Материалы для ортодонтических дуг

Сплавы драгоценных металлов. До 1950-х годов для орто­донтических целей обычно использовались сплавы драгоценных металлов, в первую очередь потому, что никакие другие материалы не выдерживали внутриротовой среды. Золото само по себе не при­годно для этих целей из-за своей мягкости, однако сплавы (кото­рые часто содержат платину и палладий вместе с золотом и медью) могут использоваться в ортодонтии. Введение в ортодонтическую практику нержавеющей стали сделало устаревшим употребление сплавов драгоценных металлов, которые к тому же к 1970-м годам стали слишком дорогими. Лишь аппарат Crozat иногда все же изго­тавливают из золота, следуя оригинальному дизайну начала века (см. главу 11).

Нержавеющая сталь и сплавы кобальт-хром. С середины XX века почти все ортодонты перешли на использование нержаве­ющей стали или сплава кобальт-хром, обладающих схожими свой­ствами. Коррозионная стойкость нержавеющей стали обусловлена относительно высоким содержанием хрома. Типичная формула для ортодонтического использования представляет собой 18% хрома и 8% никеля (так что этот материал часто называют нержавеющей сталью 18—8).

Свойства проволоки из такой стали дают возможность большо­го количества вариаций при помощи холодной обработки и отжига. Сталь размягчается посредством отжига и закаливается посред­ством холодной обработки. Полностью отожженная стальная дуга обладает высокой эластичностью и деформируемостью. Лигатур­ные проволоки, используемые для крепления ортодонтических дуг в брекетах на зубах, изготавливаются из такой крайне мягкой про­волоки. Стальные проволочные дуги предлагаются в частично ото­жженном состоянии, где пружинистая сила прогрессивно увеличи­вается за счет деформируемости. Стальные дуги с высоким уровнем пружинистой силы (степень «супер») отличаются большой хрупко­стью и ломаются при сильном изгибе. Ортодонтическая стальная дуга «обычной» степени может изгибаться до получения любой формы без перелома. Если сильные изгибы не требуются, то может использоваться дуга степени «супер». Однако ее высокая стоимость и ограниченная деформируемость не оправдываются хорошими клиническими характеристиками¹.

Элджилой, сплав кобальт-хром, имеет то преимущество, что по­ставляется в более мягком состоянии, и поэтому ему может прида­ваться различная форма, а затем этот материал закаливается при термический обработке. Использование нагрева значительно уве­личивает силу. После термической обработки самый мягкий Элд­жилой приобретает качество обычной нержавеющей стали, при бо­лее твердом начальном состоянии его свойства схожи со свойства­ми стали марки «супер».

Сплавы никель-титан (NiTi). Первый из титановых сплавов, введенный в ортодонтическую практику в последние годы, никель-титановый сплав, продаваемый под маркой «Нитинол», — был раз­работан для космических программ, однако был признан крайне эффективным для клинической ортодонтии благодаря своей ис­ключительной эластичности. В данной книге термин NiTi исполь­зуется для обозначения семейства никель-титановых проволочных материалов (в некоторых других публикациях используется также термин «Нитинол»). Специальные материалы обозначаются их торговыми марками.

Сплавы NiTi обладают двумя уникальными для стоматологии качествами: фиксацией формы и суперэластичностью. Как и не­ржавеющая сталь и многие другие металлические сплавы, NiTi мо­жет иметь более одной формы или кристальной структуры. Мартенситовая форма существует при низких температурах, а аустенитовая — при высоких температурах. У стали и почти всех других ме­таллов фаза изменений происходит при температурном перепаде в несколько сот градусов. Как память формы, так и суперэластич­ность относятся к переходной фазе в сплаве NiTi между мартенситовой и аустенитовой формами, которая наблюдается при относи­тельно низкой переходной температуре.

Память формы связана со способностью материала «запоми­нать» его начальную форму после пластической деформации в мартенситовой форме. Обычно приспособлениям придается опреде­ленная форма при повышенной температуре сплава, превышаю­щей переходную температуру между мартенситом и аустенитом. При охлаждении сплава он может быть пластически деформиро­ван, однако при повторном нагревании восстанавливается его на­чальная форма. Это качество, называемое термоэластичностью, было важным при начальном применении нитинола в космических программах, но оно вряд ли может быть использовано в ортодонти­ческих аппаратах.

После тщательных испытаний нитинол в конце 1970-х годов стал доступен стабильной мартенситовой форме для ортодонтичес­кого использования, пока без применения фазы переходных эф­фектов (хотя продолжались попытки использования свойства фик­сации формы). Предоставляемый для ортодонтического использо­вания нитинол исключительно эластичен, довольно прочен, одна­ко обладает плохой деформируемостью (табл. 10-1). Другие мартенситовые сплавы, поступившие в продажу позднее («Titanal», «Lancer Pacific», «Orthonol», «Rocky Mountain»), обладают схожей силой и эластичностью, однако лучшей деформируемостью. В по­следующем описании семейство мартенситовых сплавов обозначе­но термином M-NiTi.

Таблица 10-1

Сравнительные качества ортодонтических дуг

	Модуль эластич­ности (10^6psi)	Жесткость материала относитель­но стали	Угол изги­ба (граду­сы)*
Золото (тепловая обработка) Нержавеющая сталь	12 29	0,41 1,00	NA 12
Аустенитовая нержавеющая сталь	28	0,97	NA
Кобальт-хром	28	0,97	12
Кобальт-хром (тепловая обработка)	29	1,00	16
Бета-титан	10,5	0,36	35
A-NiTi	12^а	0,41	87
M-NiTi	4,8	0,17	NA
Тройная жила 9 мил	3,9^b	0,13	42
Коаксиальная жила из 6 дуг	1,25^b	0,04	62
Витая жила из 9 прямоугольных дуг	1,50^b	0,05	49
Витая жила из 8 прямоугольных дуг	1,25^b	0,04	56
Витая дуга A-NiTi	0,50^b	0,02	88
Оптическое волокно	0,25	0,01	88

* Градус изгиба с радиусом 1/4 дюйма перед постоянной деформацией.

^а По начальному эластичному отрезку кривой усилия отклонения.

^b Рассчитанный модуль.

В конце 1980-х годов появились новые никель-титановые дуги с активной аустенитовой зернистой структурой. Такие дуги отлича­ются удивительным качеством сплавов NiTi — суперэластичностью, которая подтверждается большой реверсивной деформацией и не­эластичной кривой нагрузки—деформации или силы—отклонения. Согласно отчету Burstone, такой разработанный в Китае сплав NiTi отличался кривой силы—отклонения, изображенной на рисун­ке 10-5². Миура описывал схожие качества аустенитового NiTi (стентинол), изготовленного в Японии³, и эквивалентные качества обнаружены у распространяемых в настоящее время других аустенитовых дуг. Эта группа в дальнейшем будет называться A-NiTi. Обратите внимание на рисунке 10-5, что в значительном диапазоне отклонения оказываемое A-NiTi усилие варьируется очень незна­чительно. Это означает, что проволочная дуга будет оказывать то же самое усилие при относительно малом или большом отклонении, что является уникальным и крайне желательным качеством.

Р ис. 10-5. График момента изгиба по отношению к отклонению для ортодонтических дуг 16 мил (черный цвет — нержавеющая сталь; красный пунк­тир — стабилизированный мартенситовый NiTi (нитинол); красный цвет — аустенитовый NiTI (китайский NiTI). Обратите внимание, что после дости­жения начального уровня усилия A-NiTi имеет значительно более плоскую кривую нагрузки—отклонения и большую отдачу, чем M-NiTi, который, в свою очередь, обладает большей отдачей, чем сталь. (Цит. по: Burstone CJ et al: Am J Orthod 87:445-452, 1985.)

Уникальная кривая силы—отклонения для A-NiTi возникает благодаря фазе перехода в зернистой структуре от аустенита к мар­тенситу в ответ не на температурное изменение, а на приложенное усилие. Данная трансформация является механическим аналогом термически обусловленного эффекта запоминания формы. Иными словами, аустенитовый сплав претерпевает трансформацию внут­ренней структуры в ответ на нагрузку, не требуя значительного температурного изменения (что возможно благодаря тому, что у дан­ных материалов температура перехода очень близка к комнатной температуре). Такая обусловленная нагрузкой мартенситовая трансформация подтверждается почти пологим участком кривой нагрузки—отклонения. Для суперэластичных изменений это играет значительную роль (рис. 10-6).

Рис. 10-6. Кривая нагрузки-деформации, демонстрирующая суперэлас­тичность A-NiTi при трансформации от аустенита к мартенситу, обуслов­ленной нагрузкой. Отрезок А—В представляет чисто эластичную деформа­цию в аустенитовой фазе (обратите внимание на рисунке 10-5, что в данной фазе жесткость A-NiTi больше, чем M-NiTi). Нагрузка в точке В является минимальной нагрузкой, при которой начинает происходить трансформа­ция в фазу мартенсита. В точке С трансформация завершается. Разница между уклоном А—В и В—С обозначает легкость, с которой происходит трансформация. После завершения трансформации мартенситовые струк­туры претерпевают эластичную деформацию при непрерывной нагрузке, представленную на отрезке C-D (однако на ортодонтические дуги нагруз­ка в этом участке почти никогда не оказывается, и данная часть графика при иллюстрации реакции ортодонтических проволочных дуг обычно не видна). В точке D достигается предел нагрузки фазы мартенсита и происхо­дит пластическая деформация материала до разрыва в точке E. Если нагруз­ка ослабевает перед достижением точки D (что соответствует точке С¹), то по линии С¹—F происходит эластичная разгрузка мартенситовой структу­ры. Точка F обозначает максимальную нагрузку, при которой может проис­ходить разгрузка мартенситовой структуры, и в этой точке начинается ре­версивная трансформация в аустенит, продолжающаяся до точки G, где структура аустенита полностью восстанавливается. Отрезок G-H обознача­ет эластичную разгрузку аустенитовой фазы. Небольшой отрезок общей де­формации невозможно восстановить из-за необратимых изменений в ходе нагрузки или разгрузки.

Рис. 10-7. Кривая активации (непрерывная линия) и деактивации (пунк­тир) для дуги A-NiTi. Обратите внимание на изменение кривых разгрузки при разных активациях (т.е. на жесткость разгрузки влияет степень актива­ции). Жесткость разгрузки для стальных дуг, а также дуг бета-Ті и M-NiTi одинакова для всех активаций. (Цит. по: Burstone CJ et al: Am J Orthod 87:445-452, 1985.)

Частью необычной природы таких суперэластичных материа­лов, как A-NiTi, является то, что кривая их разгрузки отличается от кривой нагрузки (т.е. реверсивность характеризуется потерей энергии, ассоциируемой с гистерезисом) (рис. 10-7). Это означа­ет, что обеспечиваемое усилие не равно усилию, используемому для активации. Разница кривых нагрузки и разгрузки производит еще более значительный эффект, так что прилагаемое дугой A-NiTi усилие может быть изменено в ходе клинического исполь­зования лишь посредством его ослабления и повторного натяже­ния (рис. 10-8).

Р ис. 10-8. Кривые активации (до 80°) и реактивации (до 40°) для аустенитовой дуги NiTi. В каждом случае кривая нагрузки изображена непрерывной линией, а кривая разгрузки — пунктирной. Кривая разгрузки обозначает уси­лие, которое прилагается к зубу. Обратите внимание, что степень усилия, оказываемого отрезком дуги A-NiTi, которая предварительно была активи­рована до 80°, может быть значительно усилена при откреплении ее от брекета и затем при повторном прикреплении, что является уникальным каче­ством данного сплава. (Цит. по: Burstone CJ et al: Am J Orthod 87:445-452, 1985.)

Для ортодонта изгибание дуги A-NiTi в классическом смысле этого слова практически невозможно, поскольку такая дуга не под­лежит пластической деформации без применения довольно боль­шого усилия (см. рис. 10-6). Однако дуге может быть придана фор­ма и ее свойства могут быть изменены при увеличении ее темпера­туры. Это может быть сделано в клинической установке посред­ством изгиба дуги при прохождении через нее электрического тока при использовании модифицированных ортодонтических плоско­губцев в качестве электродов⁴. Миура продемонстрировал, что можно переместить зубы в положение желаемой окклюзии, на мо­дели при установке брекетов, натяжении дуги A-NiTi в брекетах с последующей термической обработкой дуги таким образом, чтобы она запомнила свою форму, когда зубы находятся в желаемом положении⁵. В этом случае дуга обладает всеми качествами «отде­лочных изгибов», обычно требуемых на последних этапах лечения. По меньшей мере теоретически это позволяет производить некото­рые виды лечения при помощи единственной дуги, постепенно пе­ремещая зубы в заданное положение. Концепция здесь та же, что и при оригинальном подходе к дуговому расширению Edward Angle, который предусматривает те же самые ограничения.

С войства A-NiTi быстро сделали его наиболее предпочтитель­ным материалом для ортодонтического применения, где необхо­дим большой диапазон активации с относительно постоянным уси­лием (например, для начальных проволочных дуг и спиральных пружин). M-NiTi сохраняет свою эффективность в первую очередь на последних этапах лечения, когда требуются эластичные, но большие и более жесткие дуги.

Рис. 10-9. Кривая силы-отклонения NiTi дуг различных фирм. Дуги Orthonol фирмы RMO и Titanal фирмы Lancer мартенситные, поэтому име­ют кривые эластичности, а не суперэластичности. Обратите внимание, что дуга Sentalloy фирмы GAC имеет классическую кривую суперэластичности и низкие значения сил, в то время как другие A-NiTi дуги — значительно бо­лее низкую суперэластичность и значения сил выше оптимальных. При от­сутствии данных исследований к рекламе ортодонтических дуг нужно отно­ситься с большой осторожностью. В отличие от другой медицинской аппа­ратуры, для производства ортодонтических дуг не требуется доказательств ихдействия. (Цит. по: Thayer et al.: AmJ Orthod Dentofac Orthop 107:604-612, 1995.)

На эластичные качества дуги наличие изгибов влияния не ока­зывает. Посредством термического воздействия на сегмент можно изменить суперэластичные качества участка проволочной дуги. Это обеспечивается пропусканием электрического тока по отрезку между электродами, прикрепленными к дуге (рис. 10-9)⁶.

Бета-титан. В начале 1980-х годов после нитинола, но перед A-NiTi в ортодонтическую практику был введен новый титановый сплав бета-титан. Такой материал, бета-Ті, был разработан в пер­вую очередь для ортодонтического использования. Он представля­ет собой крайне выгодную комбинацию силы и эластичности (т.е. прекрасную упругую деформацию), а также характеризуется при­емлемой деформируемостью. Это делает его прекрасным материа­лом для дополнительных пружин и промежуточных дуг, особенно прямоугольных дуг на последних стадиях лечения. Как показано в таблице 10-1, во многом его свойства находятся между свойства­ми нержавеющей стали и сплава M-NiTi.

Композитные пластмассы. Прогресс в ортодонтических эластичных материалах может ожидаться в 1990-х годах. Новые ортодонтические материалы в последние годы были заимствованы из космических технологий. В 1970-х и 1980-х годах высокотехноло­гичные летательные аппараты производились на основе титановых сплавов, однако современное поколение такой техники изготавли­вается из композитных пластмасс, и есть все основания полагать, что ортодонтические дуги из таких же материалов в будущем най­дут широкое клиническое применение. Сейчас стало возможным выпускать пластиковые дуги как круглого, так и прямоугольного сечения, с более высокой прочностью и с лучшим пружинящим эф­фектом, чем металлические⁷. Свойства пластика можно изменить до такой степени, что скоро будут выпущены и пластиковые лига­туры для фиксации дуги к брекету, которая не оказывает дополни­тельного силового воздействия, что позволит значительно снизить трение (см. ниже). Еще одним преимуществом пластиковых дуг яв­ляется то, что они могут иметь цвет зуба, что имеет эстетическое значение. Форму пластиковых дуг, как и металлических, практиче­ски невозможно изменить после того, как они были сделаны на за­воде, что вызывает некоторые клинические сложности. Более деся­тилетия прошло с момента выпуска никель-титановых дуг, прежде чем они стали рутинно применяться в клинике. Такое же время мо­жет потребоваться и для внедрения пластиковых дуг в ортодонтиче­скую практику.