Титанові дуги: розуміння та оптимізація їх використання - Частина 1
Вибір дуги є найбільш складним і часто заплутаним в процесі ортодонтичного лікування. З появою різних типів сплавів і конфігурацій дуг, він ще більше ускладнився. Оскільки дуги є силовою складовою в ортодонтії, то під час раціонального вибору дуги слід враховувати питання щелепно-лицьового росту й розвитку, біомеханіки переміщення зубів, фізики, матеріалу, тертя і, звісно, філософію лікування.
Біологію переміщення зубів, дію основних сил, час їх застосування і реакцію зубів на силовий вплив ще не повністю вивчено. Як наслідок, вибір дуги як силової складової ортодонтичної системи , як і раніше, залишається радше мистецтвом, ніж наукою, і майже повністю залежить від емпіричного досвіду. Без раціональних критеріїв вибору з'явилося безліч дуг різних розмірів, форм, сплавів. З іншого боку, це спонукало до консерватизму при виборі дуги. Як же прийняти усвідомлене й оптимальне рішення під час вибору дуги? Відповідь - у розумінні властивостей, можливостей і обмежень різних типів дуг. Щоб уникнути крайнощів догматичного підходу і рекламних гасел, необхідно розуміти щонайменше принципи виробництва дуг і їхні властивості. З переходом від відносно простих сталевих до титанових високотехнологічних дуг, більше неможливо обходитися без матеріалознавства в ортодонтії. Ця робота допоможе зорієнтуватися у нових сплавах і вибирати дуги відповідно до ваших потреб і уявлень, а також залежно від індивідуального випадку кожного пацієнта.
Століття еволюції ортодонтичної дуги
|
Короткий огляд історії розвитку дуги дасть основу для їхнього правильного вибору і допоможе уникнути основних непорозумінь. |
|
Тому Е-дуга була досить ригідною - щоб витримувати вигин і створювати основу для розширення зубів. Матеріалом слугував золото-нікелевий сплав, а розмір дуги визначали емпірично. Дуга в 0.036 дюйма повинна була встановлюватися інтраорально і не деформуватися під час лігування на скупчено розташовані зуби.
|
Лікування полягало в тому, що зуби лігували за допомогою золотисто-нікелевої дуги, кріпили до Е-дуги на кільцях і послідовно, досить часто, підтягували лігатурами, щоб висунути зуби до лінії Е-дуги. 1920 року доктор Енгль зробив висновок, що Е-дуга може лише нахиляти зуби вестибулярно, що дало поштовх розробці стрічкової дуги. Стрічкову дугу виготовляли також із золото-нікелевого сплаву, але вона мала прямокутну конфігурацію розміром 030х .022.Стрічкова дуга також відповідала завданням лікування без видалення, і тому не передбачалася її деформація. |
|
Зуби висували до стрічкової дуги і потім прикріплювали до вертикальних пазів для вирівнювання. Практично не обговорювали можливість вигинання дуги по лінії брекетів, тому що лікування завжди проводили без видалення.
Систему представили й опублікували в журналі Dental Cosmos 1928 року під заголовком "Нове і найкраще в ортодонтичній механіці". Щоб подолати недостатній контроль над мезіо-дистальним нахилом у стрічковій дузі з вертикальним пазом, паз перемістили на вузьку поверхню дуги, а стрічкова дуга після повороту на 90° перетворилася зі сплощеної (плоскої) в дугу з робочою вузькою кромкою (edgewise). Згодом взяв гору саме цей спосіб застосування дуги, і всі дуги стали виготовлятися за принципом еджуайз - для установки в паз брекета вузькою частиною.
| Відповідно, змінився розмір паза - з .030 на .022. Лікування, як і раніше, здійснювалося без видалення зубів. Кожен брекет для системи еджуайз припаювався до кілець. Зуби висувалися до жорсткої дуги і потім фіксувалися через паз еджуайз для контролю торку і мезіо-дистального нахилу зубів. Якщо зуб виявлявся ротованим, то до кільця припаювали два окремі брекети. Так з'явилися перші подвійні (twin) брекети. Приблизно в цей же час студенти Ортодонтичної школи Енгля почали відходити від його підходу до лікування без видалення.Наприкінці 1920-х - протягом 1930-х років нержавіюча сталь почала витісняти сплав золота і нікелю. Сталь на 20% жорсткіша, ніж золото-нікелевий сплав. Унаслідок цього, для збереження колишнього значення сили, на 20% зменшився розмір сталевої дуги - з .022 х .030 на .018 х .025. Таким чином, паз 018 є прямим наслідком переходу від золота-нікелю до неіржавіючої сталі. |  |
Якщо в 1930-х застосовувалася сталева дуга розміром 022, емпірично це означало збільшення сили або навантаження на 20% порівняно з попередніми моделями дуг. Два розміри пазів брекетів, які сьогодні використовують, - не більше ніж результат дослідної еволюції від Е-дуги через стрічкову дугу до дуги еджуайз і перехід до сталевої дуги. Ні розмір паза і дуги, ні прикладені сили не ґрунтувалися на знанні біомеханіки та особливостях навантаження.
 |
Коли ортодонти почали усвідомлювати потенційну шкоду постійної практики розширення зубної дуги, завдання дуги істотно змінилися. Стало необхідно (і набагато ефективніше) згинати дугу за положенням брекета. Оскільки сталева дуга .018 х .025 була надто жорсткою для згинання, ортодонти стали використовувати дуги менших діаметрів, а також робити на дугах компенсуючі вигини. |
Усе це допомогло знизити співвідношення навантаження і відхилення у нержавіючої сталі та дало змогу гнути дугу до пазів брекетів у межах еластичності дуги, без ризику спричинити незворотну деформацію. До 1977 року було тільки дві можливості змінювати у дуги співвідношення навантаження/ вигину - змінювати діаметр дуги або її довжину за допомогою петель. У 1977 році з'явилося дві альтернативи - Нітинол (Nitinol) від Юнітек і Ді-Рект (D-Rect) від Ормко. У 1980 було винайдено сплав титану і молібдену. З того часу відбулося значне поширення титанових сплавів, ці технологічні зміни мали величезний вплив на всі аспекти ортодонтії.
У 1900 сили, що прикладаються, були зависокі відносно до часу лікування (дуже високий показник навантаження/вигину). Матеріали і техніка були вельми неефективні через те, що були непружними. Пацієнтам потрібно було приходити до лікаря щодня для нових активацій – і цього було недостатньо. Під час переходу із золота на нержавіючу сталь, зріс показник еластичності і трохи збільшилася пружність. Проте, через відносно непружну природу, візити пацієнтів у клініку були потрібні кожні 2-3 тижні. При використанні титанових сплавів, співвідношення навантаження/вигину значно зменшується і їхня висока пружність дає змогу збільшити інтервали між візитами пацієнтів.
Одне з найважливіших питань, які ставлять перед нами нові титанові сплави, - величина навантаження. Яке зусилля потрібне для кожного типу переміщення зубів? Чи оптимальна сила навантаження? Яка мінімальна сила потрібна, щоб досягти запланованого ефекту? Використовуючи тільки одну дугу з нержавіючої сталі, важко було варіювати в градації навантаження для різних випадків лікування. Сьогодні, маючи велику кількість видів дуг (і, відповідно, систем докладання сил) - від надлишкових за силою до неефективних, - ми можемо спробувати відповісти на деякі з цих базових запитань.
Механічні властивості - визначення
До 1977 року в ортодонтів не було нагальної потреби розуміння фізичних властивостей дуг. Матеріалом для роботи слугувала тільки нержавіюча сталь. Сьогодні існує широкий асортимент сплавів і дуг з різними характеристиками, знання яких має велике значення для грамотного і раціонального вибору дуги.
Більшість властивостей дуги вимірюються і графічно відображаються у вигляді співвідношення навантаження і вигину. Ці графіки навантаження і вигину можуть бути отримані в результаті декількох різних способів тестування. Сюди входить розтягнення дуги, поперечне згинання і вигин за трьома точками. Кожен спосіб тестування може давати дещо відмінну інформацію.
Межа еластичності - постійна структура
Сила (навантаження), що застосовується до дуги, викликає її деформацію (вигин). Зі збільшенням сили зростає і деформація до моменту, коли навантаження не викликає внутрішні металургійні зміни в дузі. До цієї точки дуга здатна повернутися до своєї початкової форми, якщо навантаження перестане діяти. Метал дроту зберігає еластичність, поки в ньому не відбулися внутрішні переміщення частинок, атомів і молекулярних зв'язків.
| Ця точка називається межею еластичності. У точці еластичності дуга зазнає незворотної деформації і виникає нова постійна структура металу. На діаграмі навантаження (сила) буде пропорційна деформації (вигину). Графік йде лінійно вгору до межі еластичності. Після цієї точки співвідношення перестає бути лінійним. Таким чином межу еластичності можна розглядати як пропорційну зміну. Величина зусилля, необхідного для необоротної деформації, називається набутою міцністю. Величина деформації (в міліметрах), що досягається до межі еластичності, визначає так званий діапазон еластичності, іноді іменований робочим діапазоном. |  |
Якщо ми хочемо помістити дугу в паз брекета, не спричиняючи її незворотної деформації, ми повинні залишатися в межах діапазону еластичності цієї дуги. Для цього нам потрібно вибрати дугу з хорошими показниками еластичності.
Діапазон еластичності
Діапазон еластичності відображає здатність дуги відновлювати свою форму, не приймаючи постійну деформацію. Це відношення величини вигину до межі еластичності. Дугу з великим діапазоном еластичності бажано застосовувати на ранніх стадіях вирівнювання зубів, коли часто потрібно робити значні вигини дуги.
Модуль Еластичність-Жорсткість
Залежність деформації від навантаження до досягнення межі еластичності визначає показник (модуль) еластичності дуги, або, іншими словами, її жорсткість. Крута лінія графіка відповідає відносно жорсткій дузі з високим показником еластичності. Це також може бути і дуга з високим співвідношенням навантаження/вигину (велике навантаження, малий вигин). Навпаки, у дуги з низьким співвідношенням навантаження/згину буде відповідати полога лінія на графіку, низький показник еластичності, і її можна деформувати в більшому обсязі з меншою силою. Показник еластичності є внутрішнім фактором, зі зміною сплаву, під час нагрівання або фазі трансформації можна змінити цей показник, тобто жорсткість
Жорсткість дуги
Для того, щоб порівняти характеристики нових сплавів з уже знайомим для ортодонтів матеріалом - нержавіючою сталлю -, доктор Чарльз Берстон ввів міру жорсткості дуги Ws. По-перше, показник (модуль) еластичності порівнюється з нержавіючою сталлю, що виражається в мірі жорсткості матеріалу, Ms. Далі, щоб виявити співвідношення дуг різного розміру, необхідно ввести такий фактор як жорсткість залежно від перетину дуги, Cs. Жорсткість перерізу дуги буде різною для її характеристик вигинів першого та другого порядку. Діаграми демонструють жорсткість кількох дуг і жорсткість матеріалу.
 |
 |
Пружність
| Термін "пружність" часто розуміють неправильно- як синонім до поняття гнучкості. Це не відповідає властивостям матеріалів. Дуга з м'якого сплаву буває дуже гнучкою, але не чинить жодного опору. На графіку навантаження і деформації пружність є простором внизу кривої від її початку до межі еластичності.Ймовірно, пружність найкраще можна визначити як збережену енергію. При еластичному стані дроту зусилля, що прикладається до дуги для згинання, Вигин, може бути повернуто назад. Коли пружна дуга позбавляється навантаження, то використовує збережену енергію для передачі зусилля на зуб через брекет. Серед усіх механічних властивостей матеріалів для клінічного застосування найважливіша відмінність між сталлю і титановими сплавами полягає в пружності. |  |
Діапазон пластичності
Коли навантаження на дугу спричинило незворотну деформацію, дуга більше не є еластичною по суті, але водночас згинається і стає пластичною. Якщо зусилля досить велике, дуга іноді може зламатися, тому що досягла своєї граничної міцності. Графік залежності між навантаженням і деформацією більше не пропорційний.
Величина деформації від межі еластичності до моменту руйнування дуги називається діапазоном пластичності. Дуга з розширеним діапазоном пластичності має властивість формоутворення (формованість). Її можна гнути кілька разів без побоювання зламати. Дуга, на якій ви хочете гнути петлі, повинна мати хороший діапазон пластичності.
Пружна післядія (здатність до випрямлення)
Випрямлення - величина відновлення після деформації, яку робить дуга внаслідок зняття навантаження. Випрямлення найчастіше позначають числом градусів, на яке дуга повертається назад після вигинання при певному радіусі під певним кутом. Тобто це відсоток деформації. Наприклад, дуга вигнута під кутом 90◦ і випрямленням 45◦ матиме 50-відсоткове відновлення.
Нержавіюча сталь
Графік співвідношення навантаження і деформації для нержавіючої сталі має крутий підйом, показник еластичності 25x106 psi. Сталевий дріт має відносно короткий діапазон еластичності і тому легко піддається незворотній деформації. За малого діапазону еластичності та високого показника (модуля) еластичності, це відносно непружний матеріал, що має широкий діапазон пластичності з хорошим формоутворенням.
Нержавіюча сталь легко піддається зварюванню і пайці (металургійні властивості не відображені в графіку). Сталь була основним матеріалом в ортодонтії від 1930-х років і є основою для порівняння з іншими сплавами і конфігураціями дуг.
Дуги β-Титан - ТМА
У 1980 році було зроблено наступний крок після нержавіючої сталі та нікель-титану - розроблено сплав титану і молібдену (11% молібдену, 6% цирконію, 4% титану). Коефіцієнт жорсткості металу становить 0.42 (42% від жорсткості сталі). Цитуючи розробників цього сплаву: "нашим завданням було розробити ортодонтичний сплав, який за якостями перевершує всі відомі зразки. Попри те, що вимоги, які висувають до дотичних дуг, можуть відрізнятися залежно від їх застосування, можна виділити три загальні характеристики чудової дуги. По-перше, при вигині на великих ділянках дуга не повинна піддаватися незворотній деформації, отже, необхідна хороша здатність до випрямлення. Це сприяє тому, що клініцист може активувати апаратуру без постійної деформації, отже, досягається кращий контроль за переміщенням зубів і скорочуються інтервали для корекції під час лікування. По-друге, дуга має бути м'якшою за сталеві аналоги, що дасть змогу легко входити в паз брекета і водночас створювати легкі сили в системі. По- третє, дуга має бути дуже пластичною, тобто давати змогу легко змінювати вигин і без розломів формувати складні конфігурації - такі, як петлі."
Порівняння графіків навантаження і напруги у нержавіючої сталі і дуги ТМА демонструє унікальні властивості ТМА. У цієї дуги пружність більш ніж удвічі перевершує пружність сталі, зберігається великий діапазон пластичності і така ж здатність до формування, як у сталі. Проте, цю м'яку дугу слід згинати за більшим радіусом (навколо круглого кінця щипців).
Нікель-титанові сплави
Нітинол (Nitinol) - скорочення від Нікель-титан-лабораторія-морської-артилерії), був першим нікель-титановим сплавом в ортодонтії. Дослідження матеріалів цього класу були вперше проведені у ВМФ США, НАСА (Національне агентство з аеронавтики) та Університеті Айови 1971 року. Початкове призначення полягало в застосуванні матеріалу в супутниках зв'язку.
Супутники підживлювалися енергією від великих сонячних батарей. Нікель-титановий дріт становив раму для цих батарей. За температури навколишнього середовища на Землі дріт був винятково м'яким (до досягнення порога температурного переходу). Коли в космосі він піддавався теплу променів сонця, дріт нагрівався, проходячи поріг температурного переходу, набував пружності і тієї форми, яку було задано на Землі. Каркас із нікель-титану під час нагрівання розкривався, відкриваючи сонячні батареї. Ця властивість сплаву отримала назву пам'ять форми.
Доктор Джорж Андрезен (нині покійний), завідувач кафедри ортодонтії в університеті Айови, визнав можливість використання цієї дуги в ортодонтії. Після впровадження в практику 1977 року технологія і виробництво нікель-титанових сплавів зазнали значних змін.
Металургійні властивості пам'яті форми є результатом фазового переходу однієї кристалічної структури в іншу. Ця трансформація (між мартеситною та аустенітною фазою) відбувається з матеріалом у випадку, коли нікель-титановий сплав переходить через поріг TTR (температурно зумовлена трансформація), або піддається трансформації під дією навантаження.
Першою нікель-титановою дугою, представленою в ортодонтії, був Нітинол, який не мав властивостей, характерних для більшості сучасних нікель-титанових дуг. Часто дуги різних виробників, що мають різні властивості, називають Нітинолом. Дуги різних виробників мають різні фізичні властивості, що може мати значення для клінічного застосування. Оригінальні дуги Нітінол (випущені з 1977 по 1990) не мали властивості супереластичності і працювали з більш жорсткою силою. Для прояснення властивостей дуг цього сплаву представлено графік співвідношення зусилля і деформації.
Найбільша відмінність кривої зусилля/деформація нікель титану від інших сплавів у тому, що вона не лінійна в області межі еластичності. Ці нееластичні властивості назвали псевдоеластичністю. Причиною цієї диспропорції є перехід дуги з фази у фазу як результат прикладеної сили (сила зумовлює фазу трансформації).
Матеріал, який пропорційний у своєму еластичному стані (однофазний сплав), демонструє схожий графік як під час його подачі навантаження, так і під час його зняття. Через те, що прикладена сила викликає фазу трансформації нікель-титанового сплаву, крива розвантаження вирізняється її меншою силою порівняно з кривою завантаження. Через те, що сила, яку дуга передає на брекет, і, відповідно, на зуб, є першорядним фактором, крива зняття навантаження має додаткове значення.
Нікель-титан може після додаткової обробки набути властивості супереластичності. Супереластичність - це властивість створювати постійну силу незалежно від навантаження. На графіку зусилля і деформації ця властивість відображена відносно плоскою частиною кривої розвантаження. Для досягнення супереластичності дуга повинна починати роботу в аустенічній фазі.
Стаття Dr. Burstone (Китайська дуга NiTi - новий ортодонтичний сплав. AJODO 1985; 87:445-452) допомогла оцінити значення супереластичності. Його публікація вперше визначила різницю в роботі мартенситного Нітинолу і супереластичного Китайського NiTi.
Виробництво ортодонтичних дуг вимагає протягування через циліндри більшого розміру. Це проробляється багато разів для досягнення потрібного розміру або форми кінцевого продукту. Кожне протягування загартовує сплав. У той час як нержавіюча сталь не надто чутлива до цього процесу, нікель-титан чутливий.
Для досягнення бажаних властивостей потрібне остаточне температурне загартування. Нікель-титанова дуга, Nitinol, мала спеціальне механічне зміцнення, мартенситну фазу і не мала бажаних властивостей супереластичності.
Чому супереластичність така важлива? У тій публікації доктор Берстон 1985 року описав результати тестування і показав істотні відмінності у двох сплавів нікелю і титану - один мав супереластичні властивості (Китайський NiTI), а інший - Nitinol - з механічним зміцненням не був супереластичним (мал.1). Не супереластичний нікель-титан набував незворотної деформації і у нього була відсутня фаза трансформації при зняття навантаження. На рис. 2 Китайський NiTi (що випускається Ormco як дуга NiTi™) був вигнутий на 20, 40, 60 і 80 градусів, і вимірювався ступінь розвантаження при кожному вигині. При вираженому відхиленні (від 60° до 80°) чим ближче дуга була до своєї оригінальної аустенітної фази, тим жорсткішою вона ставала. При великому відхиленні дуга демонструвала менше сили, ніж при маленькому відхиленні. При великому відхиленні її жорсткість становила 7% від нержавіючої сталі, тоді як при маленькому відхиленні її жорсткість становила 28%. Інші параметри цього дослідження продемонстрували, що якщо дуга супереластична, то що ближче вона до своєї первісної форми, то ефективніше вона працює. Це вказує на те, що дуга може бути залишена доти, доки вона не стане абсолютно пасивною, за умови що, 1) вона не змінить властивостей під дією часу і 2) прикладена сила адекватна силі для бажаного переміщення зубів.
Для тестування залежності властивостей дуги від часу (рис. 3) було зафіксовано три брекети з нормальною відстанню між ними, але з такою різницею у висоті, за якої відбувалася необоротна деформація нержавіючої сталі. Дуги були видалені через одну хвилину, одну годину і три дні. Не супереластичний Nitinol з часом набував більшу деформацію. Супереластична NiTi не мала значної різниці у формі залежно від часу. Усі матеріали проходять через деякі діапазони температурної зміни, TTR. Вода переходить із фази льоду у воду і в пару за діапазону переходу TTR від 0° до 100°. Коли матеріал переходить через це температурне значення, то кажуть, що матеріал став термічно активним. Термічно активна ортодонтична дуга в ідеалі повинна мати фазу переходу за температури близько 22° і в ідеалі мати це значення близьке до 37°, температури порожнини рота. Діапазон температурного переходу (TTR) визначає найнижчу температуру, за якої сплав починає проходити фазу трансформації та найвищу температуру, за якої ця трансформація відбувається повністю.
Нижче значення TTR нікель-титановий сплав перебуває в мартенситній фазі. Після переходу через TTR він стає аустенічним. В аустенітній фазі він відновлює форму (в нашому випадку форму дуги, яка була закладена під час температурного оброблення за 450°С. Це властивість пам'яті форми.
| У 1991, у статті, що описує різні нікель-титанові дуги (Властивості згинання супереластичних і несупереластичних дуг NiTi, AJODO 1991, 99:310-318) зроблено акцент на вираженість відмінностей властивостей, які можуть існувати у практично ідентичних сплавів NiTi залежно від виробника. Поширеним питанням є питання ціни: чому одні фірми продають такі дуги менш ніж за 1$, а інші більш ніж за 5$.Насамперед різниця в ціні зумовлена складністю виготовлення якісних нікель-титанових дуг. Крім того, не кожна нікель-титанова дуга має супереластичність та інші необхідні властивості. Різниця у вартості додається для здійснення лабораторних етапів і проведення експертизи для досягнення супереластичних властивостей і для того, щоб дуга мала точність розміру та температурного значення переходу. |  |
Розтягнуті проміжки між відвідинами
Першою перевагою використання ортодонтичних дуг із титанового сплаву є якісний результат, час лікування та зменшення лабораторного етапу. У разі використання пружних дуг у багатьох випадках загальний час лікування може бути зменшений і в усіх випадках можуть бути збільшені інтервали між відвідуваннями. У процесі лікування незнімною апаратурою відвідування можуть бути в проміжки від 6 до 8 тижнів за того ж або коротшого загального часу лікування. Під час відвідування оцінюють прогрес лікування, змінюють силову складову , якщо потрібно, і замінюють деякі елементи (такі як еластичні лігатури). Велика частина часу йде на розмову з пацієнтом і батьками, мотивацію молодих пацієнтів до чищення зубів і кооперації з лікарем.
Для лікаря, який розуміє і максимізує характеристики титанових дуг, зменшується необхідність лабораторних етапів. Це береже час та енергію і з лишком компенсує додаткові витрати, пов'язані із застосуванням цих складніших сплавів.
Підсумок
Ортодонтичні дуги стали складнішими і вимагають, щоб лікар витратив час на вивчення їхніх властивостей, можливостей і обмежень. Подібно до навколишнього світу, ортодонтичні матеріали також стали більш технологічно складними. Для максимізації переваг новітніх дуг необхідно читати нову літературу і постійно бути в курсі останніх змін у цій галузі.
Доктор Майкл Л.Шварц
Каліфорнія, США