评价正畸弓丝各种性质的指标

评价弓丝性质的指标主要指机械性能和生物性能。机械性能是对弓丝力学作用的反映,包括弓丝的截面及尺寸、弓丝的弹性模量、形状记忆合金的相变温度、弓丝的热处理、摩擦力等等。生物性能主要指弓丝在腐蚀过程中离子的释放对生物体的影响。

弓丝的截面和尺寸

正畸弓丝根据截面可以分为圆丝和方丝,正畸圆丝由带型材料拉伸制成,方丝是在圆丝的基础上再经过滚压制成,所以在方丝的截面上会有一定程度的弧度,不同的弓丝、不同厂家产品的弧度不一样。这个弧度在临床应用转矩力时会有一定的影响。

弓丝的尺寸对圆丝而言是指截面的最大径,对方丝而言是指截面的长和宽,一般用英制单位表示。笔者曾对不同进口及国产弓丝的尺寸精度进行测量,结果是令人满意的。对同一种品牌弓丝来说,尺寸越大的弓丝在相同形变下可以产生更大的矫治力,但在不同品牌弓丝之间这个原则不一定适用,尤其是镍钛丝,有的品牌大尺寸的弓丝产生的矫治力反而比其他品牌小尺寸弓丝还要小,这个在选择镍钛丝时要有所考虑。对于方丝而言,在产生转矩力时,我们需要考虑其截面的大小,因此需要注意0.017英寸×0.022英寸与0.017英寸×0.025英寸的方丝之间的区别。

弹性模量及工作范围

弹性模量是指在无限受压的情况下,应力与相应应变之间的比值,确切地说,它反映物体在受力方向上的力学性质,是反映对弹性形变的抵抗能力的物理量。对它的测量方法很多,研究弓丝多采用悬臂梁试验(Cantilver,美国国家标准局及美国牙科协会标准ANSI/ADA第32号),记录弓丝从受力到屈服点之前的应力应变。屈服点指弓丝产生最小永久形变时的弯曲度,这个指标也相当于牵张试验中的屈服点,其相应的力值称为屈服力。悬臂梁试验是有一定斜率的直线,经典图例中横坐标是加载力值,纵坐标为弓丝形变。临床更关心的是在达到最大屈服点之前的情况,这一段的弹性性能是产生矫治力的来源。

弓丝的热处理

弓丝热处理是一种退火的过程,其目的是消除残余应力,增加强度,稳定尺寸。由于弓丝的拉伸加工,正畸弓丝具有典型的锻造微结构,原材料的等轴晶体结构经过机械加工后不复存在。在光镜或电镜下,可以看到煅造后晶体在平行于拉伸方向上紧密排列。这种结构是正畸临床产生合适矫治力及维持力学性质的基础。合理的弓丝热处理不会破坏这种晶体结构。但如果将不锈钢丝加热到700℃以上,弓丝会由于晶格重组而失去这种煅造微结构,迅速变软。临床中,应当使用电阻式的点焊机来进行有控制的热处理。不锈钢丝、钴铬镍合金丝及部分的镍钛丝都可以进行热处理。

形状记忆性与马氏体相变

20世纪中叶,美国和前苏联在空间领域展开激烈竞争。美国制定了雄心勃勃的“阿波罗”登月计划。但要实现月球与地球之间的信息沟通,就必须在月球表面安放一个庞大的抛物线形天线,可是在小小的登月舱内无论如何也放不下这个庞然大物。这在当时一度成为登月工程中的关键性技术难题之一。1963年,美国海军军械研究室发明了第一代形状记忆合金Nitinol,给这个难题的解决带来了契机。科学家先把这种合金做成所需的大半球形展开天线,然后冷却到一定温度下,使它变软,再施加压力,把它弯曲成一个小球,使之在飞船上只占很小的空间。登上月球后,利用阳光照射的温度,使天线重新展开,恢复到大半球的形状。1969年7月20日,乘坐“阿波罗-11号”登月舱的美国宇航员阿姆斯特朗在月球上踏下的第一个人类的脚印时说:“ 对我个人来说,这只是迈出的一小步;但对全人类来说,这是跨了一大步 ”,阿姆斯特朗当时的这段图像和声音就是通过形状记忆合金制成的天线从月球传输回地面的。

形状记忆合金(shape memory alloys,简称SMA)是一种能够记忆原有形状的智能材料。当合金在低于相变温度时,受到一有限度的塑性变形后,可由加热的方式使其恢复到变形前的原始形状,这种特殊的现象称为形状记忆效应(shape memory effect,简称SME)。而当合金在高于相变态温度时,施以一应力使其受到有限度的塑性变形(非线性弹性变形)后,可利用直接释放应力的方式使其恢复到变形前的原始形状,这种不通过加热即恢复到原先形状的相变,看起来像弹性变形,但与传统材料的弹性有本质不同,其应力-应变曲线是非线性的,如果应变部分恢复,称为相变伪弹性,或拟弹性(pseudo elasticity,简称PE),如果其应变可以完全恢复也称为超弹性(super elasticity)。这两种形状记忆合金所拥有的独特性质在普通金属或合金材料上是无法找到的。

形状记忆合金为什么能具有这种不可思议的“记忆力”呢?目前的解释是因这类合金具有马氏体相变(martensitic transformation)。凡是具有马氏体相变的合金,将它加热到相变温度时,就能从马氏体结构转变为奥氏体结构,完全恢复原来的形状。镍钛形状记忆合金在一定范围内发生塑性变形后,经过加热到某一温度之上,能够恢复变形,其实质也是热弹性马氏体相变。镍钛合金的低温相为马氏体,柔软且易变形,镍钛合金的高温相为奥氏体(母相),比较硬。冷却过程中,母相会转变为孪晶马氏体,该马氏体在外应力下容易变形成某一特定形状;加热时,已发生形变的马氏体会回到原来的奥氏体状态,这就是宏观的形状记忆现象。

马氏体相变最初是在钢(中、高碳钢)中发现的,将钢加热到一定温度(形成奥氏体)后经迅速冷却(淬火),会得到能使钢变硬的一种淬火组织。1895年法国人奥斯蒙(F.Osmond)为纪念德国冶金学家马滕斯(A.Martens),把这种组织命名为马氏体(Martensite)。人们最早只把钢中由奥氏体转变为马氏体的相变称为马氏体相变。20世纪以来,对钢中马氏体相变的特征累积了较多的知识,又相继发现在某些纯金属和合金中也具有马氏体相变,如Ce、Co、Hf、Hg、La、Li、Ti、Tl、Pu、V、Zr和Ag-Cd、Ag-Zn、Au-Cd、Au-Mn、Cu-Al、Cu-Sn、Cu-Zn、In-Tl、Ti-Ni等。目前广泛地把基本特征属马氏体相变型的相变产物统称为马氏体。

最早研究成功的形状记忆合金是NiTi合金(NiTinol)。大部分用于正畸丝的记忆合金主要为以镍钛为基质的合金丝,某些金属元素与Ni、Ti结合也具有“形状记忆”的能力,如铜基形状记忆合金(如 Cu-Zn-Al和 Cu-Al-Ni),铁基形状记忆合金。

相变温度

引发马氏体开始相变的温度称为相变温度,严格讲相变温度不是一个点,而是一个区间,称为相变温度范围(transformation temperature range,TTR)。马氏体与奥氏体之间的相变,是形状记忆合金的重要特征。奥氏体是相对规则的金相结构,马氏体的金属相较无序,引发两种金相结构之间相互转化可以是应力或者温度,从马氏体转化成奥氏体时的应力或者温度与从奥氏体转化成马氏体时并不相同,应力或温度之间的差异称为滞后(hysteresis)。一般临床利用镍钛丝记忆效应时,都需要在口腔温度下完成向奥氏体的转变。

从镍钛丝被发明起,相变就是弓丝客观存在的性质之一。但由于工艺、材质等因素,相度温度的高低差异非常的大,有的可以高达几百摄氏度。因此对于正畸临床来说,并不是所有镍钛丝的相变温度都具有临床可操控性,例如低于冰点或者高于口腔温度过多都是临床不容易实现的。这种在临床不能实现相变温度的镍钛丝,只能利用其拟弹性或超弹性,但不具备记忆性。如果需要利用镍钛丝的记忆性,其相变温度首先应当在临床可操控的范围之内。

90年代后,许多大型正畸材料公司相继推出相变温度可以临床控制的弓丝,称为热激活型镍钛丝,这种弓丝在低温下柔软,有利于临床操作,温度升高时,恢复原有形状,应力增加,产生矫治力。镍钛丝的相变温度可以有多种不同的设计,以Ormco为例,有17℃、22℃、35℃、40℃等不同相变温度的种类,我们将在后面讨论如何选择这些型号。

弓丝的弯制性能

具有记忆特性的镍钛矫正弓丝出厂时其被制作成了一定的形状。在低温下加载形变,一旦受热就会恢复到原来形状。但形状记忆合金在有些情况下也可以发生永久性变形,这种永久性变形一般情况下应当避免,但有时候也可以被利用。

两种方式可以让镍钛丝产生永久性形变:加载过大的应力和弓丝的热处理。通过较大的加载力使镍钛丝产生永久性变形,需要的时间比较长,也比较费力。在加载外力的情况下,通过瞬间加热处理使镍钛丝重新定形的方法则相对简单、省时,更适合临床使用。

在镍钛丝受到约束(如受力)时,一般情况下,当受到比Af点(Af表示加热时马氏体相转变的终了温度)高60℃以上的温度时则形变产生的应力超过丝材本身的屈服应力,与形变过大时的情况一样,合金形状记忆特性被部分影响,弓丝将产生永久性变形。这种过程一般需要有特殊的热处理仪来完成,利用这种仪器,我们可以在镍钛丝上进行曲的弯制。

耐腐蚀及生物相容性

任何合金都存在不同金属间电位差的问题,都会有电化学腐蚀的可能。腐蚀的过程有快有慢。腐蚀会导致金属离子进入周围机体组织,影响细胞内的生物化学反应。同时腐蚀产物和腐蚀电流会刺激组织,影响机体的新陈代谢。如果腐蚀产物中含有毒性离子,问题会更严重。金属材料的抗蚀性及其合金组成是决定其生物相容性的两大因素。一般来说,镍钛合金材料中,镍(Ni)元素具有一定的生物毒性,而且有许多人对这种毒素过敏。因此,耐腐蚀性越好的弓丝,其生物毒性或引起过敏的可能性也越小。

镍钛合金的生物相容性和腐蚀行为与其表面状态密切相关。一般情况下,镍钛合金因钝化表面有一层氧化膜,这层氧化膜有助于使镍钛合金在生理环境下保持相对惰性。但据报道,镍钛合金表面因钝化自然形成的氧化膜并非很理想,这层氧化膜容易发生变形和脱落。通过不同的表面处理可以改变这一氧化层的厚度、形貌和化学组成,从而进一步增强其钝性。但这种处理对植入型的镍钛材料可能更有意义,口腔镍钛丝由于是体表接触,因此并不是一个重要的考虑因素。

弓丝的摩擦力

弓丝的摩擦力也因为弓丝的性质、生产工艺有很大的差异,一般而言,不锈钢丝具有最小的摩擦力,β钛合金丝和镍钛合金丝有较大的摩擦力。摩擦力是影响正畸临床治疗的重要因素,虽然影响的机制目前还没有定论,但临床上还是希望使用摩擦力最小的弓丝。有许多表面处理工艺可以用来降低摩擦力,例如电化学抛光、表面镀层、机械抛光等。

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