Сравнительные качества ортодонтических дуг

* Градус изгиба с радиусом 1/4 дюйма перед постоянной деформацией.

^а По начальному эластичному отрезку кривой усилия отклонения.

^b Рассчитанный модуль.

В конце 1980-х годов появились новые никель-титановые дуги с активной аустенитовой зернистой структурой. Такие дуги отлича­ются удивительным качеством сплавов NiTi — суперэластичностью, которая подтверждается большой реверсивной деформацией и не­эластичной кривой нагрузки—деформации или силы—отклонения. Согласно отчету Burstone, такой разработанный в Китае сплав NiTi отличался кривой силы—отклонения, изображенной на рисун­ке 10-5². Миура описывал схожие качества аустенитового NiTi (стентинол), изготовленного в Японии³, и эквивалентные качества обнаружены у распространяемых в настоящее время других аустенитовых дуг. Эта группа в дальнейшем будет называться A-NiTi. Обратите внимание на рисунке 10-5, что в значительном диапазоне отклонения оказываемое A-NiTi усилие варьируется очень незна­чительно. Это означает, что проволочная дуга будет оказывать то же самое усилие при относительно малом или большом отклонении, что является уникальным и крайне желательным качеством.

Рис. 10-5. График момента изгиба по отношению к отклонению для ортодонтических дуг 16 мил (черный цвет — нержавеющая сталь; красный пунк­тир — стабилизированный мартенситовый NiTi (нитинол); красный цвет — аустенитовый NiTI (китайский NiTI). Обратите внимание, что после дости­жения начального уровня усилия A-NiTi имеет значительно более плоскую кривую нагрузки—отклонения и большую отдачу, чем M-NiTi, который, в свою очередь, обладает большей отдачей, чем сталь. (Цит. по: Burstone CJ et al: Am J Orthod 87:445-452, 1985.)

Уникальная кривая силы—отклонения для A-NiTi возникает благодаря фазе перехода в зернистой структуре от аустенита к мар­тенситу в ответ не на температурное изменение, а на приложенное усилие. Данная трансформация является механическим аналогом термически обусловленного эффекта запоминания формы. Иными словами, аустенитовый сплав претерпевает трансформацию внут­ренней структуры в ответ на нагрузку, не требуя значительного температурного изменения (что возможно благодаря тому, что у дан­ных материалов температура перехода очень близка к комнатной температуре). Такая обусловленная нагрузкой мартенситовая трансформация подтверждается почти пологим участком кривой нагрузки—отклонения. Для суперэластичных изменений это играет значительную роль (рис. 10-6).

Рис. 10-6. Кривая нагрузки-деформации, демонстрирующая суперэлас­тичность A-NiTi при трансформации от аустенита к мартенситу, обуслов­ленной нагрузкой. Отрезок А—В представляет чисто эластичную деформа­цию в аустенитовой фазе (обратите внимание на рисунке 10-5, что в данной фазе жесткость A-NiTi больше, чем M-NiTi). Нагрузка в точке В является минимальной нагрузкой, при которой начинает происходить трансформа­ция в фазу мартенсита. В точке С трансформация завершается. Разница между уклоном А—В и В—С обозначает легкость, с которой происходит трансформация. После завершения трансформации мартенситовые струк­туры претерпевают эластичную деформацию при непрерывной нагрузке, представленную на отрезке C-D (однако на ортодонтические дуги нагруз­ка в этом участке почти никогда не оказывается, и данная часть графика при иллюстрации реакции ортодонтических проволочных дуг обычно не видна). В точке D достигается предел нагрузки фазы мартенсита и происхо­дит пластическая деформация материала до разрыва в точке E. Если нагруз­ка ослабевает перед достижением точки D (что соответствует точке С¹), то по линии С¹—F происходит эластичная разгрузка мартенситовой структу­ры. Точка F обозначает максимальную нагрузку, при которой может проис­ходить разгрузка мартенситовой структуры, и в этой точке начинается ре­версивная трансформация в аустенит, продолжающаяся до точки G, где структура аустенита полностью восстанавливается. Отрезок G-H обознача­ет эластичную разгрузку аустенитовой фазы. Небольшой отрезок общей де­формации невозможно восстановить из-за необратимых изменений в ходе нагрузки или разгрузки.

Рис. 10-7. Кривая активации (непрерывная линия) и деактивации (пунк­тир) для дуги A-NiTi. Обратите внимание на изменение кривых разгрузки при разных активациях (т.е. на жесткость разгрузки влияет степень актива­ции). Жесткость разгрузки для стальных дуг, а также дуг бета-Ті и M-NiTi одинакова для всех активаций. (Цит. по: Burstone CJ et al: Am J Orthod 87:445-452, 1985.)

Частью необычной природы таких суперэластичных материа­лов, как A-NiTi, является то, что кривая их разгрузки отличается от кривой нагрузки (т.е. реверсивность характеризуется потерей энергии, ассоциируемой с гистерезисом) (рис. 10-7). Это означа­ет, что обеспечиваемое усилие не равно усилию, используемому для активации. Разница кривых нагрузки и разгрузки производит еще более значительный эффект, так что прилагаемое дугой A-NiTi усилие может быть изменено в ходе клинического исполь­зования лишь посредством его ослабления и повторного натяже­ния (рис. 10-8).

Рис. 10-8. Кривые активации (до 80°) и реактивации (до 40°) для аустенитовой дуги NiTi. В каждом случае кривая нагрузки изображена непрерывной линией, а кривая разгрузки — пунктирной. Кривая разгрузки обозначает уси­лие, которое прилагается к зубу. Обратите внимание, что степень усилия, оказываемого отрезком дуги A-NiTi, которая предварительно была активи­рована до 80°, может быть значительно усилена при откреплении ее от брекета и затем при повторном прикреплении, что является уникальным каче­ством данного сплава. (Цит. по: Burstone CJ et al: Am J Orthod 87:445-452, 1985.)

Для ортодонта изгибание дуги A-NiTi в классическом смысле этого слова практически невозможно, поскольку такая дуга не под­лежит пластической деформации без применения довольно боль­шого усилия (см. рис. 10-6). Однако дуге может быть придана фор­ма и ее свойства могут быть изменены при увеличении ее темпера­туры. Это может быть сделано в клинической установке посред­ством изгиба дуги при прохождении через нее электрического тока при использовании модифицированных ортодонтических плоско­губцев в качестве электродов⁴. Миура продемонстрировал, что можно переместить зубы в положение желаемой окклюзии, на мо­дели при установке брекетов, натяжении дуги A-NiTi в брекетах с последующей термической обработкой дуги таким образом, чтобы она запомнила свою форму, когда зубы находятся в желаемом положении⁵. В этом случае дуга обладает всеми качествами «отде­лочных изгибов», обычно требуемых на последних этапах лечения. По меньшей мере теоретически это позволяет производить некото­рые виды лечения при помощи единственной дуги, постепенно пе­ремещая зубы в заданное положение. Концепция здесь та же, что и при оригинальном подходе к дуговому расширению Edward Angle, который предусматривает те же самые ограничения.

Свойства A-NiTi быстро сделали его наиболее предпочтитель­ным материалом для ортодонтического применения, где необхо­дим большой диапазон активации с относительно постоянным уси­лием (например, для начальных проволочных дуг и спиральных пружин). M-NiTi сохраняет свою эффективность в первую очередь на последних этапах лечения, когда требуются эластичные, но большие и более жесткие дуги.

Рис. 10-9. Кривая силы-отклонения NiTi дуг различных фирм. Дуги Orthonol фирмы RMO и Titanal фирмы Lancer мартенситные, поэтому име­ют кривые эластичности, а не суперэластичности. Обратите внимание, что дуга Sentalloy фирмы GAC имеет классическую кривую суперэластичности и низкие значения сил, в то время как другие A-NiTi дуги — значительно бо­лее низкую суперэластичность и значения сил выше оптимальных. При от­сутствии данных исследований к рекламе ортодонтических дуг нужно отно­ситься с большой осторожностью. В отличие от другой медицинской аппа­ратуры, для производства ортодонтических дуг не требуется доказательств ихдействия. (Цит. по: Thayer et al.: AmJ Orthod Dentofac Orthop 107:604-612, 1995.)

На эластичные качества дуги наличие изгибов влияния не ока­зывает. Посредством термического воздействия на сегмент можно изменить суперэластичные качества участка проволочной дуги. Это обеспечивается пропусканием электрического тока по отрезку между электродами, прикрепленными к дуге (рис. 10-9)⁶.

Бета-титан. В начале 1980-х годов после нитинола, но перед A-NiTi в ортодонтическую практику был введен новый титановый сплав бета-титан. Такой материал, бета-Ті, был разработан в пер­вую очередь для ортодонтического использования. Он представля­ет собой крайне выгодную комбинацию силы и эластичности (т.е. прекрасную упругую деформацию), а также характеризуется при­емлемой деформируемостью. Это делает его прекрасным материа­лом для дополнительных пружин и промежуточных дуг, особенно прямоугольных дуг на последних стадиях лечения. Как показано в таблице 10-1, во многом его свойства находятся между свойства­ми нержавеющей стали и сплава M-NiTi.

Композитные пластмассы. Прогресс в ортодонтических эластичных материалах может ожидаться в 1990-х годах. Новые ортодонтические материалы в последние годы были заимствованы из космических технологий. В 1970-х и 1980-х годах высокотехноло­гичные летательные аппараты производились на основе титановых сплавов, однако современное поколение такой техники изготавли­вается из композитных пластмасс, и есть все основания полагать, что ортодонтические дуги из таких же материалов в будущем най­дут широкое клиническое применение. Сейчас стало возможным выпускать пластиковые дуги как круглого, так и прямоугольного сечения, с более высокой прочностью и с лучшим пружинящим эф­фектом, чем металлические⁷. Свойства пластика можно изменить до такой степени, что скоро будут выпущены и пластиковые лига­туры для фиксации дуги к брекету, которая не оказывает дополни­тельного силового воздействия, что позволит значительно снизить трение (см. ниже). Еще одним преимуществом пластиковых дуг яв­ляется то, что они могут иметь цвет зуба, что имеет эстетическое значение. Форму пластиковых дуг, как и металлических, практиче­ски невозможно изменить после того, как они были сделаны на за­воде, что вызывает некоторые клинические сложности. Более деся­тилетия прошло с момента выпуска никель-титановых дуг, прежде чем они стали рутинно применяться в клинике. Такое же время мо­жет потребоваться и для внедрения пластиковых дуг в ортодонтиче­скую практику.