DE2910021A1 - Orthodontischer draht und damit hergestellte orthodontische vorrichtung - Google Patents
Orthodontischer draht und damit hergestellte orthodontische vorrichtungInfo
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Description
Orthodontischer Draht und damit hergestellte orthodontische
Vorrichtung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Vorrichtungen,
die in der Zahnheilkunde benutzt werden, und betrifft insbesondere neue und verbesserte Vorrichtungen, die hauptsächlich
in der Orthodontie benutzt werden, aber auch in der Prothetik und Mundchirurgie Anwendung finden.
Bekanntlich werden orthodontische Vorrichtungen zum Behandeln gewisser Zähne benutzt, um Unregelmäßigkeiten und/
oder Anomalien in ihren Beziehungen zu umgebenden Teilen zu korrigieren. Das wird durch die Verwendung von Kraftsystemen
erreicht, die ihren Ursprung hauptsächlich in elastisch verformten Drähten haben, welche während der Belastung
und Entl-astung Energie absorbieren und freisetzen. Bislang werden die kraftausübenden Drähte, welche bei der
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orthodontischen Behandlung benutzt werden, hauptsächlich aus
Drähten aus rostfreiem Stahl des Typs 18-8 hergestellt, bei welchen von den Biege- und Torsionseigenschaften dieses Drahtes
vorteilhafter Gebrauch gemacht wird.
Gemäß dem Aufsatz von CJ. Burstone et al, "Force Systems From
An Ideal Arch", American Journal of Orthodontics, Band 65, S.270-289 (1974), erfordert die richtige Anwendung der korrekten
Kräfte nicht nur die Erforschung von geeignet konturierten und klinisch dimensionierten Formen oder Konfigurationen
zusammen mit Änderungen in den QuerSchnittsabmessungen
des kraftausübenden Drahtes, sondern auch ein besseres Verständnis der mit orthodontisehen Vorrichtungen in Zusammenhang
stehenden Biomechanik. Bislang sind Anstrengungen fast ausschließlich auf die Entwicklung von optimalen Vorrichtungskonfigurationen gerichtet worden und dem für die Vorrichtungen
benutzten Material ist nur eine untergeordnete Beachtung geschenkt
worden.
Bezüglich der Biomechanik ist von CJ. Burstone et al in der Zeitschrift Angle Orthodontist, Band 31, S.1-14 (1961), berichtet
worden, daß die erwünschte Zahnbewegung am besten erzielt werden kann, indem ein optimales Kraftsystem erzeugt wird,
das in der Lage ist, relativ leicht, aber kontinuierlich Korrekturkräfte zu liefern. Die hauptsächliche oder grundlegende
biomechanische Charakteristik enthält eine untere Kraftgröße, durch die sich die Zähne schnell und relativ schmerzfrei
bei minimaler Gewebebeschädigung bewegen, einen über der Zeit konstanten Kraftwert, wenn die Vorrichtung eine Inaktivierung
erfährt, um ein maximales Ansprechen des Gewebes zu schaffen, eine genaue Lage des Punktes der Ausübung der Kraft
oder ihres Äquivalents und eine Gleichförmigkeit in der Kraft, die auf der Gesamtstrecke ausgeübt wird, auf der die Kraft
wirkt. Es ist außerdem erwünscht, einer orthodontischen Vorrichtung die Fähigkeit zu geben, große Durchbiegungen ohne Ver-
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BAD ORiGINAL
formung auszuführen. Wenn die auf die Zähne einwirkende Kraft zu schnell abnimmt, bewegen sich die Zähne selbstverständlich
langsamer und es wird schwieriger, den gewünschten Effekt
genau zu erzeugen.
Bislang wird die Größe der auf die Zähne ausgeübten Kraft teilweise durch den Querschnitt des Drahtes bestimmt, der
für die Vorrichtung benutzt wird, wobei dünnere Drähte die gewünschte niedrigere oder reduzierte Kraft ergeben. Es ist
klar, daß dickere Drähte gut in die Schlitze von bandgehalterten oder direkt verbundenen Klammern oder in den Hohlraum
in einem Rohr passen und daß eine gute Passung für eine kontrollierte Zahnbewegung notwendig ist. Wenn dünnere Drähte
benutzt werden, führt das Spiel zwischen dem Draht und der Klammer zu einem Verlust an Kontrolle. Die Verringerung der
Schlitz- oder Hohlraumgröße ist unerwünscht, da es erstens schwieriger ist, Toleranzen zu kontrollieren, und da zweitens
Herstellungsänderungen in dem Drahtquerschnitt eine
proportional größere Auswirkung auf Kraftgrößen haben. Trotz dieser Tatsache ist eine Verringerung des Drahtquerschnittes
mit der sie begleitenden Verringerung des- Kraft-Durchbiegungsverhältnisses
bislang der Kurs, der verfolgt worden ist, um eine Kraftkonstanz bei Verwendung von -rostfreiem Stahldraht des
Typs 18-8 zu erzielen. In diesem Zusammenhang muß.aufgepaßt
werden, da eine zu große Verringerung des Querschnittes zu einer dauernden Verformung führen kann, bevor optimale Kräfte
erreicht werden.
Obgleich die hauptsächliche und überwiegende Betonung bei der orthodontischen Forschung auf eine verbesserte Vorrichtungskonstruktion gelegt worden ist und Alternativen für den herkömmlicherweise
benutzten rostfreien Stahldraht des Typs 18-8 relativ geringe Beachtung geschenktvworden ist, werden
nun Anstrengungen darauf gerichtet, die vorgenannte erwünschte biomechanische Charakteristik durch die Verwendung von anderen
Materialien zu erzielen. Ein Beispiel einer solchen Lösung
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findet sich in der vorgeschlagenen Verwendung von Nitinollegierungen
des in der US-PS 3 351 463 beschriebenen Typs. Diese Materialien sind nahezu stöchiometrische intermetallische
Verbindungen von Nickel und Titan, in welchen vorzugsweise Kobalt für das Nickel auf der Basis Atom/Atom
eingesetzt wird. Die Legierung kann unterhalb ihrer kritischen Übergangstemperatur vorgeformt werden und sie zeigt,
wenn sie über diese Temperatur erhitzt wird, ein mechanisches
Gedächtnis, welches das Material veranlaßt, in seine angelegte Gestalt zurückzukehren. Die Anwendung dieses Materials
in der Orthodontie ist in der US-PS 4 037 324 angegeben, wobei die Längsschrumpfungscharakteristik des Drahtes ausgenutzt wird. Obwohl angegeben ist, daß dieses intermetallische
Material ziemlich duktil ist, hat es sich in der Praxis
gezeigt, daß das Material das Kaltbiegen in die hauptsächlichen orthodontisehen Konfigurationen nicht aushält und
nicht für sich schließende Schleifen und dgl. benutzt werden kann. Dadurch wird selbstverständlich die Verwendung
der Legierung bei der Herstellung von Vorrichtungen, die in ihrem Aufbau beträchtliche Biegungen benötigen, stark begrenzt.
Außerdem kann das Material nicht geschweißt oder gelötet werden, wodurch seine Anwendung wesentlich eingeschränkt
wird.
Die Erfindung löst viele der bislang bei der Benutzung von rostfreiem Stahl oder Nitinol· aufgetretenen Probleme und
erleichtert gleichzeitig das Erzeugen von optimalen orthodontischen
Kräften. Demgemäß schafft die Erfindung eine neue und verbesserte orthodontische Vorrichtung, bei welcher
ein orthodontiseher, kraftausübender Draht benutzt
wird, der eine optimale orthodontische Kraftcharakteristik ergibt/ einschließlich der bevorzugten niedrigen Kraftgröße und
der Kraftkonstanz über eine längere Zeitspanne zum Erzielen einer kontinuierlichen, relativ schmerzlosen Zahnbewegung
bei maximalem Ansprechen des Gewebes und minimaler Gewebebeschädigung. Gemäß der Erfindung wird ein kraftausübender
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Draht vorgesehen, der gegenüber den rostfreien Stahldrähten des Typs 18-8, die bislang benutzt werden, einen niedrigen
Elastizitätsmodul aufweist.
Weiter schafft die Erfindung eine neue und verbesserte orthodontische
Vorrichtung des beschriebenen Typs, die das Ausüben einer bestimmten Kraft in einfacherer Weise und mit
größerer Genauigkeit erleichtert und die Fähigkeit hat, grössere Durchbiegungen ohne Verformungen auszuführen und deshalb
in Verbindung damit die effektive Betriebsdauer der Vorrichtung steigert und dabei gleichzeitig die notwendigen
Kriterien der Biokompatibilität, des Formveränderungsvermögens
und der UmgebungsStabilität einhält.
Ferner schafft die Erfindung eine orthodontische Vorrichtung der beschriebenen Art, bei welcher ein neuer und verbesserter
kraftausübender Draht benutzt wird, der einen niedrigeren
Elastizitätsmodul, eine größere maximale elastische Durchbiegung und ein größeres Verhältnis von Streckfestigkeit zu
Elastizitätsmodul aufweist und gleichzeitig die Notwendigkeit eines periodischen Einbauens von Drähten geringeren Querschnittes
verringert. Es ist dafür die Verwendung eines Drahtes mit mäßigem Querschnitt vorgesehen, wodurch das Erfordernis
engerer Drahttoleranzen zum Erzielen der gewünschten Durchbiegungen erster Ordnung minimiert wird. Außerdem sind
Drähte.vorgesehen, deren Kraftgrößen und Moment:Kraft-Verhältnisse
durch Auswahl des Elastizitätsmoduls kontrolliert werden, im Gegensatz zu der traditionellen Lösung, gemäß
welcher einfach der.Querschnitt verändert wird.
Außerdem schafft die Erfindung eine neue und verbesserte orthodontische
Vorrichtung der beschriebenen Art, bei welcher raumtemperaturstabilisierte ß-Titanlegierungen benutzt werden, aus denen
die vielfältigsten orthodontischen Vorrichtungen von den einfachen
bis zu den höchst komplizierten orthodontischen Konfigurationen geformt werden können, um die optimalen Moment:
Kraft-Verhältnis se zu lief erji, »sp^d^ß die Vorrichtung auf die
Krone des Zahns einwirkt und der genaue Drehungsmittelpunkt des Zahns geschaffen wird, wenn er sich bewegt. Dabei ist
die Verwendung eines stabilisierten ß-Titanmaterials vorgesehen, das in der Lage ist, die ausgezeichnete Plastizitätsund
Formveränderungscharakterikstik auszunutzen,die auf seine ß-Kristallstruktur
zurückzuführen ist, und gleichzeitig die gewünschte Festigkeitscharakteristik durch Kontrollieren der mechanischen
und thermischen Vergangenheit der Legierung in fester Lösung zu schaffen.
Schließlich schafft die Erfindung eine neue und verbesserte orthodontieehe Vorrichtung der beschriebenen Art, die mit
Grund- oder Hauptbögen oder Segmenten derselben verschweißt werden kann, ohne daß die mechanischen Eigenschaften der Vorrichtung
nennenswert beeinflußt werden. Beispielsweise können Haken, Bindeglieder, "Ligatur- oder Äbbindungsdrähte und Federn,die aus
ß-Titanlegierungsdraht hergestellt sind, direkt verschweißt werden, anders als der rostfreie Stahl des Typs 18-8, der
ein aufwendiges und zeitraubendes Lötverfahren erfordert, das die Drahteigenschaften, wie beispielsweise die Streckfestigkeit,
negativ beeinflußt. Die Schweißbarkeit des Materials erleichtert außerdem eine größere Gebrauchsvielseitigkeit,
da schwächere Kontrolldrähte an stärkeren Drähten starr befestigt werden können, um eine richtige Verankerung
für das Erzeugen von optimalen Kraftgrößen bei konstanteren Kraftverhältnissen zu gewährleisten.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften ergeben sich aus den
folgenden Darlegungen.
Die vorstehend genannten und weitere vorteilhafte Eigenschaften werden gemäß der Erfindung dadurch erzielt, daß eine
orthodontische Vorrichtung geschaffen wird, bei welcher ein
kraftausübender Draht aus einer raumtemperaturstabilisierten ß-Titanlegierung benutzt wird, deren Elastizitätsmodul deutlich
unter 1,38 χ 10 bar liegt. Der Titanlegierungsdraht
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ergibt ein Verhältnis von Streckfestigkeit zu Elastizitätsmodul, das bis zu 80% und mehr größer ist als das des rostfreien
Stahldrahtes des Typs 18-8 mit demselben Querschnitt und eine höhere maximale elastische Durchbiegung als dieser rostfreie
Stahldraht hat. Der Titanlegierungsdraht ist weiter dadurch gekennzeichnet, daß er eine niedrigere und konstantere Kraftkomponente
über eine längere Zeitspanne liefert, wodurch die effektive Betriebsdauer der Vorrichtung verlängert wird, und
daß er wiederholtes Kaltbiegen in die hauptsächlichen orthodontischen Konfigurationen aushält.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 in Seitenansicht einen Ober- und einen Unter
kiefer zur Veranschaulichung der Art und Weise, in welcher verschiedene orthodontische
Einrichtungen, wie Bogendrähte und Hilfsteile, benutzt werden können,
Fig. 2 in Vorderansicht einen Oberkieferteil mit
einer daran befestigten, abnehmbaren orthodontisehen
Vorrichtung,
Fig. 3 eine Teildraufsicht auf einen Kiefer, die
eine andere Anbringung eines orthodontischen Bogendrahtes zeigt, und
Fig. 4 . in Draufsicht eine rechteckige Schleifenfe
der, die bei der Vorrichtung nach der Erfindung benutzt wird.
Im folgenden wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figuren gleiche Teile gleiche Bezugszahlen tragen. Die Erfin-
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dung wird am Beispiel der Verwendung von ß-Titanlegierungsdrähten
erläutert, aus denen verschiedene orthodontische Vorrichtungen hergestellt worden sind, welche in der Lage
sind, die Hälfte und weniger der Kraft von rostfreiem Stahl des Typs 18-8 mit einer konstanteren Kraft und einer guten
Klammeranlage für eine kontrollierte Zahnbewegung zu erzeugen. Das System nach der Erfindung gestattet die Verwendung
von relativ großen Drahtquerschnitten für Einrichtungen, die
eine niedrigere Kraft liefern, durch die Benutzung von Materialien,
die einen niedrigen Elastizitätsmodul aufweisen. Beispielsweise können für diese Einrichtungen Drähte benutzt
werden, die Querschnitte in dem Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm haben. Gemäß diesem System werden optimale Kraftgrößen leichter
und genauer erzeugt, da der Draht mit größerem Querschnitt die Auswirkung von Toleranzfaktoren bei der Befestigung zwischen
dem Draht und seiner Halterung, wie beispielsweise dem Bogendraht 10 und der am Zahn befestigten Klammer 12, die
in Fig. 1 gezeigt sind, minimiert. Zusätzlich gestattet das
ß-Titanlegierungsmaterial die Verwendung von konstanten
Drahtquerschnitten während der Behandlung, beispielsweise
von Band-, Profil- oder Rundquerschnittdrähten. Auf diese Weise werden die Kraftgrößen durch die Legierung selbst kontrolliert,
statt durch Verändern des Querschnittes des Drahtes, wie es in der Vergangenheit traditionelle Praxis gewesen ist.
Die gewünschte optimale Kraftkonstanz wird gemäß der Erfindung
erzeugt, indem das Kraft-Durchbiegungsverhältnis durch die Verwendung von ß-Titan als dem Legierungsmaterial für
den orthodontischen Draht verringert wird. Da die ß-Titanlegierungen
die Optimierung der Vorrichtungseigenschaften
durch Steuern der mechanischen und thermischen Vergangenheit
des Materials gestatten und da bekanntlich das Kraft-Durchbiegungsverhältnis von Drähten eine Funktion des Elastizitätsmoduls
des Materials ist, ist es möglich, gemäß der Erfindung einen Elastizitätsmodul zu schaffen, der etwa zwei
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Drittel oder weniger als der von rostfreiem Stahl beträgt.
Das hohe Foriuveranderungsvermogen von diesen Drähten erleichtert
das Erzeugen einer Vielfalt von orthodontischen Einrichtungen von den einfachen bis zu den komplexen, damit die gewünschten
Moment:Kraft-Verhältnisse geliefert werden. Gemäß der Zeichnung kann die Vorrichtung komplexe Konfigurationen
oder Hilfsteile aufweisen, wie beispielsweise die T-Schleife 14, die vertialen Schleifen 16, 17, 18 und den angebauten
Haken 19. Die räumliche Schließung kann durch Verwendung einer Vorderretraktor- oder Rückholanordnung der
an der Stelle 20 an dem Oberkiefer von Fig. 1 gezeigten Art erreicht werden. Mit einer solchen Einrichtung kann auch
die Verwendung einer komplexen Feder 22 aus ß-Titanlegierung mit Bogendrahtsegmenten 24, 26 aus rostfreiem -Stahl zur räum- '
liehen Schließung und Wurzelbewegung kombiniert werden.Außerdem
können geflochtene Drähte und Ligatur- oder Abbindunasdrähte aus den ß-Titanlegierungsdrähten nach der Erfindung aufgrund
der hohen Duktilität des Materials vor dem Wärmealtern hergestellt
werden. Früher wurde eine niedrigere Härte als erwünscht beim Flechten benutzt, da die Kaltverformung während
der Herstellung in dem rostfreien Stahl des Typs 18-8 Sprödigkeit und Brüche verursachte. Dieses Formveränderungsvermögen
der ß-Titanlegierung, gekoppelt mit der Möglichkeit, sie im Anschluß an die Herstellung der kompliziertesten
orthodontischen Konfiguration zu härten, ermöglicht der Einrichtung,
an der Befestigungsstelle an der Krone des Zahns genau zu arbeiten und den richtigen und vorgesehenen Drehungsmittelpunkt für den Zahn zu schaffen, wenn dieser während
der Behandlung bewegt wird.
Die hohe Duktilität der ß-Titandrähte kann vorteilhaft ausgenutzt werden, wenn spezialisierte komplexe Federn hergestellt
werden, wie beispielsweise die rechteckige Feder 28. Darüberhinaus ist das Material für Verwendungszwecke, wie
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Eckzahn- und Vorretraktion, wie sie in Fig. 1 dargestellt
ist, Wurzelbewegung, Ausrichtung und Höhenabgleichung von Zähnen, gut geeignet. Dieses ausgezeichnete Formveränderungsvermögen,
das sich aus der hohen Duktilität des Materials ergibt, beeinträchtigt nicht die Möglichkeit, aus dem Material
Spangen oder Halteeinrichtungen für orthodontische Halter, Prosthetikvorrichtungen und abnehmbare spangenartige
Vorrichtungen, wie die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung, herzustellen. Die Arbeitsteile der Vorrichtung, wie der
Labialbogen 30, die Fingerfeder 32 und die Vorderfeder 34,
behalten unter durch den Patienten hervorgerufenen Belastungen vorteilhafterweise ihre Gestalt. Darüberhinaus liefern
Lingualbögen, die aus ß-Titan hergestellt sind, optimale Kräfte in konstanterer Weise. Die Form, die die Feder
annimmt, kann sich selbstverständlich weitgehend ändern und es sind nur wenige repräsentative Beispiele in der Zeichnung
durch die Federn in Fig. 2 und die an den Bogendrahtsegmenten
38 in Fig. 3 befestigte Schraubenfeder 36 gezeigt.
Orthodontische Vorrichtungen, bei denen die ß-Tltandrähte
nach der Erfindung benutzt werden, haben außerdem die vorteilhafte
Eigenschaft, daß sie geschweißt werden können. Die Federn, Bindeglieder, Haken oder anderen Hilfseinrichtungen können also direkt an einen stärkeren Draht, wie beispielsweise
Lingualbögen, einen Grundbogen oder anderen Bogendraht, angeschweißt werden, wodurch die Notwendigkeit
beseitigt wird, solche Federn festzulöten, wie es bei herkömmlichen
orthodontischen Einrichtungen der Fall ist. Es ist bedeutsam, daß das Schweißen des ß-Titanmaterials die
Eigenschaften des Materials nicht wesentlich beeinflußt, so daß es möglich ist, das Material für Zwecke, wie Wurzel-
und Drehfedern, zu verwenden und das Verschweißen von einem
oder mehreren Drähten zu einer festen Konfiguration in einem Bereich zur Steifigkeits-und Verankerungskontrolle zu erleichtern
und dabei einzelnen Strängen in anderen Bereichen die Freiheit zu geben, die kleineren optimalen Kraftgrößen
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zu liefern.
Einer der Hauptvorteile des ß-Titanlegierungssystems nach
der Erfindung ist der breite Bereich von Eigenschaften, die bei Verwendung dieses Materials als Ergebnis der thermischen
und mechanischen Behandlungen erzielt werden können, welchen das Material unterzogen wird. Durch geeignete Auswahl des
Materials und seiner Behandlung ist es daher möglich, den Elastizitätsmodul der ß-Titanlegierung so zu verändern, daß
er sich in einem weiten Bereich ändert, welcher deutlich unter 1,38 χ 10 bar liegt. Beispielsweise kann sich der
Elastizitätsmodul der ß-Titanlegierungen über den Bereich von etwa 0,41 χ 10 bar bis etwa 1,24 χ 10 bar ändern, wobei
die meisten Legierungen in den Bereich von 0,55 - 1,10x10 bar fallen. Das ist von beträchtlicher Bedeutung, wenn man einen
Vergleich mit dem relativ unveränderlichen Elastizitätsmodul anstellt, den orthodontische Drähte aus rostfreiem Stahl des
Typs 18-8 aufweisen und der typischerweise in den Bereich von 1,86 - 2,14 χ 106 bar fällt.
Da die maximale elastische Durchbiegung eines Drahtes eine Funktion des Verhältnisses von Streckfestigkeit zu Elastizitätsmodul
ist, ist es außerdem wichtig, die Streckfestigkeit des ß-Titanlegierungsmetalls zu betrachten. Wiederum sorgt
diese Legierung gemäß der Erfindung für die Veränderlichkeit
4 in der Streckfestigkeit zwischen etwa 0,48 χ 10 bar und
2,01 χ 10 bar, wobei die höheren Werte mit denjenigen vergleichbar
sind, die mit rostfreiem Stahl erzielt werden. Die Streckfestigkeitsänderung ist selbstverständlich von Änderungen
des Elastizitätsmodul nicht völlig unabhängig. Die Festigkeit ändert sich vielmehr mit ihm derart, daß eine Zunahme
der Streckfestigkeit eine entsprechende Zunahme des Verhältnisses von Streckfestigkeit zu Elastizitätsmodul ergeben
kann aber nicht notwendigerweise ergeben muß. In jedem Fall kann bei den ß-Titanlegierungen ein wesentlich höheres
Verhältnis gegenüber dem rostfreien Stahl des Typs 18-8 ange-
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troffen werden und eine entsprechende Zunahme in der maximalen elastischen Durchbiegung dieses Materials kann realisiert
werden. Durch zwei- bis dreifaches Erhöhen des Verhältnisses von Streckfestigkeit zu Elastizitätsmodul und
durch Verringern des Elastizitätsmoduls um einen Faktor bis zu etwa drei können niedrigere Kraftgrößen in konstanterer
Weise über einen breiteren Aktionsbereich als bei der herkömmlichen orthodontischen Vorrichtung geliefert werden.
Diese optimierte höhere Streckfestigkeit und der niedrigere Elastizitätsmodul werden erzielt und dabei wird
für eine ausgezeichnete Schweißbarkeit und ein ausgezeichnetes Formveränderungsvermögen selbst nach beträchtlicher
Kaltverformung gesorgt. Die Legierung nach der Erfindung sorgt außerdem für eine gute Umgebungsstabilität und Biokompatibilität
mit Mundgeweben.
Da die Veränderlichkeit von Eigenschaften innerhalb der ß-Titanlegierungen nach der Erfindung bis zu einem gewissen
Grad von der besonderen chemischen Zusammensetzung und der thermischen und mechanischen Vergangenheit des Materials
abhängig ist, ist es wünschenswert, eine begrenzte Erläuterung der Natur der ß-Titanlegierungsmaterialien zu geben.
In diesem Zusammenhang ist es bekannt, daß unlegiertes Titan in zwei allotropischen Kristallformen auftreten kann.
Bei Temperaturen bis zu 885 0C behält Titan eine dichtgepackte,
hexagonale Kristallform, während bei Temperaturen über 885 0C die Metallatome eine kubisch-raumzentrierte
Anordnung einnehmen. Üblicherweise wird die zu der niedrigen Temperatur gehörige Form als oC-Form bezeichnet,
während die zu der hohen Temperatur gehörige Form als ß-Form bezeichnet wird. Legierungsbestandteile, die ein kubischraumzentrierte
s Gitter haben, wie Molybdän, Niob, Tantal und Vanadium, neigen dazu, die ß-Titanphase zu stabilisieren,
und verursachen somit eine Absenkung der oC-zu-ß-Transformationstemperatur.
Das zu der hohen Temperatur gehörige
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ß-Titan kann also bei Raumtemperatur erzielt werden, indem
eine legierungsstabilisierte ß-Phase schnell abgekühlt wird und der ß-zu- oC-übergang blockiert-wird. Das Material, das
ausreichend mit ß-Stabilisatoren legiert ist, so daß das kubisch-raumzentrierte Gefüge bei Abkühlung auf Raumtemperatur
aus dem ß-Feld erhalten bleibt, wird als ß-stabilisierte Titanlegierung oder, einfacher, als ß-Titanlegierung
bezeichnet. Dieses Material besteht überwiegend aus Titan und kann bis zu etwa 25 Gew.-% und mehr von den Legierungsbestandteilen
enthalten. Als stabilisierende Legierungselemente können, zusätzlich zu den bereits erwähnten,
Mangan, Eisen, Chrom, Kobalt, Nickel und Kupfer sowie Aluminium, Zinn und Zirkon dienen. Weitere Einzelheiten
bezüglich der Zusammensetzung dieser Art von Material sind der US-PS 2 796 996 zu entnehmen.
Das kubisch-raumzentrierte Gefüge der Legierung schafft ein Material mit ausgezeichneter Plastizität und hoher Dukti-Iitat,
so daß das Material leicht verformt werden kann und aus ihm die meisten komplexen orthodontischen Konfigurationen
hergestellt werden können. Es ist außerdem bekannt, daß diese Materialien das Potential für eine sehr hohe Festigkeit
und eine tiefe- Härtbarkeit entweder durch Kaltverformung oder durch Wärmebehandlungsaltern besitzen. Die legierungsstabilisierte
ß-Titanphase kann also in eine ß-Phase transformiert werden, die eine durch Wärmeeinwirkung
ausgeschiedene °C-phase enthält, durch die die Festigkeitscharakteristik des Materials stark verbessert wird. Typischerweise
wird die ß-Titanlegierung auf die zu der hohen Temperatur gehörige Form oder ß-Form erhitzt und anschliessend
schnell auf Raumtemperatur abgekühlt, um die ß-stabilisierte Raumtemperaturlegierung zu erhalten. Dieses ß-stabile
Material in dem sogenannten lösungswärmebehande1ten oder vollständig geglühten Zustand ist äußerst duktil und
kann zu den gewünschten orthodontischen Vorrichtungen in
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dieser Stufe oder nach teilweiser oder vollständiger Verfestigung verformt werden. Diese Verfestigung wird, gekoppelt mit
verringerter Duktilität, entweder durch Kaltverformung oder durch Wärmebehandlungsalterung bei erhöhten Temperaturen
über veränderliche Zeitspannen erzielt. Die überlegene Duktilität und die niedrige Festigkeit des kubisch-raumzentrierten
Gefüges machen es deshalb für die Herstellung von äußerst
komplexen Gebilden ideal geeignet. Diese Eigenschaft gestattet außerdem eine umfangreiche Kaltverformung, die an sich
dem Endprodukt die erforderliche Eestigkeitscharakteristik verleihen kann und dadurch die Notwendigkeit einer Wärmealterung
beseitigt.
Die spezifische chemische Zusammensetzung von kommerziellen ß-Titanlegierungsmaterialien ist bekannt. Typische ß-Titanlegierungen
haben folge'nde angenäherte Legierungszusammensetzungen:
A. 13% Vanadium, 11% Chrom, 3% Aluminium;
B. 8% Molybdän, 8% Vanadium, 2% Eisen und 3% Aluminium;
C. 11,5% Molybdän, 6% Zirkon und 4,5% Zinn; und
D. 3% Aluminium, 8% Vanadium, 6% Chrom, 4% Zirkon und
4% Molybdän.
Die ß-Titanlegierungen sind zwar für die Anwendung in der
Raumfahrt untersucht worden, der größte Teil der Arbeiten,
die bislang ausgeführt worden sind, hat sich jedoch darauf konzentriert, die Festigkeitscharakteristik des Materials zu
maximieren, um die Festigkeit:Gewicht-Verhältnisse zu optimieren.
Diese früheren Arbeiten haben sich mit einem Material befaßt, das Querschnitte aufwies, welche beträchtlich größer
waren als diejenigen, die bei orthodontischen Vorrichtungen benutzt werden, d.h. Materialien, die einen größeren Quer-
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schnitt als der Bereich von 0,1 mm bis 2,0 mm aufwiesen.
Die bevorzugten orthodontischen Drähte fallen in das untere
Ende des Bereiches und haben üblicherweise einen Querschnitt
von etwa 0,2 bis 1,0 mm, wobei die bevorzugte Drahtgröße typischerweise etwa 0,35 bis 0,80 mm beträgt.
Die folgenden Beispiele sind angegeben, um die Effektivität der Erfindung besser verständlich zu machen. Diese
Beispiele dienen lediglich zur Veranschaulichung und die Erfindung ist keineswegs auf sie beschränkt.
Dieses Beispiel ist angegeben, um die Veränderungen in dem
Elastizitätsmodul und in dem Verhältnis von Streckfestigkeit zu Elastizitätsmodul für das ß-Titan gegenüber rostfreiem
Stahl zu veranschaulichen, da diese Faktoren eine gute Voraussage über die maximale elastische Durchbiegung
und das Kraft-Durchbiegungsverhältnis einer orthodontischen Vorrichtung machen.
Ein orthodontischer Standarddraht aus rostfreiem Stahl des
Typs 18-8 wurde von der Fa. Unitek Corporation, Monrovia, California, V.St.A., geliefert. Der Draht hatte einen Durchmesser
von 0,756 mm und wurde in dem Zustand, in dem er geliefert wurde, auf seinen Elastizitätsmodul und seine Streckfestigkeit
hin getestet.
Gewalzter ß-Titandraht mit einer Nennzusammensetzung von 11,.5 Gew.-% Molybdän, 6 Gew.-% Zirkon und 4,5 Gew.-% Zinn und
dem Rest Titan wurde in gleicher Durchmessergröße, .nämlich mit O,756 mm sowohl in lösungswärmebehandeltem Zustand als
auch in dem Zustand, wie er gezogen worden ist, beschafft. Das lösungswärmebehandelte Material war fast vollständig
ß-Phasenmaterial, das durch Erhitzen der Legierung auf
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704 bis 732 0C und Abschrecken in Wasser gebildet wurde.
Das lösungswärmebehandelte Material wurde anschließend auf
eine Temperatur von 482 0C für eine Zeitspanne von zwei
bis acht Stunden erhitzt und die Eigenschaften des Materials hinsichtlich des Elastizitätsmoduls und der Festigkeit wurden
in unterschiedlichen Zeitintervallen getestet.
Die Zugtests wurden auf einer mit konstanter Verformungsgeschwindigkeit
arbeitenden Instron-Testmaschine unter Verwendung einer. Kreuzkopf geschwindigkeit von 0,5 cm/min ausgeführt.
Ein 12,70-mm-Dehnungsmesser wurde mit einer Verformungsvergrößerung
von entweder 400:1 oder 1000:1 benutzt, wobei der Dehnungsmesser zum Zwecke des Testens von dünnen
Drahtproben leicht modifiziert worden war. Die Dehnungsmessermodifizierung ist in dem Aufsatz von A.J. Goldberg et al
"Reduction in the Modulus of Elasticity in Orthodontic Wires", Journal of Dental Research, Band 56, S.1227-1231 (Oktober 1977),.
beschrieben.
Der Draht aus rostfreiem Stahl hatte eine Streckfestigkeit
4
von 1,65 χ 10 bar und einen Elastizitätsmodul von 1,58 χ 10 , was ein Verhältnis von Streckfestigkeit zu Elasti-
von 1,65 χ 10 bar und einen Elastizitätsmodul von 1,58 χ 10 , was ein Verhältnis von Streckfestigkeit zu Elasti-
-2
zitätsmodul von 1,04 χ 10 ergab. Die Titanlegierung, die in dem Zustand war, in dem sie gezogen wurde, hatte eine
zitätsmodul von 1,04 χ 10 ergab. Die Titanlegierung, die in dem Zustand war, in dem sie gezogen wurde, hatte eine
4
Streckfestigkeit von 1,04 χ 10 bar und einen Elastizitäts-
Streckfestigkeit von 1,04 χ 10 bar und einen Elastizitäts-
6 — 2
modul von 0,70 χ 10 , was ein Verhältnis von 1,49 χ 10 ergab.
Sowohl die Streckfestigkeit als auch der Elastizitätsmodul des wärmegealterten Legierungsmaterials änderten sich
mit der Zeit der Wärmebehandlung und erreichten einen Maximalwert bei etwa 4 bis 4,5 h. Bei seinem maximalen Verhältniswert
hatte das Material eine Streckfestigkeit von 1,32 χ 10 und einen Elastizitätsmodul von 0,92 χ 10 , was
_2
ein Verhältnis von 1,42 χ 10 ergab. Das Verhältnis des lösungswärmebehandelten Materials änderte sich von 0,97 χ mit keiner Wärmebehandlung bis zu dem angegebenen Maximalwert.
ein Verhältnis von 1,42 χ 10 ergab. Das Verhältnis des lösungswärmebehandelten Materials änderte sich von 0,97 χ mit keiner Wärmebehandlung bis zu dem angegebenen Maximalwert.
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Eine Zunahme der Streckfestigkeit und des Elastizitätsmoduls beim Erhitzen ergibt sich aus der Ausscheidung der
ot-Phase. Die Erhöhung des Verhältnisses von Streckfestigkeit
zu Elastizitätsmodul ergibt sich jedoch, da der Elastizitätsmodul nicht mit derselben Geschwindigkeit wie die
Streckfestigkeit während dieser Wärmealterung oder oC-Ausscheidungsbehandlung
zunimmt.
Vergleichbare Erhöhungen der Streckfestigkeit und des Elastizitätsmoduls
ergaben sich, wenn dieselbe Legierung bei
538 0C und 593 0C gealtert wurde. Die Festigkeit stieg von
4 einem Nullbehandlungswert von 0,69 χ 10 bar auf Werte von
4 4
1,09 χ 10 bar bzw. 1,07 χ 10 bar an, während sich der
Elastizitätsmodul bei jedem Temperaturwert von 0,69 χ 10 bar bis 1,03 χ 10 bar änderte.
Der Zweck dieses Beispiels ist es, die Korrelation zwischen den verbesserten Verhältnismeßwerten und, den Eigenschaften
der maximalen elastischen Durchbiegung des Legierungsmaterials zu zeigen.
Die gleichen Materialien wie im Beispiel 1, aber mit anderer
Durchmessergröße, wurden auf die Streckfestigkeit und den Elastizitätsmodul hin getestet. Zusätzlich wurde aus
den Drähten eine orthodontische rechteckige Schleifenfeder
gebildet, die die in Fig. 4 gezeigte Konfiguration hatte. Die Schleife hatte eine Höhe von 6 mm, eine zum Zahnfleisch
gehörige Länge von 10 mm und einen Abstand zwischen den Klammern von 10 mm. Diese Schleifenfedern wurden auf
maximale Durchbiegung bis zur Biegegrenze getestet, indem eine Kraft in der vorderen und hinteren Klammerposition
ausgeübt wurde, wie es durch die Pfeile in Fig. 4 angedeutet ist. Diese Tests wurden unter Verwendung eines
909839/08 3
speziell ausgelegten Federtesters von einer Bauart getestet,
die in dem Aufsatz von D.J. Solonche et al, "A
Device for Determining the Mechanical Behavior of Orthodontic Appliances", IEEE Transactions on Engineering in
Medicine and Biology, Band 24, S.538-539 (1977) beschrieben
ist. Bei dem Tester wurde ein LVDT-Meßwandler benutzt und
der Tester war in der Lage, bleibende Verformungen festzustellen, nachdem ein maximaler Schwellenwert erreicht worden
war.
Das Formveränderungsvermögen des Materials wurde unter Verwendung der 1ADA-Spezifikation Nr. 32 über Orthodontische
Drähte" durch Kaltbiegen des Drahtes um einen Winkel von 90 über einen Dorn mit einem Durchmesser von 1 mm bestimmt,
um die Anzahl von Biegungen zu ermitteln, die der Draht aushalten konnte, bevor er brach. Eine 90 -Biegung
und eine Rückkehr in die Ausgangsposition wurden als zwei Kaltbiegungen gezählt. Jeder Test wurde zehnmal wiederholt,
wobei verschiedene Stellen an den verschiedenen Drähten benutzt wurden. Die Ergebnisse sind in der Tabelle I angegeben.
Der Kaltbiegewert für den lösungswärmebehandelten Legierungsdraht mit einem Durchmesser von 3,56 mm ohne Wärmealterung
betrug 11,14, was seine wesentlich größere Duktilität und
seine Geeignetheit als Ligatur- oder Abbindungsdraht zeigt.
909839/0839
TABELLE I | Legierung | Legierung | |
Rostfreier | (wie gezogen) | (wärmegealtert) | |
Stahl + | |||
Drahtdurchmesser | 0,33 | 0,36 | |
(mm) | 0,41 | 1,17 | 1,39 |
Streckgrenze β bei 0,1% Abweichung (χ 10 bar) |
1,86 | 0,65 | 0,95 |
Elastizitätsmodul ( χ1Ob bar) |
1,73 | ||
Verhältnis von
Streckgrenze zu
Elastizitätsmodul (x 10~2)
Streckgrenze zu
Elastizitätsmodul (x 10~2)
Maximale Durchbiegung bis zur
Biegegrenze
(mm)
Biegegrenze
(mm)
Kraft pro Einheit der Versetzung
(p/mm)
(p/mm)
1,07
7,5
27,2 5,1
1,81
12,0
12,7 6,2
Kaltbiegung
Spannungsarmgeglüht für 11 min @ 400 0C
++ Vier Stunden β 482 0C
Korrigiert für unterschiedliche Durchmesser
1,46
12,0
21,2 3,8
Der Zweck dieses Beispiels ist es, die maximale Durchbiegung bis zur Biegegrenze für eine andere ß-Titanlegierung und
die Auswirkung der Wärmealterung auf die Durchbiegung zu zeigen.
Ein orthodontischer Standarddraht des Typs 18-8 wurde als
909839/0839
Grundlage für den Vergleich benutzt, wobei der Draht einen Durchmesser von 0,635 mm hatte. Gewalzte Titanlegierung
mit demselben Durchmesser wie der rostfreie Stahl wurde beschafft. Die Legierung hatte eine Nennzusairanensetzung von
13 Gew.-% Vanadium, 11 Gew.-% Chrom und 3 Gew.-% Aluminium, wobei der Rest Titan war. Aus.jeder Probe wurde eine örthodontische
rechteckige Schleifenfeder geformt, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, mit einer Höhe von 6 mm, einer zum Zahnfleisch
gehörigen Länge von 12 mm und einem Abstand zwischen den Klammern von 7 mm. Die Tests wurden in der im Beispiel
2 angegebenen Weise durchgeführt und die Ergebnisse sind in der Tabelle II angegeben.
Draht
Wärmebehandlung
Temp. 0C
Zeit Ch)
Durchbiegung bis
zur Biegegrenze
zur Biegegrenze
(mm)
Kraft/Einheit der Durchbiegung
(p/mm)
(p/mm)
Rostfreier
Stahl
Stahl
Legierung
·· .. 427
·· .. 427
427 ·. .. 482 •ι .. 432
538 " 538
keine
3,10 | |
4,50 | |
5 | 6,10 |
9 | 6,50 |
0,5 | 5,2 |
1,5 | 6,1 |
0,5 | 5,25 |
3 | 4,7 |
149,3 83,3 90,8 87,5 91 ,0 93,6 93,1 93,6
909839/08
Claims (11)
- Patentansprüche:1J Orthodontisühe Vorrichtung mit einem kraftausübenden Draht zum Ausüben von Korrekturkräften auf einen Zahn, wobei der Draht: einen Querschnitt in dem Bereich von etwa 0,1 mm bis 2,0 mm hat, dadurch gekennzeichnet, daß der kraftausübende Draht aus einer raumtemperaturstabilisierten ß-Titanlegierung gebildet ist, die einen Elastizitätsmodul hat, der deutlich unter 1,38 χ 10 bar liegt, daß der Draht ein vorgewähltes Verhältnis von Streckfestigkeit zu Elastizitätsmodul hat, das von einem Wert, der mit dem von spannungsarmgeglühtcm rostfreien Stahldraht des Typs 18-8 mit demselben Querschnitt vergleichbaren Viert bis zu einem Wert reicht, der wenigstens 80% größer ist als der dieses rostfreien Stahldrahtes, wodurch der Draht in der Lage ist, eine niedrigere und konstantere Kraftgröße mit größerer Genauigkeit über eine längere Zeitspanne auszuüben und dadurch die effektive Betriebsdauer der Vorrichtung zu verbessern, wobei der ß-Titanlegierungsdraht eine höhere maximale elastische Durchbiegung bis zur Biegegrenze als der rostfreieBAD ORfGI(SJALStahldraht hat und extensives Biegen in komplexe orthodontische Konfigurationen aushalten kann.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ß-Titanlegierung einen Elastizitätsmodul in dem Bereich von 0,55 - 1,10 χ 106 bar hat.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ß-Titanlegierung eine Stabilisierungsmenge eines Metalls enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Molybdän, Niob, Tantal und Vanadium besteht.
- 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbiegung bis zur Biegegrenze des ß-Titanlegierungsdrahtes wenigstens etwa 50% größer ist als die von rostfreiem Stahldraht des Typs 18-8.
- 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ß-Titanlegierung durch Kaltverformung gehärtet ist.
- 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ß-Titanlegierung ein lösungswärmebehandeltes Material ist, das bei einer Temperatur oberhalb von etwa 400 0C wärmegealtert worden ist.
- 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung etwa 11,5 Gew.-% Molybdän, 6 Gew.-% Zirkon und 4,5 Gew.-% Zinn enthält.
- 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung etwa 13 Gew.-% Vanadium, 11 Gew.-% Chrom und 3 Gew.-% Aluminium enthält.
- 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge-909839/083 9BAD ORIGINALkennzeichnet, daß die Legierung etwa 8 Gew.-% Molybdän, 8 Gew.-% Vanadium, 2 Gew.-% Eisen und 3 Gew.-% Aluminium enthält.
- 10. Hochduktiler orthodontischer Ligaturdraht, dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus einem Draht mit einem Querschnitt in dem Bereich von etwa 0,1 mm bis 2,0 mm besteht, der aus einer raumtemperatur.stabilisierten ß-Titanlegierung, deren Elastizitätsmodul deutlich unter 1,38 χ 10 bar liegt, hergestellt ist und einen nach der ADÄ-Spezifikation Nr. 32 gemessenen Kaltbiegewert aufweist, welcher wenigstens doppalt so gro3 ist wie derjenige, den ein ß-Titanlegierungsdraht derselben Zusammensetzung und desselben Querschnittes hat, der vier Stunden lang bei etwa 482 0C wärmegealtert worden ist.
- 11. Haltedraht zur Verwendung in orthodontischen Spangen und Haltern, prothetischen Vorrichtungen, chirurgischen Kieferschienen und dgl., dadurch gekennzeichnet, daß er im wesentlichen aus einem Draht besteht, der aus einer raumtemperaturstabiliserten ß-Titanlegierung, deren Elastizitätsmodul deutlich unter 1,38 χ 10 bar liegt, hergestellt ist, ein vorgewähltes Verhältnis von Streckfestigkeit zu Elastizitätsmodul in einem Bereich hat, der von einem Wert, welcher mit dem von rostfreiem Stahldraht des Typs 18-8 desselben Querschnittes vergleichbaren Wert bis zu einem Wert reicht, welcher wenigstens 80% größer ist als der dieses rostfreien Stahldr-ahtes, ■ und in der Lage ist, extensives Biegen auszuhalten und während, des Kauens Kräfte geringerer Größe auszuüben, und eine höhere maximale elastische Durchbiegung bis zur Biegegrenze als der rostfreie Stahldraht hat, so daß das Halteveriv.ögen besser ist.908839/0818 BAD ORIGINAL
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: MENGES, R., DIPL.-ING., PAT.-ANW., 8000 MUENCHEN |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition |