镍钛合金弓丝-曾祥龙2001

· 讲 座 · 镍钦合金弓丝 曾祥龙 镍钦合金 弓丝是正 畸 临床常用 的 弓丝 。 深人 认识镍钦合金 弓丝 的特征 、 类型 、 弹性性能 , 对合理 使用矫治力 、提高矫治质量有重要意义 。 一 、镍钦合金的金属结构与基本特征 镍钦合金是镍 与钦 组成 的二元合金 。 镍钦合金 的晶体结构 因其所处 的环境温度和所受 到的机械压力不 同而有两种不 同的排列方式 澳 氏 体相 是温度相对高或去载 外力去除 时 的状态 , 形变时产生 的应力较大 马 氏体相 是温度相对低或加载 受 到外力 时 的状态 , 形 变时产生 的应力 较小 。 通 过降低温度 至相 变 温度 以下 , 或者使用 外力 , 可 以使澳 氏体相转变为 马 氏体相 相反 , 当温度升高至相变温度 以上 , 或者外 力去除时马氏体相转变为澳氏体相 。 温度降低 受到外力 澳氏体相 一 马 氏体相 刚度较高 温度升高 刚度较低 弹性模量 · 孙。 外力去除 弹性模量 一 饰 二 、普通镍钦合金 又称传 统型镍钦合金 弓丝 。 年代美 国海 军军械研究所研究 出具有形状记忆的新型合金 , 其 中之一为镍钦合金 。 年代 将其引人正 畸临床 , 年 公 司生 产 出镍钦 合金 弓丝 , 代镍 , 代表钦 , 为海军军械研究所 的缩写 。 普通镍钦合金丝 为冷加工制成 , 相变温 度 较高 ℃ , 室温下 ℃ 和 口 腔 中 ℃ 均 为稳定的马氏体相 , 在正畸治疗过程 中不发生相变 现象 , 因而不具有超弹性 , 也不具有形状记忆功能 。 此种传统 型镍钦合金丝与不锈钢丝相 比 , 刚度低 , 每单位形变释放的力较小 , 大约为相 同直径不锈钢 丝的 同时其工作范 围较大 , 有 较大 的理想力 区间 , 适合于正畸临床 “ 温和而持久 ” 的矫治力 的需 要 图 。 , 沪 沪 口 , , , 一 一 镍钦合金随外环境 应力 、 温度 的改变其 内部 金属原子排列发生 改变 , 并 因此产 生应力 的改变 , 使得镍钦合金 弓丝具有两个明显 的特征 “ 超弹性 ” 和 “ 形状记忆 ”的功能 。 利用冶金技术可 以 影 响镍钦合金 的相变 温度 和超弹性 , 其方法有改变镍一钦 的 比例 、退火处理 、 冷加工 以及加人第三元素等 。 目前市场上各种镍 钦合金 弓丝就是通过不 同的冶金技术而获得 , 大致 可分为三种类 型 普通 型镍钦合 金 、 拟 弹 性 镍 钦 合 金 。 公 、 温控镍钦合金 。 此外钦钥合 金 弓丝也用于正畸临床 。 作者单位 以 北京大学 口腔医学院正畸科 二, ‘ 产 , 应变 ‘ 不锈钢丝 传统型镍钦丝 超弹性镍钦丝 圈 传统型镍钦丝 、超弹性镍钦丝与不锈钢丝的 应力 应变曲线比较 ”直径 然而 , 传统型镍钦丝 的应 力 应变 比仍呈 线性 关系 , 释力 仍然偏大 , 释力过程 中力 的衰减仍 然 比 较迅速 另外不能弯制成形 , 脆而易折 , 不 能焊接等 也限制 了其临床的使用 。 属 于此种类 型 的镍钦 弓 丝商品有 公司的 ℃ , “ ”公 司 的 即 ℃ , 公 司 的 ℃ 等 。 目前此类镍钦 弓丝 的临床使用 已 不多 。 三 、“ 拟 弹 性 ” 镍 钦 合 金 弓丝 。 俗称超弹性镍钦合金 弓丝 。 。 这一类镍钦合金 弓丝 的相变温度 较低 , 多在体温 之下 , 室温 时金 属结构为非 稳定状态 的澳 氏体相 , 刚度较大 。 加载 弓丝人槽 时 , 弓丝受外 力 形 变 , ’ 产生 比传统镍钦丝 稳定状态 的马氏体相 约大 倍 的力 图 , 一 , 但很快 由于外力 的诱导作用 , 澳 氏体相逐渐转变为马 氏体相 , 刚度减小 , 在应力 应 变图中形成一长 的平 台区 图 , 一 。 在此平 台 区上 , 弓丝很 明显 的弯 曲形变 , 人槽所需 的应 力增 加却很小 。 卸载时相 反 , 初始 时 , 应力有一个衰减 图 , 一 , 继之马 氏体相逐渐转变 回澳 氏体相 , 形成第二个平台区 图 , 一 , 在此平 台区 , 弓丝 发生明显 的形 变 时 , 释放 的力却几乎保持不变 , 直 至完全恢复到澳氏体相 时 , 应力 应变又呈现直 线关系 图 , 一 , 少量 的形变 , 力迅速减小 。 应 力 钦合金 弓丝 , 其加载 曲线 和卸 载 曲线 的应力 应变 斜度很平 图 。 这 意 味着该 弓丝作 为初始 弓丝 时 , 不论牙齿错位 的程度 , 弓丝 在较小或者较 大的 范围内弯 曲形 变 , 都 同样 易 于人槽 , 人槽后 也将产 生同样 的力值 且不论从最初 的起动到最后牙齿接 近排齐 , 其提供的力持续恒定 。 中国镍钦丝与传统 型镍钦丝相 比 , 弯曲范 围增大 倍 , 而 释力却小 超弹性镍钦 弓丝 的应力 应变 曲线 上 , 弹性极 限与最大抗张强度之间的距离较大 , 这 意味着 即使 应力超过 弓丝的弹性极限之后 , 弓丝仍能保 留很好 的回弹性能 , 尽管此时应力 应变呈非线性关系 。 中国镍钦丝 的另一个显著特征 是卸 载 曲线 随 加载力 的大小而改变 图 。 对 中国镍钦丝施加不 同的外力后卸载 , 卸载 曲线是各不相 同的 , 也就是 说卸载刚度因加载外力 的大小而改变 加载较小 时 刚度较大 , 释力较大 加载较大时刚度较小 , 释力 反 而较小 。 超弹性镍钦 弓丝 的这 一 特征是其他 弓丝 所没有 的 , 不锈钢丝 、普通镍钦丝 以及 俘钦丝对所有 的加载外力 都表现恒定 的卸 载 刚度 。 这 一特征 有 突出的临床意义 ①治疗初期牙齿错位 明显时 弓丝 产生的力较小 , 随着牙齿 的逐渐排齐 , 弓丝产生 的 力反而逐渐加大 ②简单地重新结扎 即可 以增加 弓 丝对牙齿 的施力 。 应变 应力 一 澳氏体相 加载初 一 澳氏体相转变为马氏体相 一 卸载初应力衰减 一 马 氏体相转变 回澳氏体相 一 澳氏体相 卸载末 圈 超弹性镍钦弓丝的加载曲线和卸载曲线 图 中国镍钦丝的卸载曲线随加载力的大小改变 拟弹性镍钦合金丝 的加载曲线 弓丝受力形变 被激活 和卸载曲线 弓丝对牙释放力 的过程 中应 力 应变呈现一种非线性关系 , 卸载 曲线从马 氏体 相反转为澳 氏相时 图 , 一 , 尽管 弓丝 的形状发 生较大的变化 , 但释放 的力却保持恒定 。 弹性合金 的应力 应变不遵从 “ 虎克定律 ”而呈现一种非线性 关系 , 被称之为 “ 拟弹性 ”或 “ 超弹性 ” 。 拟 弹性是指 弓丝加载后发生相变并恢复其原始形状的性能 , 拟 弹性发生时温度是衡定 的 。 中国镍钦丝 属于此类 “ 超弹性 ”镍 属于此类 超 弹性镍钦 弓丝 的产 品有 中 国 丝 ℃ , 日本 , 公司的 丝 日 ℃ , 公 司 的 几 ℃ , 铭 公司的 ℃ 等 。 这些 镍钦 弓丝的相变温度 都在体温之下 , 室温下金属 结构都是非稳定状态 的澳 氏体相 , 弓丝 的金属相变 都是在外力 的诱导下发生 的 , 并 因此产生超 弹性 的 特征 。 然而 由于镍钦含量 比例的不 同 , 退火温度的 不同 , 不同产品的超弹性镍钦丝 的刚度可 以各不相 同 。 另外 , 同一根 弓丝 的不 同部位经 由不 同温度 的 退火处理 , 可在同一根 弓丝上产生不同的刚度和矫 治力 , 即所谓 “ 同一 弓丝 不 同恒 定 力 ,’ 。 , 丽 。 加人第三种元素铜 , 可 以改变镍钦合金 的相变 温度和超弹性 。 最近 公司上市的一种超弹 性镍钦丝为超弹性镍钦铜合金 弓丝 ℃ 叩 。 一 。 此种 弓丝是一种非稳定型澳 氏 相镍钦合金 , 含 一 的铜 , 一 的铬 , 增加 铜是为了提高其强度 , 并减小其储能的损失 图 中 两个平台区 之 间 的面积 , 然 而铜 的增 加使其相 变 温度 高于了 口 腔温度 , 因而要增加 的铬使 其相变温度 回降至 ℃ 。 另外 两种镍钦铜 铬合金 的弓丝 的相变温度为 ℃和 ℃ , 相变温度的升高 使两种 弓丝实际上属于温控镍钦合金 弓丝 。 超弹性镍钦合金 弓丝在治疗早期 牙齿严重 不 齐时 , 或者在治疗 中单颗牙齿重新粘着托槽后再次 排齐时效果相 当好 。 超弹性镍钦合金制成 的螺旋 弹簧在关闭或开大间隙时也成为最佳选择 。 三 、 温 控 镍 钦 合 金 弓 丝 , 而 又称热激活镍钦合金 一 或体温响应镍钦 弓丝 。 温控镍钦合金 弓丝同时具有超弹性和形状记忆功能 。 医师在将镍钦合金 引人正 畸临床时 就期望利用其形状记忆性能 然 而 , 长期 以来正 畸 临床所利用的仅仅是镍钦合金 的“ 弹性 ” 传统镍钦 合金弓丝一稳定状态 马氏体相 和 “ 拟 弹性 ,’超弹 性镍钦合金 弓丝一非稳定状态澳 氏体相 。 直到 年代 , 具有形状记忆功能的镍钦 弓丝才在 临床正式 使用 , 这就是温控镍钦合金 弓丝 。 由于进人正 畸临 床的时间较短 , 对其认识也较为模糊 。 温控镍钦合金 的金属结构为非稳定状态 马 氏 体相 , 其相 变 温 度 在 ℃左 右 , 与 口 腔温 度一 致 。 室温下 特别是采用物理方法降温时 刚度低 , 柔软而易 于结扎人槽 当温 度升 至 口 腔 温度 时 , 马 氏体相转变 为澳 氏体相 , 弓丝恢复到原始形状 , 并 且刚度随之增加 , 释放的力也增加 图 。 温控镍钦合金 弓丝 由温度 改 变诱发金 属相 的 改变 , 同时具有超弹性 , 这 两种 特性形成 了此种 弓 丝的形状记忆功能 。 为记住某种形状 , 镍钦 合金丝需要经过成形 、加压 、 热处理 、 冷却等加工过 程 , 形成这种形状 。 此后 , 当弓丝 在相 变 温度 以下 的环境时 , 可 以很容易形变 然而 , 一旦进人相变温 ———— 」」」」」」匕」」口口口口口口 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 日日日日日 国国国国国国国国国国日日日日口口口口口口口口口口口‘‘‘ 一一日日户 门门门门口口口口 日日日日日日日 口口口口上上匾匾力力力 暇尸尸 习习日日二二口口口 门门门气艺艺艺艺艺艺艺艺艺艺艺艺 卜卜卜卜卜卜片片忙忙巨巨 匕匕匕匕 艺艺艺才才才 , ,,护, ,,汇汇汇汇汇汇汇汇 门门门尸尸厂厂厂厂「「厂厂厂厂「「「「下一一 口 适宜的 工作范围 图 ”热激活镍钦方丝在 ℃和 ℃时的 加载力和卸载力 度以上的环境 , 弓丝将恢复到它 已经记住 的原始形 状 、 即热处理以前的形状 。 理想 的温控镍钦合金 弓 丝有 以下特征 、室 温下 相 当柔顺 , 即使牙齿严重错位 , 弓丝 也易结扎人槽 、 能在 口 腔 温 度下 迅 速激 活 , 恢 复其原 始 形 状 、能释放适于牙齿移动的矫正力 、相变 温度范围较小 , 即 在较低 的室温状态 下完全稳定 , 在 口 腔 温度下被完全激活 , 在完 全被 激活前有足够的时间结扎入槽 、一旦完全被激活 , 口 腔温度进一 步增高时将 不再受影响 。 具有形状记忆功能的温控镍钦合金 弓丝 引人 正畸临床的意义在于 、通过具有预成形状的形状记忆合金 弓丝 、 特 别是完成 弓丝 , 在 口 腔温度下 , 能够精确地控制牙 齿位置 和牙 弓形状 。 外科正 畸案例 中已 经使用 了 这一特性 ·。 、通过控制摄取食物 的温度改变 弓丝 释放 的 力 。 特别是矫治力 较大超过 阑值发生 毛 细血 管 阻 塞 、血流 中断时 , 进冷食可 以减小 弓丝 的释力 , 使牙 周膜血流通 畅 、 补充受损组 织 区域 的细胞 营养 , 因 而促进牙齿移动并减轻疼痛症状 。 临床上可 以用 简单方法对 温控镍钦 介金 弓丝 的弓形进行调 整 , 例如在 温水 中 , 或 尖 钳 加 压快速 摩擦成形 , 使弓丝成为摇椅形 , 并记住这一形状 。 拟弹性镍钦合金 和温控镍钦合金 , 都是一种非 稳定状态 , 都可 以诱导 出金属相变 , 因而都具有 “ 超 弹性 ” 然 而金 属相 变 的发生 , 前者 由外 力诱导 , 后 者由温度诱导并 因此有 形状记忆 功 能 。 正 畸 临床 上为区别两者常将拟 弹性镍钦合金丝称为 “ 超弹性 浦咖加镍钦丝 ” , 而将 同时具有超弹性 和形状记忆功能者 称为温控镍钦合金丝 。 目前温控镍钦合金 弓丝 的上市产品有 公 司 的热 激 活 弓丝 一 、 公 司 的 沮 ’ 沮 和 矿 , 以太人公司的 , 圣 马特公 司热激活 弓丝 , 以及 前文提及 的镍钦铜合金 弓丝 。 目前有关这些温控 镍钦合金 弓丝相变温度范 围 、 弓丝弹性性能等方面 的研究资料尚不完整 。 四 、 钦合金 弓丝 商品 名 , 为 一 种 日相 的 钦 铝 合 金 , 含 钦 、钥 、错 、锡 。 其刚度约为不 锈钢 , 传统镍钦合金 的 倍 , 年代 由 引人正畸临床 。 此种合金 弓丝 的弹性性能介于不 锈钢 丝 与传 统镍钦合金 丝之 间 。 与不锈钢 丝相 比释放 的力较 为柔和 , 工作范围较大 , 回弹性较高 与传统镍钦丝 相 比具有能弯制成形 、 可焊接的优点 。 临床上 钦 丝常常做为不锈钢 丝 与普通镍钦丝之 间的 中间选 择 。 例如在治疗完成 阶段 , 使用较大尺寸 俘钦方丝 ’’ 与 托槽相配合可 以对牙齿 的转 矩进行 有效而精确 的调整 。 相 同尺寸 的不锈钢方 丝的因刚度太大产生 的力过大 , 而镍钦方丝 刚度不 足 以产生有效的转矩控制 。 与超弹性镍钦丝相 比 , 日钦丝 的应力 应变曲线 上 , 弹性极 限与最大抗张强度相距甚远 。 钦合金 丝的最大缺陷是摩擦系数为所有正 畸合金 弓丝 中 最大者 , 这无疑对滑动法 的使用不利 。 五 、钦合金弓丝在正畸弓丝 中的位置和临床应 用 、不 同材质正畸弓丝刚度与工作范围 图 为 国外市场几种材质的成品弓丝截面尺寸 相同时刚度与工作范围 最大弯曲度 的比较 。 其中不锈钢丝 的刚度定 为 , 其余材料 的刚度 均为相 对 于不锈钢 丝 而 言的相对值 。 图 中所 附角 度数据为该 弓丝 在弯 曲时所发生永久性形变时 的 角度 最大弯曲角度 , 代表该弓丝 的工作范围 。 可 以看出不 同材质正 畸 弓丝 刚度从大到小 的 顺序为热处理钻铬合 金 钢 丝 、 普通不锈钢 丝 、 俘钦 丝 、普通镍钦 丝 、 超 弹性镍 钦 丝 、 不 锈 钢 多股麻 花 丝 工作范围从大到小的顺序为 超弹性镍钦丝 、 普 通镍钦丝 、麻花丝 、 钦丝 、普通不锈钢丝 、热处理钻 铬合金钢丝 。 热激活镍钦丝应用较晚 , 尚无相应 的 ⋯翻’即 圈 不 同材质的成品弓丝截面尺寸相同时 刚度与工作范围的比较 数据 , 其刚度介 于超 弹性镍钦丝 与麻花 丝之 间 , 工 作范 围应 比超弹性镍钦丝更大 。 、不同材质正畸弓丝的可弯曲性 可弯曲性与弹性 相 对 应 。 弹性好 的金 属 丝 难 于弯曲 , 易于弯曲的弓丝 弹性差 。 若将 弓丝 的可弯 曲性 分为 一 级 , 级代表可弯曲性 最好 , 则相同截面尺寸 的不 同材质 弓丝 的可弯 曲性 从小到大顺序为 超弹性镍钦丝 热激活镍钦丝 不锈钢多股麻花丝 普通镍钦丝 日钦丝 普通不锈钢丝 热处理不锈钢丝 、不 同材质正畸弓丝 的力水平 弓丝 的力分为二种 , 一种为加载力 , 即人槽力 , 另一种为减载力 即工作 力 。 加载力是使 弓丝形变 并结扎人槽沟时医师所感受到 的力 减载力是 弓丝 回复原来的形状 的过程所释放 的力 , 是患者感觉到 的移动牙齿的力 。 由于牙周膜 的弹性 , 牙齿具有一 定的动度 , 当弓丝人槽结扎之后 , 牙齿会在牙周膜 内发生小时的即刻移动 , 因而减载开始时 弓丝释放 的力水平有一小量的直线降低 。 加载力 不 同材质 弓丝截面尺寸相 同且形 变相同时加载力相对值从小到大的顺序如下 代 表加载力最大 不锈钢多股麻花丝 热激活镍钦丝 超弹性镍钦丝 普通镍钦丝 俘钦丝 ·