Historia superelastyczności

SENTALLOY®

Historia superelastyczności

Raport przeglądowy „White Paper"

Dr Alberto Teramoto, lekarz stomatolog ortodonta, prowadzi prywatną praktykę zajmującą się wyłącznie ortodoncją w mieście Mexico City, w Meksyku. Kurs certyfikacyjny z ortodoncji ukończył na Pierwszym Oddziale Ortodoncji na Wydziale Medycyny i Stomatologii Uniwersytetu w Tokio, w Japonii.

Obecnie jest profesorem wykładowcą na Uniwersytecie Technicznym w Mexico City oraz redaktorem naczelnym czasopisma Orthodontia Actual.

Streszczenie

Mimo, iż wszystkie stopy niklowo-tytanowe wydają się być takim samym materiałem, to istnieją pewne odmienności w ich składzie i sposobie produkcji, które są odpowiedzialne również za różnice między zwykłymi a specjalnymi drutami ortodontycznymi.

Właściwości stopów Ni-Ti oraz zadowalające koszty ich produkcji przełożyły się na znaczny wzrost możliwości, zwiększyły efektywność terapii, skróciły czas spędzany przez pacjentów na fotelu i w efekcie końcowym poprawiły dochodowość naszej pracy.

Słowa kluczowe

Sentalloy, superelastyczność, pamięć kształtu

Sumary

Although Nickel-Titanium alloys appear to be the same, there are many small differences in their composition and manufacturing process, which inevitably make the difference between ordinary and extraordinary NiTi archwires.

Properties of Nickel-Titanium alloys and satisfactory production costs have enhanced our specialty, increased our efficiency, reduced our chair time, and as a result, increased our profitability.

Index words

Sentalloy, superelasticity, shape memory

Rys historyczny i podstawowe koncepcje

Wstęp

Od czasów dr. Angle'a w dziedzinie ortodoncji dokonały się bardzo duże zmiany technologiczne, które przeożyły się na znaczny wzrost moliwości, zwikszyły efektywność terapii, skróciły czas spędzany przez pacjentów na fotelu i w efekcie końcowym poprawiły dochodowość naszej pracy. Biorc pod uwagę dużą liczbę dostępnych obecnie stopów niklowo-tytanowych, ważną rzeczą wydaje sęi zrozumienie historii ich rozwoju oraz kryjących się za nimi podstawowych koncepcji, co pomoże nam zrozumieć potencjał kliniczny tych materiałów w dziedzinie ortodoncji. Mimo że wszystkie stopy niklowo-tytanowe wydaj się być takim samym materiałem, to istnieją pewne odmienności w ich składzie i sposobie produkcji, które są odpowiedzialne również za rónice między zwykłymi a specjalnymi drutami ortodontycznymi.

Początki materiału NITINOL

Stopy niklowo-tytanowe zostały uznane za najbardziej przydatne ze wszystkich stopów odznaczających się pamięcią kształtu (z ang. Shape Memory Alloys - SMA), ponieważ posiadają zdolność powrotu do nadanego im wcześniej kształtu lub rozmiaru po poddaniu ich określonemu działaniu termicznemu. Inaczej mówiąc, "pamiętają" swój pierwotny kształt. Inne stopy z pamięcią kształtu: miedziowo-cynkowo-glinowo-niklowe oraz miedziowo-glinowo-niklowe, nie odznaczają się takimi właściwościami fizykalnymi i mechanicznymi, jak stopy niklowo-tytanowe. Stop Ni-Ti jest wyjątkowy ze względu na wartości sił, jakimi działa po podgrzaniu oraz w związku z jego odpornością na korozję, biokompatybilnością, łatwością nadawania mu określonej wartości TTR (temperatury przekształcania) oraz zadowalającymi kosztami produkcji. Jego wyjątkowe właściwości pamięci kształtu zostały odkryte przez metalurga, dr. Williama J. Buehlera, prowadzącego badania w laboratorium marynarki wojennej - Naval Ordnance Laboratory (NOL) w White Oak w stanie Maryland. Nazwa NITINOL jest akronimem stosowanym do opisu grupy generycznych stopów niklowo-tytanowych. W akronimie tym zawarta jest nazwa dwóch elementów składowych stopu (NiTi - nikiel i tytan) oraz (NOL – opracowano w Naval Ordnance Laboratory).

Rys. 1. Metalurg William J. Buehler

W 1958 roku dr Buehler szukał sposobu na zmiany w swoim życiu prywatnym oraz w karierze zawodowej. W tym czasie w NOL prowadzono projekt dotyczący rozwiązań aerodynamicznych, w ramach którego poszukiwany był odpowiedni materiał na stożek prowadzący do rakiet SUBROC. Jerry Persh, kierownik projektu, zaprosił dr. Buehlera do współpracy przy zbieraniu i analizowaniu danych na temat wybranych metali i ich stopów, w celu wyboru odpowiednich materiałów do realizacji przedsięwzięcia.

Już na wstępnym etapie projektu pogłębione badania nad stopami niklowo-tytanowymi doprowadziły do ich wykorzystania w szerokim zakresie przez Raychem Corporation. Na bazie tego stopu stworzono produkt o nazwie Cryofit - hydrauliczne cięgło liniowe zastosowane w należącym do US Navy samolocie F-14. Był to zaledwie początek nowych i pasjonujących zastosowań tego stopu w wielu dziedzinach techniki, w medycynie, stomatologii i innych.

W roku 1974 dr William J. Buehler odszedł na emeryturę, ale pracami rozwojowymi związanymi z materiałem NITINOL zajmował się nadal, aż do roku 2005, kiedy to przeprowadził się do New Bern w Północnej Karolinie.

Jak działa NITINOL

Co dokładnie powoduje, że metale „pamiętają" swój pierwotny kształt, było pytaniem, na które nie znano odpowiedzi w momencie odkrycia efektu pamięci kształtu. George Kauffman (Wydział Chemii na Uniwersytecie we Fresno) opisuje ten proces w następujący sposób: w przypadku metalu bez pamięci kształtu naprężenie deformujące zostaje zaabsorbowane przez zmianę ustawienia przestrzennego kryształów, po którym nie ma już możliwości powrotu kryształów do ich pierwotnej pozycji.

Z drugiej strony, w stopach takich jak Nitinol, kryształy pozostają na swoich miejscach: atomy wewnątrz struktur krystalicznych metalu potrafią zmieniać swoją pozycję i zniekształcony obiekt powraca do pierwotnego kształtu w taki sposób, że nie są widoczne żadne różnice w stosunku do kształtu pierwotnego, a wszystkie zmiany dokonują się na poziomie atomowym². Nitinol posiada możliwość zmiany faz, pozostając cały czas w stanie stałym – te zmieniające się stany są określane jako stan martenzytyczny (niskotemperaturowy) oraz stan austenityczny (wysokotemperaturowy). Zakres temperaturowy zmiany stanu (z ang. TTR = transition temperature range) jest związany ze składem stopu i waha się między -50°C a 166°C w zależności od różnic w proporcjach niklu i tytanu bądź też, w przypadku stopów trójskładnikowych, od dodania niewielkich ilości innych pierwiastków metalicznych. Poniżej temperatury przejścia Nitinol pozostaje w fazie martenzytycznej, w której może być łatwo zginany i przyjmuje różne kształty; jego struktura krystaliczna ma charakter nieuporządkowanych, wzajemnie dośrodkowo zorientowanych sześcianów. W celu utrwalenia tego „nadrzędnego kształtu" (faza austeniczna) metal musi zostać utrzymany  w tym zadanym kształcie i podgrzany do temperatury około 500°C. Wysoka temperatura „powoduje, że atomy układają się w kształt możliwie jak najbardziej zwarty i regularny", w wyniku czego powstaje sztywny układ kubiczny określany mianem fazy austenicznej, w której struktury krystaliczne uzyskują postać „uporządkowanych" sześcianów, charakterystycznych dla struktur chlorku cezu (CsCl).

Po przekroczeniu temperatury przejścia faz Nitinol powraca ze stanu martenzytytu do fazy austenicznej, w której następuje jego powrót do pierwotnego, nadrzędnego kształtu.

Nitinol jest konglomeratem niewielkich skupisk pojedynczych kryształów zwanych ziarnami, które mają przypadkową wielkość, kształt, położenie i orientację (rys. 2).

W fazie austenicznej atomy tych ziaren przyjmują taką strukturę atomową, w której każdy atom niklu jest otoczony przez osiem atomów tytanu przyjmujących pozycję w narożnikach sześcianu, a każdy atom tytanu jest w taki sam sposób otoczony przez sześcian atomów niklu (rys. 3).

W fazie martenicznej drut schładza się do temperatury poniżej TTR, a ziarna zmieniają swoją orientację w taki sposób, że atomy niklu i tytanu tworzą inny, bardziej złożony układ w trzech wymiarach (rys. 4).

Rys. 2. Przykład wielokryształowej struktury materiału NITINOL. Każde skupisko przedstawia inne ziarno o przypadkowej wielkości, kształcie atomów i orientacji siatki atomów. Znajdujące się po prawej stronie powiększenie fragmentu wykresu pokazuje strukturę fazy austenicznej siatki atomów NITINOL określanej mianem „wzajemnie dośrodkowo zorientowanych sześcianów".

Rys. 3. Sześciany przenikają się wzajemnie w taki sposób, że każdy narożnik jednego sześcianu znajduje się w środku innego sześcianu. Odległość między narożnikiem sześcianu a jego środkiem jest mniejsza niż odległość między nim a sąsiednim narożnikiem. Tym samym „najbliższymi sąsiadami" każdego atomu niklu (białe kulki) są atomy tytanu (niebieskie kulki), a nie inne atomy niklu i na odwrót.

NITINOL w ortodoncji

Jednym z wczesnych zastosowań Nitinolu, prawdopodobnie najważniejszym dla świata ortodoncji, było wykorzystanie tego materiału na łuki ortodontyczne. W roku 1968 dr George F. Andreasen (rys. 5) przeczytał o dziwnym stopie odkrytym w laboratorium marynarki wojennej (Naval Ordnance Laboratory, obecnie Naval Surface Weapons Center). Skontaktował się z Williamem Buehlerem i uzyskał od niego informację o różnych możliwościach składu Nitinolu i etapach jego przetwarzania. Andreasen przeprowadził rozległe badania kliniczne i stwierdził, że jeden z tych stopów odznacza się największą efektywnością działania. Drut wykonany z tego stopu nazwał „drutem z pamięcią", ponieważ po zgięciu powracał do swojego pierwotnego kształtu.

W opublikowanej w 1978 roku pracy Andreasen użył po raz pierwszy zwrotów: „krótsze czasy leczenia", „mniejszy dyskomfort dla pacjenta" (lżejsze siły) oraz „mniej zmian łuków ortodontycznych". Drut został wprowadzony na rynek przez firmę Unitek Corporation jako produkt komercyjny pod nazwą Nitinol, czyli pod nazwą identyczną jak ta, którą nadał mu dr Buehler.

Pierwszy dostępny komercyjnie drut był wykonany ze stopu niklowo-tytanowego w proporcjach 50:50 i posiadał pamięć kształtu wyrażającą się praktycznie tylko w jego składzie. Praca z tym kształtowanym na zimno drutem w zakresie o 8-10% większym od zalecanego obniżała efekt pamięci kształtu. Niemniej jednak w porównaniu z dostępnymi w tym okresie drutami konkurencyjnymi, druty z nowego stopu były atrakcyjne dzięki temu, że działały bardzo niewielkimi siłami (około 1/5 do 1/6 wielkości siły na jednostkę dezaktywacji)⁴, a większy zakres działania tego drutu pozwalał na jego stosowanie w przypadku nawet znacznych wad zgryzu i nie dochodziło przy tym do powstawania

w nim trwałych odkształceń. Dr Andreasen opublikował wyniki swoich badań nad termicznymi efektami dynamiki Nitinolu w czasopiśmie Angle Orthodontist w kwietniu 1985 roku. Za swoją pracę poświęconą materiałowi Nitinol Andreasen otrzymał w 1980 roku nagrodę Wynalazcy Roku Stanu Iowa. Zmarł w 1989 roku w wieku 55 lat. Był to jednocześnie początek wykorzystania drutów niklowo-tytanowych w ortodoncji.

Rys. 4. Kryształy z dobrymi sąsiadami.

A, B i C - Drut NITINOL został podgrzany do wysokiej temperatury w celu nadania mu nadrzędnego kształtu.

D - Gdy NITINOL zostaje schłodzony, dochodzi do zmiany faz krystalicznych z austenitycznej do martenzytycznej. Ponieważ kryształy w fazie martenzytycznej mają pewien zakres elastyczności, mogą się nieznacznie odkształcać, umożliwiając zginanie drutu.

E - Ich połączenie z sąsiednimi kryształami nie ulega zmianie.

F - Kryształy w fazie martenzytycznej powracają do swojego pierwotnego kształtu, a drut odgina się w magiczny sposób.

SENTALLOY - pierwszy superelastyczny stop NiTi

W tym samym czasie w Japonii dr Fujio Miura (rys. 6), najbardziej znany japoński profesor ortodoncji, prowadził badania poświęcone biologicznym podstawom przesuwania zębów, które miały mu pomóc w odkryciu „Idealnej Koncepcji Przesuwania Zębów". Jego zespół poszukiwał materiału lub aparatu, który byłby w stanie działać niskimi, ciągłymi siłami i w związku z tym zainicjowano tam projekt badawczy mający na celu znalezienie materiału odpowiadającego tym wymogom. W 1982 roku dr Miura i zespół jego współpracowników z uniwersytetu nawiązali współpracę z firmą TOMY Incorporated (producent sprzętu ortodontycznego) oraz z firmą Furukawa Electric Co. (dostawca materiałów na łuki ortodontyczne) w celu przeprowadzenia wspólnych badań nad nowym, superelastycznym drutem (rys. 7). Cechą charakterystyczną nowego drutu było to, że generował siłę optymalną dla przesuwania zębów i posiadał zdolność do indukowanej odkształceniem o około 8% transformacji do fazy martenicznej (cecha superelastyczności). Ten nowy stop NiTi pojawił się na rynku w 1985 roku pod nazwą handlową SENTALLOY (Super Elastyczny Stop Niklowo-Tytanowy) (rys. 8). SENTALLOY posiadał cechę superelastyczności oraz pamięć kształtu. Dr Miura⁵ opisuje te wyjątkowe właściwości w następujący sposób:

Pamięć kształtu

Jest to zjawisko charakterystyczne dla stopu, który jest miękki i daje się łatwo kształtować w niskiej temperaturze, a jednocześnie ma zdolność do szybkiego powrotu do swojego oryginalnego kształtu, gdy zostanie podgrzany do odpowiedniej temperatury będącej dla niego temperaturą zmiany faz (transformacja marteniczna indukowana temperaturą).

Rys. 5. Dr George F. Andreasen rozpoczął pracę na Wydziale Stomatologii Uniwersytetu w Iowa w 1963 r., a niedługo potem został mianowany na profesora oraz kierownika Oddziału Ortodoncji na tym wydziale (1965-1975).

Rys. 6. Dr Fujio Miura, profesor i kierownik 1. Oddziału Ortodoncji na Wydziale Medycyny i Stomatologii na Uniwersytecie w Tokio (TMDU) 1962-1991.

Superelastyczność

Jest to zjawisko charakteryzujące się tym, że wartości naprężenia drutu pozostają w przybliżeniu na tym samym poziomie aż do momentu deformacji drutu. Proces ten jest wywoływany naprężeniem odkształcającym, a nie temperaturą i dlatego zjawisko to jest określane mianem transformacji martenicznej indukowanej naprężeniem.

Stwierdza on następnie, że stop SENTALLOY umożliwia działanie przez drut stałą siłą w poszerzonym zakresie jego dezaktywacji i że w związku z tym może zapewnić fizjologiczne przesuwanie zębów oraz większy komfort pacjentom. SENTALLOY wykorzystuje temperaturę ciała człowieka jako czynnik indukujący transformację faz w tym stopie i może zapewnić skuteczne przesuwanie zębów w trakcie leczenia ortodontycznego, nie powodując urazu w obrębie tkanek przyzębia.

Dr Miura uważał, że odkrycie superelastycznych właściwości drutów SENTALLOY i ich wykorzystanie w połączeniu z aktywnością osteoklastów stanowiło istotny przełom w dziedzinie ortodoncji. Zastosowanie drutów superelastycznych wyznaczyło nowe standardy leczenia biologicznego w ortodoncji klinicznej⁶.

Rys. 7. Dr Fujio Miura (po lewej) i dr Masakuni Mogi (po prawej) Kierownik Zespołu Materiałów Dentystycznych 1. Oddziału Ortodoncji na TMDU.

Rys. 8. SENTALLOY. Superelastyczny stop niklowo-tytanowy.

Rys. 2.4a i 2.4b

Historia drutu Sentalloy

W ostatnich dwóch dekadach druty SENTALLOY znalazły szerokie zastosowanie w ortodoncji. Powstało też wiele produktów bazujących na filozofii wykorzystania w procesie przesuwania zębów sił odpowiednich z punktu widzenia zasad fizjologii.

1958 - Dr William J. Buehler rozpoczyna eksperymentalne prace z materiałem NITINOL w laboratorium marynarki wojennej - Naval Ordnance Laboratory – w Stanach Zjednoczonych. (rys. 1)

1976 - Dr George Andreasen konstruuje pierwszy stop NiTi do zastosowań w ortodoncji. (rys. 2)

1986 - Dr Fujio Miura opracowuje SENTALLOY – pierwszy superelastyczny stop niklowo-tytanowy. (rys. 3)

1987 - GAC International wprowadza pierwsze superelastyczne sprężynki otwierające i zamykające. (rys. 2.4a i 2.4b)

1988 - DERHT – opracowana zostaje metoda zginania drutu Sentalloy wprowadzona pod nazwą handlową ARCHMATE. (rys. 2.5)

1990 - Pojawia się NEO SENTALLOY, oferując po raz pierwszy możliwość zastosowania pełnowymiarowego drutu o przekroju prostokątnym na łuk początkowy. Klinicyści mają do wyboru drut generujący siłę 100, 200 lub 300 gramów. (rys. 2.6)

1992 - Pojawia się BIOFORCE - jedyny drut superelastyczny, który działa niskimi, delikatnymi siłami w odcinku przednim oraz większymi siłami w odcinku bocznym. (rys. 2.7)

1993 - GAC International tworzy BioForce i NeoSentalloy z powierzchnią IonGuard – nowy drut niklowo-tytanowy poddany jonowemu uzdatnieniu powierzchni (zmniejszone tarcie). (rys. 2.8)

1993 - SENTALLOY MOLAR MOVER do dystalizacji trzonowców. (rys. 2.9)

1995 - TOMY Inc. wprowadza SENTALLOY STLH – nowy, statycznie termoaktywny drut niklowo-tytanowy o niewielkiej histerezie. (rys. 2.10)

2000 - Pojawiają się opakowania GAC PAKs poprawiające sposób aseptycznego przechowywania i stosowania indywidualnych łuków. (rys. 2.11)

2008 - Wysoce estetyczne łuki ortodontyczne: Sentalloy i BioForce. Proces rodowania zapewnia obniżenie poziomu refleksów świetlnych powstających na drucie, prowadząc do zmniejszenia jego widoczności przy zachowaniu tej samej efektywności działania, jaką posiada standardowy drut Sentalloy. (rys. 2.12)

Ocena właściwości mechanicznych i fizycznych Sentalloy

Istnieją trzy podstawowe rodzaje testów laboratoryjnych wykorzystywanych w badaniach nad właściwościami mechanicznymi drutów ortodontycznych: testy zginające, rozciągające i skręcające.

Dwa dodatkowe testy stosuje się do oceny właściwości fizykalnych.

Są to: DSC - skaningowa kalorymetria różnicowa (z ang. differential scanning calorimetry) oraz dyfrakcja rentgenowska. Chociaż niekoniecznie odzwierciedlają one sytuacje kliniczne, w których druty pracują, to dostarczają podstawowych informacji do badań porównawczych tych drutów. We wszystkich testach materiał SENTALLOY uzyskał doskonałe wyniki pokazujące, że jest to jedyny łuk zapewniający działanie odpowiednie z punktu widzenia biologii.

Poniżej przedstawiamy przykładowe badania w tym zakresie.

A) Test na zginanie trzypunktowe

W 1986 roku Miura opracował test na zginanie w trzech punktach w celu wykazania różnic między pierwszym drutem Nitinol (Unitek Corp.), a superelastycznym stopem niklowo-tytanowym (SENTALLOY)⁵. Celem testu miało być wyjaśnienie zależności między wielkością obciążenia a ugięciem drutu przez ustalenie charakteru siły, jaka działa w trakcie terapii ortodontycznej. Metoda ta jest uważana za właściwą do przedstawienia cech sprężystości.

Z drugiej strony, w standardowych testach zginających prowadzonych na elemencie wspornikowym (wystającym jednostronnie fragmencie drutu) może być tak, że drut odznacza się dobrą sprężystością i wydaje się posiadać właściwość superelastyczności, podczas gdy w normalnej pracy tej cechy nie posiada. Test na zginanie trzypunktowe został opracowany właśnie z tego powodu, ponieważ był w stanie dokładnie zidentyfikować druty nieposiadające właściwości superelastyczności. Test na zginanie trzypunktowe był jednocześnie w stanie najlepiej symulować sposób działania łuku na zęby w warunkach jamy ustnej.

Materiały

Wybrano cztery okrągłe druty 0,016: stalowy, Co-Cr-Ni, hartowany na zimno NiTi oraz Sentalloy NiTi. W celu symulacji środowiska jamy ustnej druty i bolce trójpunktowego elementu testującego zostały umieszczone w komorze z kontrolowaną temperaturą wynoszącą 37°C. Punkt środkowy odcinka drutu podpartego na dwóch bolcach był odginany przy pomocy trzeciego bolca mającego średnicę 5 mm na odległość 2 mm z prędkością 0,1 mm/min, przy stałej wielkości siły nacisku (rys. 3.1 i 3.2).

Ryc. 2.5.

Ryc. 2.6.                                    Ryc. 2.7.                              Ryc. 2.8.

Ryc. 2.9.                                     Ryc. 2.10.                                         Ryc. 2.11.

Ryc. 2.12.

Ryc. 3.1.

Ryc. 3.2.

Wyniki badania

Zarówno drut stalowy jak i Co-Cr-Ni charakteryzowały się liniową zależnością na krzywej przedstawiającej wielkość ugięcia jako funkcję wielkości obciążenia. Przy ugięciu o 2 mm wielkość obciążenia została zarejestrowana na poziomie około 1300 g (rys. 3. 3). Po usunięciu działającej siły w obu drutach stwierdzono obecność stałego odkształcenia. W przypadku hartowanego na zimno drutu Nitinol krzywa zależności ugięcia od obciążenia była prawie liniowa: w momencie osiągnięcia maksymalnej wartości ugięcia 2,0 mm wielkość obciążenia wynosiła 790 g (rys. 3.4).

Podczas badania drutu Sentalloy przy maksymalnej aktywacji o 2,0 mm zarejestrowano wielkość siły 650 g, jednakże przy zmniejszaniu ugięcia obciążenie to obniżyło się do wartości między 250-350 g i pozostawało na stałym poziomie w zakresie między 1,6 a 0,6 mm. Nie zanotowano obecności stałej deformacji (rys. 3.5).

Oceniając wyniki testów, widzimy, że drut Sentalloy wykazuje właściwości superelastyczności kompatybilne z fizjologicznym poziomem przesuwania zębów, ponieważ zapewnia działanie stałą, niską siłą przez długi okres jego dezaktywacji.

Ryc. 3.3.

Ryc. 3.4.

Ryc. 3.5.

B) Test na rozciąganie

Według Miury za superelastyczność odpowiedzialne jest odkształcenie, a nie różnica temperatury - zjawisko to nazywa się transformacją marteniczną indukowaną naprężeniem odkształcającym (w materiałoznawstwie mówi się o zgniotowej transformacji martenicznej). Wszystkie badane materiały zostały poddane testom na rozciąganie niewspółosiowe; były one poddawane działaniu sił rozciągających w uniwersalnym urządzeniu testującym Instrom.

Materiały

Wybrano ponownie cztery okrągłe druty 0,016: stalowy, Co-Cr-Ni, hartowany na zimno NiTi oraz Sentalloy NiTi. Zostały one przymocowane przy pomocy żywicy epoksydowej do stalowej płyty w pomieszczeniu o temperaturze 37ºC. Na wykresie oś Y przedstawia siłę generowaną przez drut, a oś X wielkość siły (naprężenia), jaką badane materiały były rozciągane (rys. 3.6).

Wyniki badania

W przypadku drutu stalowego i Co-Cr-Ni moduł elastyczności wynosił 170-220 kg/mm2. Druty te charakteryzowały się bardzo wysokimi wartościami sił, a krzywa naprężenia-rozprężenia była prawie liniowa w fazie aktywacji i dezaktywacji.

Moduł elastyczności hartowanego na zimno drutu Nitinol wynosił 150-160 kg/mm2, a krzywa naprężenia-rozprężenia była również prawie liniowa.

W przeciwieństwie do poprzednich drutów Sentalloy odznaczał się nieliniową krzywą naprężenia-rozprężenia o dużej zmienności, która w sposób wyraźny pokazuje jego superelastyczne właściwości.

Ryc. 3.6.

Ryc. 3.7.

Ryc. 3.8.

Podczas rozciągania drutu Sentalloy krzywa naprężenia-rozprężenia pozostawała prosta do jego rozciągnięcia o 2% długości oryginalnej. Po przekroczeniu zakresu 2% drut generował naprężenia na poziomie między 55-58 kg/mm2 do zakresu 10% odkształcenia (A do B) (rys. 3.7). Diagram pokazuje, w jaki sposób transformacja marteniczna rozpoczyna się na poziomie odkształcenia o 2% i potem utrzymuje się do odkształcenia o 8 do 10%. Po ukończeniu tej pierwszej transformacji martenicznej cały badany materiał uległ przekształceniu w fazę marteniczną. Gdy to nastąpi, zwiększa się poziom działającego naprężenia, ponieważ dochodzi do deformacji elastycznej. Transformacja marteniczna zachodzi zarówno w kierunku zgodnym z działającą siłą obciążającą, jak i w kierunku rozprężania się materiału.

W momencie ustąpienia działającego obciążenia (B do C), naprężenie zmniejsza się w sposób liniowy, ponieważ deformacja elastyczna następuje w fazie martenicznej (rys. 3.8). Następny etap (rys. 3.9) przedstawia odwrotną transformację marteniczną prowadzącą do fazy austenicznej, w trakcie której drut generuje siłę o stałym poziomie (C do D) (rys. 3.9). Na tym etapie transformacja marteniczna zostaje ukończona, a drut znajduje się ponownie w fazie austenitycznej (D do E). Deformacja elastyczna zachodzi w fazie austenicznej, a naprężenie zmniejsza się w sposób liniowy (rys. 3.10).

Powyższa analiza metalurgiczna pokazuje, że Sentalloy posiada właściwości superelastyczności (zakres A do B oraz zakres C do D) na tych krzywych naprężenia-rozprężenia (rys. 3.11).

Ryc. 3.9.

Ryc. 3.10.

Ryc. 3.11.

Ryc. 3.12.

Ryc. 3.13.

Ryc. 3.14.

Deformacja stopu NiTi oraz zmiany jego temperatury indukują procesy transformacji martenicznej w tym materiale. Transformacje są związane albo z naprężeniem (deformacja), albo z temperaturą. Podgrzanie stopu indukuje zmianę marteniczną (przejście z fazy martenicznej do austenicznej), a usunięcie ciepła, czyli schłodzenie (przejście z fazy austenicznej do martenicznej), skutkuje powrotem drutu do jego oryginalnego kształtu.

BioForce

Miyazaki⁸ stwierdził, że szczególny (odmienny od opisanych powyżej zmian termicznych) sposób obróbki cieplnej materiału Sentalloy w temperaturze 500°C powoduje trwały i istotny sposób zmiany stałego poziomu sił podczas rozprężania w teście na trójpunktowe zginanie. Ten sposób obróbki termicznej pozwala na wytwarzanie materiału Sentalloy o trzech poziomach generowanej siły.

Ta sama technologia umożliwiła wykonywanie łuku ortodontycznego w jednym wymiarze, ale o trzech różnych wielkościach działających sił. Optymalny drut superelastyczny jest obecnie w stanie działać niskimi siłami w odcinku przednim, średnimi siłami w okolicy przedtrzonowców oraz większymi siłami w regionie trzonowców.

W teście na zginanie trójpunktowe superelastyczne właściwości tego drutu zapewniły jego działanie stałą siłą 280 g w obszarze trzonowców (rys. 3.12). W okolicy przedtrzonowców działał on stałą siłą 180 g (rys. 3.13), a w odcinku przednim wykazywał jednolity poziom sił 80 g (rys. 3.14).

Zmienne właściwości superelastyczności tego drutu w jego wybranych odcinkach dały możliwość stworzenia jednego drutu działającego zróżnicowaną siłą całkowicie biologiczną na całej długości łuku zębowego, zapewniając efektywne przesuwanie wybranych zębów. Dzięki temu możliwe jest wyeliminowanie urazowości u pacjentów i obniżenie potrzeby częstej wymiany łuków (rys. 3.15).

BioForce z powierzchnią Ionguard

Mając na uwadze zmniejszenie oporów tarcia, firma GAC opracowała drut niklowo-tytanowy, który został poddany specjalnemu procesowi implantacji jonowej, jednak bez wpływu na wyjątkową superelastyczność drutów BioForce i NeoSentalloy.

Implantacja jonowa została pierwotnie stworzona dla potrzeb układów półprzewodnikowych. Do modyfikacji struktury powierzchniowej i jej składu wykorzystuje się prowadzony w niskiej temperaturze proces działania na materiał wiązką jonów o dużej energii. Implantacja jonowa nie wytwarza na powierzchni materiału osobnej warstwy i w związku z tym nie wywiera wpływu ani na jego wymiary, ani na właściwości materiału i może być stosowana praktycznie z każdym rodzajem materiału. Implantacja jonowa poprawia odporność na ścieranie, twardość powierzchniową i odporność na działanie czynników chemicznych oraz co najważniejsze, zmniejsza opór tarcia (rys. 3.16).

Ryan⁹ wykazał, że implantacja jonowa obniża wielkość sił tarcia na drucie podczas przesuwania zębów oraz wykazuje tendencję do zwiększenia wartości zmęczenia powodowanego naprężeniem, twardości i ścieralności bez względu na skład danego materiału. Druty ze stali nierdzewnej wytwarzają najniższe opory tarcia w trakcie prowadzonego in-vitro przesuwania zębów, następne w kolejności są druty niklowo-tytanowe, uzdatnione druty beta-tytanowe, nieuzdatnione druty niklowo-tytanowe i wreszcie nieuzdatnione druty beta-tytanowe. Stwierdzono statystycznie istotną różnicę w zakresie przesuwania zębów na drutach z implantacją jonową w porównaniu z ich odpowiednikami bez takiego uzdatnienia (rys. 3.17).

W badaniach in-vitro Bedolla i Teramoto¹⁰ uzyskali wyniki odmienne od rezultatów badań prowadzonych przez Ryana. Drut BioForce z powierzchnią Ionguard charakteryzował się najbardziej gładką powierzchnią (rys. 3.18) i generował najniższe siły tarcia, a następne w kolejności były stal szlachetna i nieuzdatniony NiTi. Połączenie BioForce Ionguard z zamkami In-Ovation-R charakteryzowało się najniższymi siłami tarcia (rys. 3.19 i rys. 3.20).

Ryc. 3.15.

Skaningowa Kalorymetria Różnicowa

W ostatnich dziesięciu latach do badania zmiany faz stopów niklowo-tytanowych stosowana jest metoda DSC. W konwencjonalnej metodzie DSC dwa małe pojemniki, jeden z materiałem analizowanym, a drugi z innym, obojętnym materiałem kontrolnym, np. indem, są podgrzewane z tą samą prędkością, zazwyczaj o 5°C lub 10°C na minutę. Różnice w zmianach mocy cieplnej tych dwóch pojemników są skorelowane ze zmianami ich pojemności cieplnej. Narzędzie to jest przydatne w badaniu przemian fazowych w łukach ortodontycznych ze stopów niklowo-tytanowych.

Istotne przemiany fazowe stopów niklowo-tytanowych:

Ms - punkt marteniczny: temperatury, w których po schłodzeniu rozpoczyna się przemiana w martenzyt;

Mp lub Mf - szczytowa lub końcowa wartość marteniczna: temperatura, w której transformacja zostaje ukończona;

As - punkt austeniczny: temperatura, w której po podgrzaniu rozpoczyna się przemiana w austenit;

Ap lub Af - szczytowa lub końcowa wartość austeniczna: temperatura, w której transformacja do austenitu zostaje ukończona.

W niektórych przypadkach może dochodzić do wytworzenia się przejściowej fazy R (romboedrycznej, czyli trygonalnej struktury krystalicznej) w trakcie tego procesu transformacji.

Badania z wykorzystaniem DSC¹¹ okazały się bardzo pomocne w wyjaśnianiu różnic przemian fazowych większości typów stopów niklowo-tytanowych. Najważniejsze wyniki jednego z takich badań są przedstawione poniżej.

MATERIAŁ I URZĄDZENIA

Badane druty

Badaniem objęto cztery różne rodzaje górnych łuków ortodontycznych 0,016 x 0,022 NiTi:

Nitinol-SE (3M UNITEK)

Copper-NiTi 35 (ORMCO)

NeoSentalloy F 80 (DENTSPLY GAC International)

Bioforce-Sentalloy (odcinek przedni) (DENTSPLY GAC International)

Urządzenia

Badania z użyciem Skaningowego Kalorymetru Różnicowego (DSC) mające na celu pomiar temperatury transformacji austenitycznej (punkt Af) zostały przeprowadzone przy użyciu urządzenia SII-DSC6220 Seiko Instrument (rys. 3.22); do DSC, jako urządzenie chłodzące, podłączono analizator termiczny LN2 (rys. 3.23).

Ryc. 3.16.

Ryc. 3.17.

Ryc. 3.18.

Ryc. 3.19.

Ryc. 3.20.

Temperatura jamy ustnej

Do mierzenia temperatury w jamie ustnej stosuje się rutynowo aparaty mierzące temperaturę pod językiem.

U większości osób temperatura ta wynosi około 37°C, aczkolwiek należy pamiętać, że wiele czynników wywiera wpływ na jej poziom.

Parametry związane z temperaturą powinny być brane pod uwagę w trakcie wytwarzania i klinicznego wykorzystania wrażliwych termicznie materiałów ortodontycznych, takich jak druty niklowo-tytanowe. Według Moore¹² jako pojedyncza wartość temperatury jamy ustnej wybrana do badania właściwości drutów ortodontycznych w warunkach in-vitro wielkość 35,5°C byłaby bardziej odpowiednia, niż temperatura 37°C.

Wyniki

NITINOL SE

W przypadku Nitinol SE całkowita transformacja do austenitu (Af) zachodzi przy wartości 60°C, czyli w temperaturze znacznie wyższej niż temperatura środowiska jamy ustnej.

COPPER NITI 35

Pojedyncza wartość szczytowa na krzywej podgrzewania DSC, która odpowiada transformacji z fazy martenicznej do austenicznej, pokazuje w przypadku Copper NiTi 35, że temperatura Af (29,1°C) ma wartość niższą niż temperatura jamy ustnej.

NEOSENTALLOY

NeoSentalloy przyjmuje strukturę w pełni austeniczną blisko temperatury środowiska jamy ustnej (32,7°C).

Istnieje również znaczny zakres histerezy dla TTR w jednym i drugim kierunku dla pełnej transformacji (przejścia z fazy martenicznej do austenicznej).

BIOFORCE (odcinek przedni)

Podobnie jak to jest w przypadku NeoSentalloy, w części przedniej łuku Bioforce obserwujemy całkowitą transformację zachodzącą w temperaturze zbliżonej do temperatury ciała i wynoszącej 32,5 °C.

Podsumowanie

Łuki ortodontyczne Sentalloy to pierwsze superelastyczne druty niklowo-tytanowe zastosowane w ortodoncji⁵.

Są one aktywowane temperaturą ciała i są w stanie zapewnić doskonały wynik leczenia ortodontycznego, ponieważ działają niską i stałą siłą przez długi czas - a takie działanie jest uważane za fizjologiczny sposób przesuwania zębów.

Ryc. 3.22.

Ryc. 3.23.

Piśmiennictwo

1. W.J. Buehler, J.V. Gilfrich, and R.C. Wiley, J. Appl. Phys., Vol. 34, 1963, p 1475.

2. Kauffman G. & Mayo I. The Story of Nitinol: The Serendipitous Discovery of the Memory Metal and Its Application. Chem. Edu. 1997. Abstract Volume 2 Issue 2 (1997), S1430-4171(97)02111-0 DOI 10.1333/s00897970111a.

3. Andreasen G.F., Hilleman T.B. An evaluation of 55 cobalt substituted Nitinol wire for use in orthodontics. J Am Assoc, 1982, 1173-1375, 1971.

4. Robert P. Kusy.1997: A review of contemporary archwires: Their properties and characteristics. The Angle Orthodontist: Vol. 67, No. 3, pp. 197–207.

5. Miura F. Mogi M. Ohura Y. & Hamanaka H. The super-elastic property of Japanese NiTi alloy use in orthodontics. Am. J. Orthod. Dentofac Orthop. 1986, 90.1-10.

6. Miura F. Reflections on my involvement in orthodontic research. Am. J. Orthod. Dentofac Orthop. 1993, 104. 531-538.

7. Teramoto A. SENTALLOY. The Inside History of Superelasticity, 2005 GAC Books.

8. Miyazaki S. Ohmi Y. Otsuka Y. Suzuki Y. 1982. Characteristic of deformation and transformation pseudoelasticity in Ti-Ni alloys. Journal de Physique. Colloque C4 supplement au no12, tome 43, December: 255-260.

9. Ryan R., et al. The effects on ion implantation on rate of tooth movement. An in vitro model. Am J Orthod. & Dentofac Orthop 1997.112:64-68.

10. Bedolla V. & Teramoto A. Diferencia de fricción generada entre arcos de NiTi y NiTi con Nitrógeno en comparación con acero en brackets estándar y de autoligado activo. Orthodontia Actual 2008 Año 5 Vol.16, 20-26. (in Spanish)

11. Bradley T., Brantley W.A. and Culbertson B. Differential scanning calorimetry (DSC) analyses of superelastic and non superelastic nickel-titanium orthodontic wires. Am. J. Orthod & Dentofac Orthop, 1996; 109: 589-597.

12. Moore R.J. et al. Intraoral temperature variation over 24 hours. European Journal of Orthodontics 21 (1999) 249-261.

Dodaj komentarz

Imię (obowiązkowe)

E-Mail (obowiązkowe)

Zawiadom mnie o nowych komentarzach

Odśwież

Wyślij

Skasuj

JComments