超-粘弹性模型:扩展的MooneyRivlin模型,然后分别拟合不同速率的实验曲线求出模型的超弹性与粘性两部分参数。为了了解牙周膜沿长轴方向和圆周方向弹性模量的差异,分颈缘、根中、根尖(长轴方向)和舌-唇侧、近-远中(圆周方向)做纳米压痕测试,由Oliver和Pharr理论计算得到每个区域弹性模量平均值并比较是否有统计学差异,结果显示沿长轴方向有明显差异,且根中位置平均弹性模量要低于颈缘和根尖区域,而沿圆周方向没有统计学差异。为了研究牙周膜在纳米尺度下的粘弹性特性。分别以不同力加载速率进行压痕实验,然后再以常用的Maxwell单元、Kelvin单元、标准的Maxwell单元以及标准的Kelvin单元模型拟合并求得模型参数,选择拟合效果较好的模型参数作为有限元模拟压痕实验的初始参数。结果表明纳米压痕实验基底效应使得牙周膜有限元结果与实验结果有较大的差异,但两者参数存在一个比例关系。有限元仿真广泛应用于口腔正畸学中,而获得精确的有限元结果必须建立高精度的牙齿模型和准确的牙周膜模型单元。使用CT扫描获得牙颌的组织结构数据,通过逆向工程方法建立了牙齿、牙周膜、牙槽骨的实体模型和有限元模型。基于连续介质力学理论,推导出前文构建扩展的MooneyRivlin模型超弹性部分的本构模型方程及弹性张量,在此基础上对该模型的UMAT子程序进行二次开发,扩展ABAQUS软件的材料模型库。模拟牙周膜拉伸实验把拟合参数作为有限元模拟初始值,把实验曲线作为目标函数,通过优化得到该模型有限元结果优化值。正畸矫正过程中,牙齿有多种移动方式,但各种类型的牙齿移动都可归纳为4种移动方式,即倾斜移动、整体移动、控根移动和旋转移动。每种移动方式都是作用于牙齿上的矫治力和力矩的综合效果(包括力的大小、方向、施力点),力和力矩的比值(M/F)决定着牙齿移动的方式。通过三维空间运动学的方法,结合非线性本构模型研究了阻抗中心的位置,没有一个确定的位置,会随着施加力矩方式的不同位置会发生细微的变化。通过施加变化的M/F比值,得到尖牙、切牙和磨牙在舌-唇侧及近-远中方向几种不同的移动方式所对应精确M/F比值。在同种类型移动方式下,尖牙所需M/F比值最大,切牙其次,磨牙最小。对于同种类型牙齿而言,舌-唇侧所需M/F比值要大于近-远中方向。为了研究桩核修复对牙体的影响及其使用寿命,建立桩核修复后下颌骨第一尖牙的三维有限元模型。对牙齿加载100N咬合力,分析不同材质桩核修复后的应力分布状况。通过实验数据拟合氧化锆的S-N疲劳特性曲线,利用fe-safe疲劳分析软件,研究了氧化锆桩在牙齿内部的使用寿命。结果表明,纤维桩修复时牙本质的根颈应力比氧化锆桩修复时大,而根尖的应力比氧化锆桩修复时小,纤维桩本身的应力比氧化锆桩的应力小。疲劳分析结果表明,正常咀嚼力下,氧化锆桩在牙齿内部可以使用长达20年。对比纤维桩在临床修复上的表现,氧化锆桩修复缺损牙齿效果更好。