鎳鈦合金絲的特性及其在口腔正畸領(lǐng)域的臨床應(yīng)用

鎳鈦合金絲的特性及其在口腔正畸領(lǐng)域的臨床應(yīng)用鎳鈦合金因其優(yōu)越的超彈性，形狀記憶功能，抗腐蝕能力，以及良好的生物相容性和減震特性，廣泛地應(yīng)用于口腔正畸領(lǐng)域。 
(一) 鎳鈦合金的相變與性能

    顧名思義，鎳鈦合金是由鎳離子和鈦離子組成二元合金，由于受到溫度和機(jī)械壓力的改變而存在兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)相，即奧氏體相（Austenite）和馬氏體相(Martensite). 鎳鈦合金冷卻時(shí)的相變順序?yàn)槟赶啵▕W氏體相）-R相-馬氏體相。 R相是菱方形，奧氏體是溫度較高（大于同樣地:即奧氏體開始的溫度）的時(shí)候，或者去處載荷（外力去除Deactivation）時(shí)的狀態(tài)，立方體，堅(jiān)硬。形狀比較穩(wěn)定。而馬氏體相是溫度相對(duì)較低（小于Mf:即馬氏體結(jié)束的溫度）或者加載（受到外力活化）時(shí)的狀態(tài)，六邊形，具有延展性，反復(fù)性，不太穩(wěn)定，較易變形。 因此臨床上確定鎳鈦合金弓絲的相變溫度具有積極的指導(dǎo)意義，以便臨床醫(yī)生能更好地利用鎳鈦合金的性能進(jìn)行臨床正畸治療。

(二) 鎳鈦合金的特殊性能

    1、形狀記憶特性（shape memory） 形狀記憶是當(dāng)一定形狀的母相由Af溫度以上冷卻到Mf溫度以下形成馬氏體后，將馬氏體在Mf以下溫度形變，經(jīng)加熱至Af溫度以下，伴隨逆相變，材料會(huì)自動(dòng)恢復(fù)其在母相時(shí)的形狀。實(shí)際上形狀記憶效應(yīng)是鎳鈦合金的一個(gè)由熱誘發(fā)的相變過程。

    2、超彈性 (superelastic) 所謂的超彈性是指試樣在外力作用下產(chǎn)生遠(yuǎn)大于起彈性極限應(yīng)變量的應(yīng)變，在卸載時(shí)應(yīng)變可自動(dòng)恢復(fù)的現(xiàn)象。即在母相狀態(tài)下，由于外加應(yīng)力的作用，導(dǎo)致應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變發(fā)生，從而合金表現(xiàn)出不同于普通材料的力學(xué)行為，它的彈性極限遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通材料，并且不再遵守虎克定律。和形狀記憶特性相比，超彈性沒有熱參與?？偠灾?，超彈性是指在一定形變范圍內(nèi)應(yīng)力不隨應(yīng)變的增大而增大，臨床上則表現(xiàn)為弓絲在形變過程中產(chǎn)生的矯治力保持恒定，不再隨牙齒向矯治方向的移動(dòng)而逐漸喪失。 按照超彈性所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的特點(diǎn)，可將超彈性分為線性超彈性和非線性超彈性兩類。前者的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)力與應(yīng)變接近線性關(guān)系。非線性超彈性是指在Af以上一定溫度區(qū)間內(nèi)加載和卸載過程中分別發(fā)生應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變及其逆相變的結(jié)果，因此非線性超彈性也稱相變偽彈性。鎳鈦合金的相變偽彈性可達(dá)8%左右。 鎳鈦合金的超彈性可隨著熱處理的條件的變化而改變，當(dāng)弓絲被加熱到400oC以上時(shí)，超彈性開始下降。當(dāng)熱處理溫度超過600oC時(shí)，超彈性基本小時(shí)。根據(jù)這一特點(diǎn)，臨床上可對(duì)弓絲的非矯治區(qū)進(jìn)行熱處理而使其失去超彈性，這樣可避免矯治過程對(duì)非矯治區(qū)牙齒的影響，而矯治區(qū)的弓絲仍具有良好的彈性。

    3、口腔內(nèi)溫度變化敏感性： 不銹鋼絲和CoCr合金牙齒矯形絲的矯治力基本不受口腔內(nèi)溫度的影響。超彈性鎳鈦合金牙齒矯形絲的矯治力隨口腔溫度的變化而變化。當(dāng)變形量一定時(shí)。溫度升高，矯治力增加。一方面，它可以加速牙齒的運(yùn)動(dòng)，這是因?yàn)榭谇粌?nèi)的溫度變化會(huì)刺激由于矯治器件造成造成毛細(xì)滯息的血流停滯部位的血液流動(dòng)，從而使得在牙齒移動(dòng)過程中修復(fù)細(xì)胞得到充分營養(yǎng)，維持其生機(jī)和正常功能。另一方面，正畸醫(yī)生無法精確控制或測量口腔環(huán)境下的矯治力。

    4、抗腐蝕性能：有研究表明鎳鈦絲的抗腐蝕性能與不銹鋼絲相仿

    5、抗毒性： 鎳鈦形狀記憶合金特殊的化學(xué)組成,即這是一種鎳鈦等原子合金,含約50% 的鎳, 而已知鎳有致癌和促癌作用。一般情況情況下，表面層鈦氧化充當(dāng)了一種屏障，使Ni-Ti合金具有良好的生物相容性。表面層的TiXOy和TixNiOy能抑制Ni的釋放。

    6、柔和的矯治力： 目前商業(yè)上應(yīng)用的牙齒矯形金屬絲包括奧氏體不銹鋼絲、鈷-鉻-鎳合金絲、鎳鉻合金絲、澳大利亞合金絲、金合金絲和?鈦合金絲。關(guān)于這些正畸矯正金屬絲在拉伸試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)條件的載荷-位移曲線。鎳鈦合金的卸載曲線平臺(tái)最低也最平，說明它最能提供持久柔和的矯治力。

    7、良好的減震特性： 由于咀嚼及夜磨牙對(duì)于弓絲造成的震動(dòng)越大，對(duì)牙根及牙周組織的損害越大。通過不同弓絲衰減實(shí)驗(yàn)的結(jié)果研究發(fā)現(xiàn)，不銹鋼絲震動(dòng)的振幅比超彈性鎳鈦絲大，超彈性鎳鈦弓絲初始震動(dòng)振幅僅為不銹鋼絲的一半, 弓絲良好的震動(dòng)和減震特性對(duì)于牙齒的健康很重要，而傳統(tǒng)弓絲如不銹鋼絲，有加重牙根吸收的傾向。

（三）鎳鈦合金絲的分類 Evans and Durning 分類法

    1）1940年，黃金弓絲、鈷鉻合金絲和不銹鋼圓絲

    2）1960年，馬氏體穩(wěn)定化合金： 多為鎳鈦合金在馬氏體狀態(tài)下變形后制得。該種弓絲剛度低，可產(chǎn)生較輕的矯治力。不存在由應(yīng)力或者溫度引起的馬氏體相變，因此不呈現(xiàn)記憶效應(yīng)和超彈性。

    3）1980年，中國鎳鈦合金和日本鎳鈦合金弓絲，為奧氏體激活合金： 即在任何狀態(tài)下都呈現(xiàn)奧氏體狀態(tài)，置于口內(nèi)和口外都不具有由溫度引起的馬氏體狀態(tài)，馬氏體狀態(tài)只能由應(yīng)力引起，具有超彈性，但是不具備形狀記憶功能。該種弓絲有極佳的回彈性及較低的剛度，能產(chǎn)生較弱的矯治力，。作大的特點(diǎn)是從最初的啟動(dòng)到最后階段，其產(chǎn)生的力持續(xù)恒定，在治療早期牙齒不整齊時(shí)，效果較好。去點(diǎn)是常溫下無法彎制成型，不易焊接。若將該公司作為主弓絲，?？梢鸩幌Ｍ臄U(kuò)弓或者縮弓，且難以建立良好的前磨牙、磨牙排列。

    4）1990年，馬氏體激活鎳鈦合金： 即TTR低于口腔溫度或者與口腔溫度非常相近，在室溫時(shí)以一種多元狀態(tài)存在，易于變形，置于口腔內(nèi)時(shí)，由應(yīng)力引起的和室溫引起的馬氏體同時(shí)向奧氏體轉(zhuǎn)變，即存在形狀記憶功能和超彈性。在常溫（25oC左右）及以下溫度易于變形，而當(dāng)達(dá)到一定溫度（32oC左右）以上，又會(huì)恢復(fù)到原來預(yù)成形狀，表現(xiàn)出形狀記憶加超彈性特性。北京圣瑪特科技有限公司的Smart牌和3M公司的Nitinol HA牌都是典型的代表產(chǎn)品。熱激活鎳鈦弓絲正因?yàn)檫@種特性，將其維持在常溫及以下溫度狀態(tài)可以輕松操作成型，并安放到托槽中就位，而當(dāng)在口腔中受體溫?zé)崃慷せ詈?，可產(chǎn)生出形狀恢復(fù)力，又為矯形提供所需的力量。因熱激活型鎳鈦矯形絲所具有的“遇冷變軟，受熱激活而變得彈性大”的特點(diǎn)，患者可以在醫(yī)生的指導(dǎo)下，利用口含冷、熱水的方式改變矯治力，更加方便了矯治者的矯正，減少了初期矯治的不適感。

    5）Graded thermodynamic: 增加的熱力學(xué)鎳鈦合金： 將TTR溫度高于口腔溫度，大概是40oC左右，這樣，當(dāng)鎳鈦弓絲置于口腔內(nèi)時(shí)，仍然為多元狀態(tài)，弓絲較為柔軟，在口含熱水時(shí)，才有奧氏體相變。因此，矯治力更加弱，可以作為成人患者和牙周病患者的初始弓絲。Omcro公司生產(chǎn)的含銅鎳鈦絲以及日本低滯后L-H鎳鈦弓絲便具有此種性能。

 （四）鎳鈦合金絲的臨床應(yīng)用：

    1、用于患者牙列的早期排齊整平由于鎳鈦合金弓絲的超彈性和形狀記憶性能以及較低的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，目前臨床上常規(guī)將鎳鈦合金弓絲作為最初期納入矯治體系的弓絲，這樣，患者的不適感會(huì)大大減低。由于目前存在幾種不同直絲弓矯治技術(shù)，MBT技術(shù)推薦使用0.016英寸熱激活鎳鈦合金弓絲（HANT絲），DEMON自鎖托槽技術(shù)推薦使用由Omcro公司生產(chǎn)的含銅的熱激活鎳鈦合金弓絲（相變溫度大概在40度左右），O-PAK矯治技術(shù)推薦使用0.016英寸超彈性鎳鈦合金弓絲用于早期排齊整平。

    2、鎳鈦彈簧： 鎳鈦推簧與拉簧是一種用于牙齒正畸的彈簧，具有鎳鈦超彈性的特別，適合于正畸矯治開拓牙齒間的間隙和向不同方向牽拉牙齒。 鎳鈦螺旋彈簧伸長1mm可產(chǎn)生大約50g的力。鎳鈦螺旋彈簧具有很高的彈性性能，在拉伸狀態(tài)下可產(chǎn)生較為柔和、穩(wěn)定的持續(xù)力。力的衰減很小，能產(chǎn)生符合臨床移動(dòng)牙齒所需的較理想的正畸力。符合生理要求。鎳鈦絲拉簧的高彈性、永久變形率極低,與相同直徑的不銹鋼絲相比, 其釋放的矯治力相差3. 5- 4 倍。故在正畸矯治應(yīng)用中, 患者不僅疼痛輕,感覺力量柔和持久,且復(fù)診時(shí)間減少,縮短了療程,提高了療效,是正畸治療中的一種新的優(yōu)良的力學(xué)裝置。

    3、L-H弓絲 是日本的Dr. Soma等研究開發(fā)的，由Tomy公司生產(chǎn)。“LH”是名自“Low Hysteresis”,也就是說，當(dāng)此弓絲當(dāng)此弓絲被結(jié)扎到托槽上時(shí)，即弓絲被激活時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力和移動(dòng)牙齒時(shí)即弓絲慢慢恢復(fù)原狀時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力的差距很小。即滯后很小。SOMA等比較了LH弓絲和其他鎳鈦合金絲的應(yīng)力應(yīng)變曲線， L-H弓絲的滯后范圍最小，這一特性使弓絲有低載荷和持續(xù)輕力的優(yōu)勢，同時(shí)該曲線初始斜度低，說明該弓絲剛度低，其余類型的鎳鈦合金弓絲的滯后曲線表明其剛性較大，顯然L-H弓絲有明顯的機(jī)械學(xué)優(yōu)勢。 由于LH絲鎳鈦成分中鈦的含量比例較一般鎳鈦弓絲高，因此將其稱之為鈦鎳絲，并有實(shí)驗(yàn)證明其吸震效果較強(qiáng)。 LH鎳鈦絲的另一個(gè)特點(diǎn)是可以彎制，并可以用熱處理儀器加熱定型，因此LH鎳鈦絲也可以從排齊整平、打開咬合到關(guān)閉間隙，以及最后的完成階段，上下各一條弓絲即可以完成治療，只要每一個(gè)階段將弓絲取出彎好所需的形狀，再用熱處理儀器將之定形，加強(qiáng)硬度即可。 目前在臨床上使用L-H弓絲進(jìn)行擴(kuò)弓治療，矯治開頜、偏頜以及反頜，因其力量的持續(xù)穩(wěn)定和柔和，效果較好。同時(shí)常常配合使用J鉤來改善弓絲較軟的不足。雖然MEAW技術(shù)對(duì)于矯治以上錯(cuò)頜也有理想的效果，但繁復(fù)的弓絲彎制常使許多醫(yī)師望而卻步。因此有些醫(yī)師改采用與力學(xué)系統(tǒng)類似的搖椅型鎳鈦弓絲加上前牙垂直牽引，雖然這樣也有類似的效果，但總覺得與MEAW比較時(shí)，各個(gè)獨(dú)立的牙移動(dòng)的方面不如MEAW技術(shù)，原因在于搖椅型鎳鈦絲是一條連續(xù)的弓絲，并且亦沒有辦法彎折。因此，托槽粘接的角度與弓絲的搖椅曲度決定了每一顆牙齒的角度，不像MEAW技術(shù)中每一個(gè)牙齒的角度較有個(gè)別調(diào)整的空間。使用LH鎳鈦彎上搖椅，再用弓絲成形器在口內(nèi)彎折后傾彎或者前傾彎，效果相當(dāng)理想。