不锈钢、钴铬镍合金、β钛丝及镍钛丝正畸弓丝的选择

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。

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