DE2910021A1

DE2910021A1 - Orthodontischer draht und damit hergestellte orthodontische vorrichtung

Info

Publication number: DE2910021A1
Application number: DE19792910021
Authority: DE
Inventors: Charles J Burstone; A Jon Goldberg
Original assignee: University of Connecticut
Current assignee: University of Connecticut
Priority date: 1978-03-14
Filing date: 1979-03-14
Publication date: 1979-09-27
Also published as: DE2910021C2; JPS54129797A; JPS6320141B2; FR2419715B1; US4197643A; FR2419715A1

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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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.

BEISPIEL 1

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-

-2
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-

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.

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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.

BEISPIEL 2

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

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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.

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	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 ( χ1O^b bar)	1,73

Verhältnis von
Streckgrenze zu
Elastizitätsmodul (x 10~²)

Maximale Durchbiegung bis zur
Biegegrenze
(mm)

Kraft pro Einheit der Versetzung
(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

BEISPIEL 3

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

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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.

TABELLE II

Draht

Wärmebehandlung

Temp. ⁰C

Zeit Ch)

Durchbiegung bis
zur Biegegrenze

(mm)

Kraft/Einheit der Durchbiegung
(p/mm)

Rostfreier
Stahl

Legierung
·· .. 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

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Claims

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 rostfreie

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Stahldraht 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-

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kennzeichnet, 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.

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