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不锈钢、钴铬镍合金、β钛丝及镍钛丝正畸弓丝的选择(口腔医学 正畸弓丝的选择及应用)

导语:不锈钢、钴铬镍合金、β钛丝及镍钛丝正畸弓丝的选择属于口腔医学下的正畸弓丝的选择及应用分支内容。本篇围绕口腔医学 不锈钢、钴铬镍合金、β钛丝及镍钛丝正畸弓丝的选择主题,主要讲述正畸,正畸丝攻等方面医学知识。

常用的正畸弓丝根据材料可以分为不锈钢(stainless steel,SS)弓丝,钴铬镍合金(cobalt-chromium-nickel)丝,β钛合金(beta-titanium,β-Ti)丝,镍钛合金(Nickel-Titanium,NiTi)丝。另外还有金合金丝,由于其成本高昂,用量很少,不在本文讨论之中。

不锈钢弓丝

是正畸临床中使用最多的弓丝之一,其优点是有较好的弯制性能、耐腐蚀、价格便宜。其原材料大部分为符合美国钢铁协会(AISI)规定的302和304奥氏体不锈钢。它们一般都被称为18-8 SS,因为两者原料中的铬和镍大约各为18%和8%。也有用17-7 SS,其性质相与18-8 SS相似。

不锈钢弓丝具有较大的弹性模量,其大小受多种因素影响,如合金的组成、拉伸工艺、热处理等等。弹性模量显著下降是较为困难的。不锈钢弓丝的屈服力变化较弹性模量大,通过热处理可以增大屈服力,同时还可以消除弓丝残余应力,增大弹性模量。残余应力的消除可以减少弓丝在临床使用过程中折断的可能性。热处理的温度及时间有严格的要求,具体可以参考厂家的说明,过度的热处理会破坏金属内晶体的结构,弓丝变软。临床常用的热处理方式是利用点焊机的加热功能,通过电流进行有控的加热。

并不是所有的不锈钢弓丝都需要热处理,对弹性模量大或金属晶体结构易改变的弓丝,一般不主张再进行热处理。

钴铬镍合金

钴铬镍合金是一种外观、性质和不锈钢丝非常相似的弓丝,但其组成与不锈钢丝有本质不同,并且有非常独特的热处理特性。最典型的弓丝是Elgiloy(RMO公司生产),它含有40%钴、20%铬、15%镍、 15.8%铁、7%钼等元素,其性质与义齿生产材料相似。

Elgiloy根据回火形式有四种不同的种类:柔软、有延展性的、半弹性、弹性,分别用四种不同的颜色标出。柔软型Elgiloy为蓝色,是最常用的一种弓丝,因为它易于弯制成形,热处理后可以增加屈服力和弹性,有报告称屈服力的增加可以达到20%~30%,从830 ~1000 MPa 增加到1100~1400 MPa;弹性模量从160~190GPa增加到 180~210 GPa。其他三种Elgiloy弓丝由于价格较贵,成形性差,没有蓝色的应用广泛。蓝色Elgiloy的力学特点总体上和不锈钢丝弓丝非常相似。

β钛丝

也称为TMA,最早由Ormco公司推出,其金属组成中含有77.8% 的钛及11.3%钼,钼的存在改变了金相结构,使其具有良好的弯制性能,并能保持永久的形变。锌和锡的加入又增加了材料的强度。TMA大约只有不锈钢一半的弹性模量,屈服力大约只有690~970 MPa。可以说TMA是一种介于不锈钢丝与镍钛合金丝性能之间的一种弓丝,能产生适中的矫治力,具有可弯制性,可以在一根弓丝上同时进行整平、旋转、关间隙等多种移动。

TMA最值得一提的是其可焊接性,可以和不锈钢、钴铬合金等多种材料进行焊接。一般不主张对TMA进行热处理。TMA表面较粗糙,摩擦力较大,有厂家使用离子植入的技术来降低其表面摩擦力。

镍钛丝

是目前研究发展最热的弓丝材料。镍钛丝一般被总称为Nitinol,这个词从美国海军军需实验室(Nickel Titianium Nany Ordance Laboratory)的名称衍生而来,也是镍钛丝最早发明的地方。镍钛丝中镍和钛的合量几乎是对半的,不同的配方、工艺略有差别。镍钛丝最重要的力学特点为超弹性和形状记忆效应。根据镍钛丝在正畸中的发展可以分为四个阶段。

第一代的镍钛丝,也称为Nitinol,不具有超弹性。但其弹性模量较不锈钢丝低,相同尺寸的情况下,只有不锈钢丝的五分之一或TMA的二分之一,但其应力应变依然接近直线。

第二代的镍钛丝一般称为中国镍钛,应力应变曲线为非线性的双模曲线,加载和卸载分别有不同的曲线,但其卸载初始力值的大小取决于加载的强度,加载越大,卸载初始力值也越大。这种现象也称为拟弹性,也属于超弹性的一种。对于拟弹性的弓丝,在使用时需要注意加载幅度与卸载应力的关系,如果牙齿移位较大时,就不能选择一次性将弓丝入槽,否则会产生过大的矫治力。

第三代镍钛丝是以日本镍钛丝为代表,是真正的超弹性镍钛丝。在加载超过一定形变后,应力并不随着形变的增加而增加,卸载时应力在另一个平台上保持相对的稳定,这种双平台、双模的应力应变曲线称为超弹性效应。选择这类镍钛丝时只需要注意其卸载应力的大小,对于移位较重的牙齿,可以选择一次结扎入槽。如果能选择滞后较小的弓丝,临床结扎操作也会变得容易。

热处理过程是镍钛丝产生应力的另一个重要环节,根据热处理的时间不同,可以产生不同的应力,也可以利用热处理的特点,对镍钛丝进行弯制后的再定型,这需要使用专门为弯制镍钛丝设计的热处理仪器。以GAC公司的镍钛弓丝为例,一般热处理的温度在500℃,当温度超过600℃时,弓丝将失去超弹性。这种热力学性质也存在于第二代镍钛丝中,但在第一代镍钛丝没有。

第四代的镍钛丝是具有温度引导相变性质,也称为热激活镍钛(Heat activated NiTi)。其应力应变曲线与第三代镍钛丝相似,只是相变过程不但受应力的影响,同时也可以由临床改变温度来完成。温度引导相变本是镍钛材料的一个固有的特性,只不过第三代以前的镍钛丝其相变温度往往很高,是不可能在临床实现的,因此这个特性也不能被临床使用。最有特点是Ormco公司的热激活铜镍钛,分别具有不同的相变温度,如27℃、35℃、40℃。不同的相变温度在口腔内产生的力学效果是不相同的,27℃相变的镍钛丝放入口腔内的同时就产生相变,而且一直维持在相变后的状态,其作用类似第三代镍钛丝,40℃相变弓丝只有在口腔接触热水或食物的时候才可能有相变,而且是较短暂的作用,因为对牙齿有间歇加力的效果。因此在临床选择何种热激活镍钛丝,也需要根据实际情况来定。通常对复杂拥挤的排齐,还是主张使用相变温度低于体温的镍钛丝,利用其相变之前的弓丝的柔软,很轻松的结扎入槽,在口腔温度的作用下,相变后的镍钛丝产生合适的矫治力;对于一些单个离牙弓较远的牙齿,如阻生牙开窗后,可以考虑使用高于体温相变的镍钛丝,对其产生间歇加力的效果,更有利于保护牙根及牙周的健康。

除了从力学性质上来选择镍钛丝,摩擦力也是一个重要因素。由于工艺的问题,镍钛丝固有的摩擦力较大,生产厂家采用的各种办法在不影响其力学性质的情况下进行抛光,这也是一个重要的卖点。