facebook
Орто-Лайн — високоякісна ортодонтична продукція, індивідуальний та професійний підхід до кожного клієнта, гнучка система знижок та атмосфера ортодонтичної сім’ї. +38(067) 314 17 93      +38(032) 275 86 46

SENTALLOY

Історія супереластичності

Доповідь Др. Альберто Терамото

Відділення ортодонтії

Технологічного університету Мехіко

Мехіко, Мексика

 

Частково – мистецтво.Частково – наука.Разом- ортодонтія. Для кращої стоматології.Dentsply.GAC

 

Біографія Др. Альберто Терамото, DDS. Orth. Cert.

Провадить приватну практику в місті Мехіко,Мексика,займається виключно ортодонтією.Свій сертифікат ортодонта отримав в Першому Відділенні Ортодонтії Токійського Медичного і Стоматологічного Університету, що в Японії. На даний момент займає посаду асистент-професора (доцента) Технологічного Університету Мехіко, а також є головним редактором журналу Orthodontia Actual.

1.Історія і основні концепції

Вступ

З часів Енгля, дуги зазнали значних технологічних змін. Це покращило нашу спеціальність,збільшило нашу ефективність, зменшило час роботи біля крісла, і як результат збільшило наш дохід. Однак нікель-титановиз сплавів існує велика кількість, тому для того, щоб уявити і зрозуміти яким потенціалом в ортодонтії вони володіють, неодхідно знати історичну основу і основні концепції, що стоять за ними. Незважаючи на те, що на перший погляд всі нікель-титанові сплави видаються однаковими, існує багато невеликих відмінностей в складі і в процесі їх виготовлення. Саме через це існує різниця між звичайними і нестандартними дугами.

Початок ери НІТІНОЛУ(NITINOL)

Нікель-титанові сплави вважаються найбільш придатними для застосуванні з-поміж усіх сплавів, що володіють пам'яттю форми, оскільки при дії на них певних температурних режимів здатні повертати собі попередню форму і розміри. Іншими словами, вони «запам’ятовують» свою вихідну форму. Існують і інші сплави з пам’яттю форми,такі як мідь-цинк-алюміній-нікель і мідь-алюміній-нікель, однак вони не володіють тими фізичними і механічними властивостями, що є у нікель-титанових сплавів. NiTi унікальний через рівні сил,що виникають в ньому при нагріванні,через його стійкість до корозії,його біосумісність, через простоту з якою вдається досягнути перехідної температури і обгрунтовану вартість виготовлення точного сплаву. Властивість пам’яті форми, якою володіє сплав, виявив металург Др. Уільям Дж.Бюлер, що проводив дослідження в Лабораторії Воєнно-морської Артилерії (Naval Ordnance Laboratory (NOL) в Уайт Оук, що в Меріленді. НІТІНОЛ - це на насправді акронім (нікель-титан(NI-TI)+ лабораторія воєнно-морської артилерії (NOL)), що характеризує цілу генерацію нікель-титанових сплавів, розроблених в даній лабораторії. В 1958 Др.Бюлер хотів щось змінити в свому особистому житті і в професійній кар’єрі. В той час в Лабораторії Воєнно-морської Артилерії було запущено аеродинамічний проект щодо пошуку відповідного матеріалу для носового конусу ракети SUBROC. Менеджер проекту, Джері Пірш, залучив Др. Бюлера до роботи із впорядкування  інформації про властивості певних металів і сплавів, що могли б підійти для цієї цілі. Ще на початкових стадіях розробки, дані  другорядних досліджень нікель-титанових сплавів знайшли своє застосування. Їх використала Raychem Corporation, яка випускала продукт під назвою Кріофіт – гідравлічну муфту для винищувачів ВМС США F-14. Однак це був лише початок широкого застосування сплаву в медицині, стоматології і різних сферах інженерії. В 1974 році Др.Уільям Дж. Бюлер відсторонився від роботи в Лабораторії, однак був залучений в розробці НІТІНОЛУ аж до 2005, коли він переїхав до Нью Берна, що в Північній Кароліні.

 

 

 

Як працює НІТІНОЛ

Після виявлення ефекту пам’яті форми,основним питання стало наступне: за рахунок чого ці метали здатні «запам’ятовувати» свою вихідну форму? Георг Кауфман (факультет хімії Університету Фресно) пояснює цей процес наступним чином: в металах, що не володіють пам’яттю форми деформаційний стрес поглинається за рахунок перебудови кристалів, які надалі не можуть повернутись в своє положення. В той же час, в сплавах по типу нітінолу кристали залишаються на свому місці: всі зміни відбуваються на рівні атомів і після припинення дії сили здеформовані об’єкти повертаються назад у вихідне положення, візуально зміни форми не помітно. Нітінол будучи в твердому стані може перебувати в двох фазах – фазі мартенсіту (при низьких температурах) і аустеніту (при високих температурах). Спектр перехідної температури залежить від співвідношення нікелю,титану,інколи домішку інших металів і коливається від -50?С до 166?С. Нижче перехідної температури,нітінол перебуває в фазі мартенсіту. В цій фазі сплав можна вигинати в різноманітні форми, його кристалічна гратка відповідає невпорядкованій об’ємноцентрованій кубічній гратці. Щоб зафіксувати задану форму, метал необхідно утримувати в бажаній позиції і нагріти до температури 500°С. Висока температура «змусить атоми розташуватись якомога компактніше,в найбільш впорядковану з усіх можливих моделей»,а саме в модель жорсткої кубічної гратки, яка відповідає структурі цезій хлориду.Іншим словами сплав перейде в фазу аустеніту. При температурі, що перевищує перехідну сплав з фази мартенсіту переходить назад в фазу аустеніту. Це призводить до того, що він знову набуває задану йому форму.

Нітінол це насправді конгломерат невеличких ділянок поодиноких кристалів,так званих зерен, кожна з яких має свої розміри, форму і орієнтацію (мал.2). В фазі аустеніту зерна кристалів приймають таку структуру, при якій кожен атом нікелю оточений восьмома атомами титану, що розташовані по кутах куба, а кожен атом титану – відповідно кубом з атомів нікелю.(мал.3)В фазі мартенсіту, коли дуга охолоджується до температури нижчої за перехідну, зерна кристалів змінюються оскільки атоми нікелю і титану починють займати зовсім інше положення відносно один одного і набувають складнішої просторової будови.(мал.4)

 

НІТІНОЛ в Ортодонтії

Мабуть найбільш важливим для світу ортодонтії, було представлення нітінолу в формі дуги. В 1968 році, Др.Джордж Ф. Андрезен(мал.5) прочитав про дивний сплав, що його винайшли в Лабораторії Воєнно-морської Артилерії (зараз Воєнно-морський Центр Сухопутної Зброї). Він зв'язався з Др.Бюлером і отримав від останнього декілька зразків нітінолу. Андрезен провів широкі клінічні дослідження і виявив, що один з наданих йому сплавів працює особливо ефективно. Він назвав цей сплав «запам’ятовуючою дугою” оскільки він повертався до вихідної форми після того як його згинали. В 1978році в своїй статті Др.Андрезен вперше вжив такі поняття як «коротші терміни лікування», «менший дискомфорт для пацієнта»(малі сили) і «рідша заміна дуг». Випускати дуги на комерційній основі почала компанія Unitek Corporation, яка зареєструвала торгову марку під назвою Nitinol. Першою дугою з пам’яттю форми, що стала доступною на ринку стала дуга зі співвідношенням 50:50 нікелю до титану в сплаві. Ефект пам’яті форми подавлявся на 8-10% через роботу при низьких температурах. Незважаючи на це, малі сили( приблизно від 1/5 до 1/6  сили на одиницю деактивації) і можливість застосування в складних клінічних випадках патологічного прикусу робили цей вид дуг більш привабливими в порівнянні з іншими тогочасними дугами. Про свої дослідження термодинамічних ефектів нітінолу Др.Андрезен доповів в квітні  1985року в журналі Angle Orthodontist. В 1980 році за свою роботу над нітінолом він  удостоївся нагороди штату Айова - Винахідних Року. Др.Андрезен помер в 1989 році у віці 55 років. Це був лише початок ери нітінолу в ортодонтії.

 

SENTALLOY  перший супереластичнй NiTi сплав

В цей період часу, Др.Фуджіо Міура – найбільш відомий професор ортодонтії за всю історію Японії, досліджував біологію переміщення зубів з метою встановити «Ідеальну концепцію переміщення зубів». Він був занятий пошуком матеріалу чи пристрою, який би міг прикладати постіну, малу силу. В 1982 році, Др. Міура і його університетська команда домовилися з TOMY Incorporated(виробником ортодонтичної продукції) і Furukawa Electric Co.(постачальником матеріалу для дуг) про проведення спільних досліджень над новою супереластичною дугою(мал.7). Нова дуга генерувала оптимальний рівень сили для переміщення зубів, а рівень її стрес-індукованої мартенсітної трансформації становив 8%. Цей сплав було запущено на ринок в 1985 році під торговою маркою SENTALLOY(Super Elastic Nickel Titanium Alloy)(мал.8)

SENTALLOY володів супереластичністю і ефектом пам’яті форми. Др. Міура описав його унікальні властивості настуним чином:

Пам'ять форми

Це феномен, що спостерігаєься в сплавах, які є м'якими і яким легко надати будь-яку форму при низьких температурах, але які з такою ж легкість відновлюють свою первинну конфігурацію, якщо їх нагріти до перехідної температури. Також називається термо-індукованою мартенсітною трансформацією.

Супереластичність

Це феномен спостеріаєть тоді, коли рівень напруги залишається відносно постійним до певного порогу деформації дуги. Він спричинений напругою, а не температурою, тому по іншому ще називається стрес-індукованою мертенсітною трансформацією.

Др.Міура стверджує, що  SENTALLOY здатний генерувати постійну силу впродовж дуже широкого діапазону деактивації, і саме тому переміщує зуби фізіологічно і з більшим комфортом для пацієнта. Використовуючи температуру тіла для трансформації, SENTALLOY здатний подолати опір зуба до переміщення під час ортодонтичного лікування без травми для тканин, що оточують зуб. Др.Міура переконаний, що винайдення «супереластичних» властивостей SENTALLOY і їх використання створили суттєвий науковий прорив для ортодонтії. Використання супереластичних дуг призвело до затвердження нових стандартів біологічного лікування в клінічній ортодонтії.

 

Історичний огляд сплаву SENTALLOY

За більш як два десятиріччя дуги SENTALLOY знайшли широке застовування в ортодонтії. Було розроблено дуже багато продуктів, що були основані на філософії про прикладення фізіологічно коректних сил для переміщення зубів

 

1958 Др.Уільям Дж. Бюлер в Сполучених Штатах почав експериментальну роботу над НІТІНОЛом в Лаборатої Воєнно-морської Артилерії(мал.2.1)

1976 Др.Джордж Андрезен розробив перший сплав нікель-титану для ортодонтії(мал.2.2)

1986 Др.Фуджіо Міура розробив SENTALLOY,перший супереластичний нікель-титановий сплав(мал.2.3)

1987 GAC International першу супереластичну Відкриваючу і Закриваючу пружину(мал.2.4а і 2.4б)

1988 було розроблено DERHT(абревіатура) – метод вигинання дуг SENTALLOY.на ринок випущено під торговою маркою ARCH-MATE(мал.2.5)

1990 з’явився NEO SENTALLOY і вперше за весь час стало можливо використовувати повнорозмірну прямокутну дугу як ініціальну дугу.

1992 BIOFORCE представлено як єдину супереластичну дугу,яка прикладає до фронтальної групи зубів легкі зусилля, що поступово збільшуються в напрямку жувальних зубів.

1993 GAC Internetional створили BioForce і Neo Sentalloy  з IonGuard- нову нікель-титанову дугу,що пройшла процес іонної імплантації (для зменшення ковзання)(мал.2.8)

1993 створено SENTALLOY MOLAR MOVER для дисталізації молярів(мал.2.9)

1995 TOMY Inc. представляє SENTALLOY STLH – нову нікель-титанову дугу з статичною термоактивністю і низьким гістерезисом.(мал.2.10)

2000 було розроблено GAC PAK – для покращення асептичного зберігання і розподілу індивідуальних дуг(мал.2.11)

2008 Високо Естетичні Дуги SENTALLOY і BioForce.За рахунок нанесення родієвого покриття зменшують віддзеркалення і тим самим досягають зменшення візуалізації дуг, однак властивості стандартного SENTALLOY не втрачаються

 

Встановлення механічних і фізичних властивостей SENTALLOY

Існують три основні лабораторні тести, що використовуються для вивчення механічних властивостей ортодонтичних дуг. Це тест на згинання,на розтягнення і на скручування. Для встановлення фізичних властивостей використовують два додаткових тести. Це диференційно скануюча калориметрія і рентгеноструктурний аналіз. Незважаючи на те, що ці тести не завжди відображають клінічну ситуацію,все ж таки вони надають необхідну для порівняння цих дуг базову інформацію. В усіх тестах дуги SENTALLOY показали найвищі результати, що дає право назвати їх найбільш біологічно коректними дугами. Наступний текст описує результати тестів.

 

А)Трьох точковий тест на згинання

В 1986 році доктором Міура був запропонований трьох точковий тест на згин. Метою дуло продемонструвати відмінності між першою нітіноловою дугою (Unitek Corp.)і супер-еластичний сплавом нікель-титану(SENTALLOY). Тест було розроблено, щоб визначити залежність між навантаженням і відхиленням,і встановити природу сил,що діють впродовж ортодонтичного лікування. Цей тест також підходить для демонстрації пружних властивостей.

З іншого боку,при проведенні тесту на згинаня з консолем,дуги з хорошими пружними властивостями можуть здатися супереластичними,хоча насправді і не володіють такою характеристикою. Трьох точковий тест на згинання був розроблений спеціально, щоб виявляти дуги, що не володіють супееластичністю. Крім того,в цьому тесті можна більш правдоподібно відтворити сили,з якими дуга діє в ротові порожнині на зуби.

Матеріали

Для досліду відібрали 4 круглі дуги 0,016 – з нержавіючою сталі,з Co-Cr-Ni,з нікель-титану і з SENTALLOY. Щоб відтворити середовище ротової порожнини дослід проводили в спеціальній камері при температурі 37°С.

Приблизно посередині дуги прикладалось зусилля металевим циліндром з діаметром 5мм. Середню точку відхиляли на 2 мм зі швидкістю 0,1мм/хв.(мал.3.1 і 3.2)

Результати

Дуги з нержавіючої сталі і Co-Cr-Ni показали лінійну залежність між навантаженням і відхиленням. При відхиленні в 2 мм навантаження становило приблизно 1300г(мал.3.3).Після усунення навантаження обидві дуги залишились деформованими. Для дуги з нітінолу залежність була майже лінійною. При відхиленні 2мм було зафіксовано навантаження 790г (мал.3.4). При дослідженні дуги SENTALLOY навантаження становило 650г для відхилення в 2 мм, але при меншому відхиленні навантаження зменшувалось приблизно до 250-350г і було сталим в діапазоні відхилення 1,6 – 0,6 мм. Незворотньої деформації зафіксовано небуло(мал.3.5)

Поглянувши на результати цього тесту можна з впевненістю сказати, що дуги Sentalloy демонструють супереластичні властивості і найбільш підходять для фізіологічного переміщення зубів,оскільки впродовж тривалого часу деактивації забезпечують постійну дію малих по своїй величині сил.

В) Тест на розтягнення

За словами Др.Міура, супереластичність залежить від зміни навантаження, а не температури, а точніше від так званої стрес-індукованої мартенсітної трансформації. Над всіма досліджуваними дугами провели одноосьовий тест на розтягнення. Для проведення тесту використали універсальний тестуючий апарат Instron.

Матеріали

Знову ж таки для тесту відібрали 4 круглі дуги 0,016 – з нержавіючою сталі,з Co-Cr-Ni,з нікель-титану і з SENTALLOY.Дуги фіксували до металевої пластини за допомогою епоксидної смоли. На мал.3.6 осі Y відповідає сила,яку генерували дуги,а осі X – деформація.




Результати

Для дуг з нержавіючої сталі і Co-Cr-Ni модуль еластичності становив 170-220 кг/мм². В цих дуг показники були дуже великими і криві навантаження-деформації були практично прямі які впродовж фази активації.так і фази деактивації. Модуль еластичності для нітінолу становив 150-160 кг/мм² і знову крива навантаження-деформації була майже пряма. На останок,на противагу іншим, Sentalloy продемонстрував не лінійну криву навантаження-деформації чим ще раз довів свої супереластичні властивості. Коли Sentalloy розтягували, крива навантаження-деформації була прямою до моменту,поки дуга не була деформована на 2% від своєї початкової довжини. В проміжку між показниками 2% і 10% деформації,дуга показувала модуль еластичності від 55 до 58 кг/мм²(від А до В)(мал.3.7). На діаграмі видно як на рівні показника 2% починається мартенсітна трансформація,яка триває до точки 8-10%. Коли перша мартенсітна трансформація завершується весь зразок переходить в фазу мартенсіту. Коли це відбувається,навантаження збільшується через еластичну деформацію. Мартенсітна трансформація відбувається як в напрямку збільшення навантаження,так і в напрямку зменшення. Після припинення дії деформації(від В до С), навантаження зменшується лінійно, бо в фазі мартенсіту відбулась еластична деформація(мал.3.8). Наступний малюнок (мал.3.9) ілюструє зворотню мартенсітну трансформацію, що передує фазі аустеніту.В цей час генерується постійна по величині сила(від С до D). В кінці, коли мартенсітна трансформація завершується, дуга знову знаходиться в фазі аустеніту (від D до Е).Знову виникає еластична деформація і навантаження лінійно зменшується (мал.3.10)

Металургійний аналіз підтвердив,що Sentalloy володіє супереластичністю в межах відрізків А до В, і С до D кривої навантаження-деформації(мал.3.11)

Деформація нікель-титанових сплавів, а також зміни температури запускають мартенсітну трансформацію. Нагріваючи сплав ми ініціюємо мартенсітне перетворення( з мартенсіту в аустеніт),а даючи йому охолонути (перетворення з аустеніту в мартенсіт) робимо так, що дуга повертає собі початкову форму.

 

BioForce 

В свій час Міязакі доповів, що певний тип нагрівання (не помірні зміни температури як було вказано вище) Sentalloy при 500°С суттєво і назавжди може змінити плато сили під час припинення дії навантаження в трьох точковому тесті. Така процедура зробила можливим виготовлення Sentalloy з трьома різними рівнями сили. При цьому дуга залишається одного розміру по всій своїй довжині. Тепер, з супереластичною дугою, можна прикладати незначні зусилля на фронтальну групу зубів,середні –на ділянку премолярів,і більші – на длянку молярів. В трьох точковому тесті на згинання для даної дуги були зафіксовані показники навантаження: 280г для ділянки молярів.(мал.3.12), 180г –для ділянки премолярів(мал.3.13) і 80г для ділянки фронтальних зубів(мал.3.14). Змінивши таким чином супереластичні властивості дуги досягнули того, що тепер стало можливо випускати одну дугу, яка б створювала відповідні біологічні сили для переміщення відповідної групи зубів. Все це мало б зменшити травму і кратність заміни дуг (мал.3.15)

 

BioForce з Ionguard 

Щоб зменшити ковзання,GAC створили нікель-титанову дугу, що пройшда процес іонної імплантації,але при цьому не втратила супереластичних властивостей BioForce і Neo Sentalloy. Процес іонної імплантації спочатку використовувався для виготовлення напівпровідників. При низькій температурі за допомогою потоку іонів з великою енергією поверхню модифікують як структурно так і хімічно. При цьому на поверхню не напилюється жодний шар, розміри і властивості матеріалу не змінюються. Іонна імплантація покращує стійкість до зношування,зміщнює поверхню,збільшує стійкість до дії хімічних середників,але що найбільш важливо – зменшує ковзання (мал.3.16)

Рьян довів, що іонна імплантація здатна зменшувати сили ковзання, що виникають під час переміщення зубів і які здатні збільшувати втому матеріалу,прискорювати його зношуваність незалежно від складу матеріалу. Під час дослідів по переміщенню зубів in-vitro дуга зі стальної сталі показала найменші показники ковзання. За нею йшли дуги з обробленого нікель-титану, обробленого бета титану,необробленого нікель-титану і необробленого бета титану. Була зафіксована статистично значима різниця між величинами ковзання, які продемонстрували іонно-імплантовані дуги і не оброблені дуги (мал.3.17). In vitro дослідження Бедолла і Терамото,на противагу дослідженню Рьяна,показали інші результати. В дуг BioForce з IonGuard була найбільш гладка поверхня(мал.3.18) і вони показали найнижчі показники ковзання. Після них йшли дуги з нержавіючої сталі і необробленого нікель-титану. Дуги BioForce з IonGuard при використанні з брекетами In-Ovation-R показують найнижчі показники ковзання (мал.3.19 і 3.20)

 

Диференційно скануюча калориметрія

В останні десять років для вивчення фазових змін в нікель-титанових сплавах використовують ДСК. Досліджуваний матеріал,а також інертний матеріал для порівняння такий як наприклад індіум,розміщують в двох камерах і починають нагрівати з однаковою швидкістю,переважно збільшуючи температуру кожну хвилину на 5° або 10°С. Різниця між термоенергією в двох камерах буде спричинена різницею в термоємностях матеріалів. Інформація з цього тесту дуже корисна для вивчення фаз перетворення нікель-титанових сплавів для ортодонтичних дуг.

 

Важливі фази перетворення для нікель-титанових сплавів:

Ms – мартенсіт старт – температура, з якої при охолодженні сплаву починається мартенсітна трансформація

Mp або Mf- мартенсіт пік або мартенсіт фініш – температура, при якій трансформація завершилась

As – аустеніт старт – температура, з якої при нагріванні починається перетворення сплаву на аустеніт

Ap або Af – аустеніт пік або аустеніт фініш – температура, при якій перетворення на аустеніт завершилось.

В деяких випадках між фазами трансформації може протікати проміжна R-фаза (формування ромбоедричної кристалічної структури).

ДСК дослідження дуже помогли розібратись в різниці між фазами трансформації більшості нікель-титанових дуг. Основні дані одного з таких досліджень наведені нижче.

МАТЕРІАЛИ І ОБЛАДНАННЯ

Досліджувані дуги

Чотири різні 0,016 NiTi дуги на верхню щелепу.

Nitinol-SE (3M UNITEK)

Copper-NiTi 35 (ORMCO)

Neo-Sentalloy F 80 (DENTSPLY GAC International)

Bioforce-Sentalloy (фронтальна ділянка) (DENTSPLY GAC International)

Обладнання

Диференційно скануючий калориметр для визначення температури аустенітної трансформації (Af),а також SII-DSC6220 Seiko Instrument і Thermal Analyzer LN2.

 

Температура ротової порожнини

За температуру ротової порожнини переважно беруть надясенну температуру, яка приблизно становить 37°С, при цьому пам’ятаючи, що дуже багато факторів здатні впливати на неї.

Дані про температуру необхідно враховувати як при виготовлені так і при клінічному застосуванні таких термо-чутливих ортодонтичних матеріалів як нікель-титанові дуги. За даними Мура(Moore)для in-vitro досліджень ортодонтичних дуг в умовах ротової порожнини,краще б підійшла температура 35.5°С ніж 37.

 

Результати

Nitinol-SE

Для цієї дуги точка повної трансформації в аустеніт(Af) була досягнута при температурі 60°С, що суттєво перевищує температуру ротової порожнини.

Copper-NiTi 35

Для даної дуги точка Af була досягнута при температурі 29.1°С, що є нижчою за температуру в роті.

Neo-Sentalloy

В цій дузі повне перетворення дуги в аустенітну структуру відбулося при температурі наближеній до температури ротової порожнини(32.7°С)

Також спостерігалось явище гістерезису для перехідної температури, що слід враховувати.

Bioforce-Sentalloy (фронтальна ділянка)

Як і в Neo-Sentalloy, в BioForce повна трансформація відбувається за температури близької до температури тіла -32.5°С.

 

Підсумок

Дуги Sentalloy були першими супереластичними нікель-титановими дугами в ортодонтії.

Вони активуються при температурі тіла і за рахунок того, що вони створюють малі зусилля впродовж тривалого періоду часу з ними можна досягати відмінних результатів лікування,переміщуючи зуби фізіологічно правильно.