DE112006003334T5

DE112006003334T5 - Kieferorthopädische Artikel mit Siliciumnitridbeschichtungen

Info

Publication number: DE112006003334T5
Application number: DE112006003334T
Authority: DE
Inventors: William E. Saint Paul Wyllie II; David S. Saint Paul ARNEY; Glenys A. Saint Paul Thorstenson; Brian J. Saint Paul Gates
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2008-10-23
Also published as: WO2007075347A2; JP2009519761A; JP5437636B2; US20070134609A1; WO2007070633A3; DE112006003369T5; US20070134610A1; WO2007070633A2; WO2007075347A3; JP2009519762A; JP2013075191A

Abstract

Kieferorthopädischer Artikel mit:
einem Substrat des kieferorthopädischen Artikels; und
einer Beschichtung, die auf mindestens einem Abschnitt des Substrats angeordnet ist, wobei die Beschichtung Siliciumnitrid aufweist.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Priorität wird gegenüber der vorläufigen Anmeldung Lfd. Nr. 60/743031, eingereicht am 14. Dezember 2005 mit dem Titel "Orthodontic Articles With Low-Resistance Coatings" beansprucht. Verwiesen wird hiermit auch auf die gleichzeitig anhängige Patentanmeldung ..., eingereicht am gleichen Tag (Anwaltsaktenzeichen 61122US006) mit dem Titel "Orthodontic Articles With Zirconium Oxide Coatings".
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft allgemein Dentalartikel zur Verwendung bei der kieferorthopädischen Behandlung zur Korrektur von Malokklusionen (Bißanomalien). Insbesondere betrifft die Erfindung solche kieferorthopädische Artikel wie Brackets und Bogendrähte, die widerstandsarme Beschichtungen enthalten.
Die kieferorthopädische Behandlung betrifft die Bewegung von Zähnen in verbesserte Stellungen zur Verbesserung der Gesichtsästhetik eines Patienten, insbesondere in Bereichen nahe der Vorderseite des Patientenmunds. Außerdem kann die kieferorthopädische Behandlung die Okklusion des Patienten verbessern, so daß die Zähne beim Kauen besser miteinander funktionieren.
Eine Art von kieferorthopädischem Behandlungssystem verfügt über einen Satz kleiner als Brackets bekannter Artikel, die an den Frontalzähnen, Eckzähnen und Prämolaren des Patienten befestigt werden. Jedes der Brackets hat einen Schlitz, um einen als Bogendraht bekannten elastischen Draht aufzunehmen. Der Bogendraht funktioniert als Bahn, um die Bewegung der Brackets und damit die Bewegung der zugehörigen Zähne in gewünschte Stellungen zu führen. Normalerweise sind Enden des Bogendrahts in Durchgängen kleiner Geräte aufgenommen, die als Bukkalröhrchen bekannt und an den Molaren des Patienten befestigt sind.
Kieferorthopädische Brackets sind in vielfältigen Materialien erhältlich, beispielsweise metallischen Materialien (z. B. Edelstahl), Kunststoffmaterialien (z. B. Polycarbonat) und Keramikmaterialien. Besonders verbreitet sind solche Keramikmaterialien wie monokristallines und polykristallines Aluminiumoxid, da sie Brackets bilden können, die durchsichtig oder durchscheinend sind. Das durchsichtige oder durchscheinende Aussehen reduziert die Sichtbarkeit der Brackets, wodurch ästhetische Qualitäten erhalten bleiben. Allerdings zeigen Keramikmaterialien normalerweise einen Scheuereffekt mit Bogendrähten, wobei die harten Keramikmaterialien des Brackets, Kerben in die relativ weichen Materialien des Bogendrahts im Gebrauch schleifen. Die Kerben wirken effektiv als Sperren, die das Bewegen des Brackets entlang dem Bogendraht behindern. Dadurch kann das Scheuern die Bewegung der Zähne verlangsamen, was somit die Behandlungszeit verlängern kann. Folglich besteht Bedarf an kieferorthopädischen Artikeln, die Scheuern verringern, niedrige Reibwiderstandswerte zeigen und gute ästhetische Qualitäten beibehalten.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bei der Erfindung handelt es sich um einen kieferorthopädischen Artikel, der ein Substrat und eine Beschichtung aufweist, die auf mindestens einem Abschnitt des Substrats angeordnet ist, wobei die Beschichtung Siliciumnitrid aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des kieferorthopädischen Artikels.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Vorderansicht von Zähnen eines exemplarischen Patienten im Verlauf einer kieferorthopädischen Behandlung mit einer kieferorthopädischen Apparatur der Erfindung.
2 ist eine von oben gezeigte Perspektivansicht eines Brackets der kieferorthopädischen Apparatur der Erfindung.
3 ist eine Schnittansicht des Schnitts 3-3 in 2 und zeigt im Querschnitt Komponenten des Brackets.
4 ist eine Schnittansicht eines Bogendrahts der kieferorthopädischen Apparatur der Erfindung und zeigt im Querschnitt Komponenten des Bogendrahts.
Während die o. g. Zeichnungen mehrere Ausführungsformen der Erfindung darstellen, sind auch andere Ausführungsformen erwogen, was in der Diskussion erwähnt ist. In allen Fällen stellt die Offenbarung die Erfindung zur Veranschaulichung und nicht zur Einschränkung dar. Verständlich sollte sein, daß dem Fachmann zahlreiche andere Abwandlungen und Ausführungsformen deutlich sein werden, die dem Schutzumfang und Grundgedanken der Erfindungsgrundsätze entsprechen. Die Zeichnungen sind möglicherweise nicht maßstäblich. In den Zeichnungen sind durchweg gleiche Bezugszahlen zur Bezeichnung gleicher Teile verwendet.
NÄHERE BESCHREIBUNG
1 ist eine Vorderansicht von Zähnen 10 im Verlauf einer kieferorthopädischen Behandlung mit einer kieferorthopädischen Apparatur 12 der Erfindung. Zu den Zähnen 10 gehören ein oberer Zahnbogen 14 und ein unterer Zahnbogen 16. Entsprechend weist die kieferorthopädische Apparatur 12 eine obere kieferorthopädische Spange 18 und eine untere kieferorthopädische Spange 20 auf, die mit dem oberen Zahnbogen 14 bzw. unteren Zahnbogen 16 verbunden sind, um für die kieferorthopädische Behandlung zu sorgen.
Die obere kieferorthopädische Spange 18 weist mehrere Brackets 22 und einen Bogendraht 24 auf. Jedes Bracket 22 ist mit einem einzelnen Zahn des oberen Zahnbogens 14 verklebt, und der Bogendraht 24 erstreckt sich um den oberen Zahnbogen 14, um einen Eingriff mit jedem Bracket 22 herzustellen. Ähnlich weist die untere kieferorthopädische Spange 20 mehrere Brackets 26 und einen Bogendraht 28 auf, wobei jedes Bracket 26 mit einem einzelnen Zahn des unteren Zahnbogens 16 verklebt ist und sich der Bogendraht 28 um den unteren Zahnbogen 16 erstreckt, um einen Eingriff mit jedem Bracket 26 herzustellen. Die Bogendrähte 24 und 28 funktionieren als Bahnen, um die Bewegung der Brackets 22 und 26 in gewünschte Stellungen im kieferorthopädischen Behandlungsverlauf zu führen.
Wie später diskutiert, enthalten ein oder mehrere der Brackets 22 und 26 und/oder der Bogendrähte 24 und 28 Siliciumnitrid-(SiN_x)Beschichtungen, um bei der Gleitmechanik der kieferorthopädischen Behandlung zu unterstützen. Insbesondere reduzieren die Beschichtungen das Scheuern und den Reibungswiderstand zwischen den Brackets 22 und dem Bogendraht 24 sowie zwischen den Brackets 26 und dem Bogendraht 28. Justiert somit ein Arzt den Bogendraht 24 während der kieferorthopädischen Behandlung, verschieben sich die Brackets 22 und die zugehörigen Zähne über die Länge des Bogendrahts 24 in Längsrichtung unter dem Einfluß induzierter Kräfte, die vom Arzt ausgewählt werden. Durch das verringerte Scheuern und Reiben, für das die Beschichtungen sorgen, können sich die Brackets 22 leichter entlang dem Bogendraht 24 verschieben. Dies reduziert die Zeit und den Aufwand, die zum Abschluß der kieferorthopädischen Behandlung erforderlich sind.
2 ist eine von oben gezeigte Perspektivansicht eines einzelnen Brackets 22. Zur leichteren Diskussion beziehen sich 2 bis 4 nur auf die Komponenten der oberen kieferorthopädischen Spange 18 (d. h. die Brackets 22 und den Bogendraht 24). Verständlich ist aber, daß die Offenbarung ebenso auf die Komponenten der unteren kieferorthopädischen Spange 20 zutrifft (d. h. die Brackets 26 und den Bogendraht 28). Gemäß 2 weisen die Brackets 22 eine Basis 30 und Flügel (Tiewings) 32 und 34 auf. Die Basis 30 ist der Abschnitt der Brackets 22, der mit einer Zahnoberfläche verklebt wird. Die Flügel 32 und 34 sind ein Paar flügelartige Strukturen, die zum Festhalten des Bogendrahts 24 (nicht gezeigt) mit der Basis 30 einstückig verbunden sind. In alternativen Ausführungsformen kann das Paar Flügel 32 und 34 durch vereinigte Flügel oder einen einzelnen Flügel zum Festhalten des Bogendrahts 24 ersetzt sein.
Die Maße des Flügels 32 legen einen Schlitz 36 sowie Ligaturaussparungen 38a und 38b fest. Ähnlich legen die Maße des Flügels 34 einen Schlitz 40 sowie Ligaturaussparungen 42a und 42b fest. Die Schlitze 36 und 40 sind die Abschnitte des Brackets 22, die einen Eingriff mit dem Bogendraht 24 herstellen und die Beschichtungen zur Reibungsminderung zwischen dem Bracket 22 und dem Bogendraht 24 enthalten. Die Ligaturaussparungen 38a, 38b, 42a und 42b sind so konfiguriert, daß sie eine standardmäßige Elastomer- oder Drahtligatur zum Festhalten des Bogendrahts 24 in den Schlitzen 36 und 40 aufnehmen.
Im Gebrauch kann ein Arzt einen Abschnitt des Bogendrahts 24 in den Schlitzen 36 und 40 plazieren, um jedes Bracket 22 in der oberen kieferorthopädischen Spange 18 miteinander zu verbinden. Danach kann eine Ligatur über dem Bogendraht 24 und in den Aussparungen 38a und 38b hinter dem Flügel 32 und den Aussparungen 42a und 42b hinter dem Flügel 34 plaziert werden. Damit wird der Bogendraht 24 in den Schlitzen 36 und 40 befestigt. Justiert der Arzt den Bogendraht 24 im kieferorthopädischen Behandlungsverlauf, ermöglichen das verringerte Scheuern und Reiben, wofür die Beschichtungen in den Schlitzen 36 und 40 sorgen, daß sich das Bracket 22 entlang dem Bogendraht 24 leichter verschiebt. Damit sind die Zeit und der Aufwand verringert, die zum Abschluß der kieferorthopädischen Behandlung erforderlich sind.
3 ist eine vordere Schnittansicht am Schnitt 3-3 in 2, die die Querschnittkomponenten des Brackets 22 zeigt. Darstellungsgemäß weist das Bracket 22 ein Substrat 44 und eine Beschichtung 46 auf. Das Substrat 44 macht die Masse des Brackets 22 aus und kann in seiner Zusammensetzung vielfältige Materialien aufweisen. Zu Beispielen für geeignete Materialien für das Substrat 44 zählen metallische Materialien (z. B. Edelstahl), Kunststoffmaterialien (z. B. Polycarbonat) und Keramikmaterialien (z. B. monokristallines und polykristallines Aluminiumoxid). Zu Beispielen für besonders geeignete Materialien für das Substrat 44 gehören Keramikmaterialien mit guten optischen Eigenschaften, z. B. gemäß der Offenbarung in der US-A-4954080 (Kelly et al.) und US-A-6648638 (Castro et al.). Das Substrat 44 kann mit Standardtechniken zur Herstellung kieferorthopädischer Brackets ausgebildet sein. Alternativ kann das Substrat 44 ein handelsübliches kieferorthopädisches Bracket sein, das anschließend behandelt wird, um die Beschichtung 46 aufzuweisen. Zu Beispielen für geeignete handelsübliche kieferorthopädische Brackets zählen die Keramikbrackets der Serien mit den Handelsnamen "TRANSCEND" und "CLARITY", die von 3M Unitek Corporation, Monrovia, CA zu beziehen sind. In einer Ausführungsform, z. B. mit dem Keramikbracket der Serie mit dem Handelsnamen "CLARITY", kann das Substrat 44 eine gesonderte Auskleidung (nicht gezeigt) aufweisen, die im Schlitz 36 (und Schlitz 40 gemäß 2) befestigt ist. Zu geeigneten Materialien für die gesonderte Auskleidung gehören die zuvor für das Substrat 44 diskutierten.
Die Beschichtung 46 ist eine Schicht, die das Substrat 44 im Schlitz 36 im wesentlichen bedeckt, wodurch sie für einen niedrigen Reibungskoeffizienten im Schlitz 36 sorgt. Ein zweiter Abschnitt der Beschichtung 46 (nicht gezeigt) bedeckt ebenfalls auf die gleiche Weise im wesentlichen das Substrat 44 im Schlitz 40. Vorzugsweise erstreckt sich die Beschichtung 46 über mindestens zwei Oberflächen jedes der Schlitze 36 und 40, und stärker bevorzugt erstreckt sie sich über alle drei Oberflächen jedes der Schlitze 36 und 40. Durch Plazieren der Beschichtung 46 in den Schlitzen 36 und 40 wird Scheuern und der Reibungswiderstand an den Eingriffsstellen zwischen dem Bracket 22 und dem Bogendraht 24 verringert. Dadurch kann sich das Bracket 22 bei Justierungen relativ zum Bogendraht 24 leicht verschieben. In alternativen Ausführungsformen kann die Beschichtung 46 das Substrat 44 bei Bedarf auch an anderen Stellen des Brackets 22 bedecken. Beispielsweise kann die Beschichtung 46 im wesentlichen über die gesamte Außenfläche des Substrats mit Ausnahme der Unterseite der Basis 30 aufgebracht sein, die mit einem Zahn verklebt wird.
In der Zusammensetzung weist die Beschichtung 46 Siliciumnitrid (SiN_x) (z. B. Si₃N₄) auf, das eine widerstandsarme Beschichtung vorsieht, die für das bloße Auge im wesentlichen klar (d. h. im wesentlichen durchsichtig und farblos) ist. Geeignete Farbmessungen für die Beschichtung 46 relativ zum Substrat 44 weisen ΔE-Werte von höchstens etwa 4,0 für Weiß- und Schwarzstandard-Hintergründe auf, wobei besonders geeignete Farbmessungen ΔE-Werte von höchstens etwa 3,0 aufweisen und noch stärker geeignete Farbmessungen ΔE-Werte von höchstens etwa 2,0 aufweisen. Wie später diskutiert, beruht der ΔE-Wert auf dem L*a*b-Farbmaßsystem der Commission Internationale de l'Eclairage (CIE). Aus der Perspektive eines typischen Betrachters ist ein ΔE-Wert von etwa drei ungefähr die Grenze visueller Farbunterscheidung. Gemäß der Diskussion in Y. K. Lee et al., "Color and Translucency of Resin Composites after Curing, Polishing and Thermocycling", Operative Dentistry, 2005, 30-4, Seiten 436 bis 442; sowie in N. John, "Spectrophotometers and Delta-E: Your color ruler", Newspaper & Technology, www.newsandtech.com, Conley Magazines, LLC, Juni 2006 gelten ΔE-Werte von etwa vier nur als geringe Farbänderungen.
Außer im wesentlichen klar zu sein, verhindert die Beschichtung 46 auch direkten Kontakt zwischen dem Material des Substrats 44 und dem Material des Bogendrahts 24. Damit wird effektiv verhindert, daß das Material des Substrats 44 Kerben in die Materialien des Bogendrahts 24 schleift, was die Scheuerwirkung verringert. Im Gegensatz zur Beschichtung 46 zeigen aus Zirconiumnitrid (ZrN) gebildete Beschichtungen metallische Farbtöne, die die ästhetischen Qualitäten der darunterliegenden Substrate beeinträchtigen. Da aber die Zusammensetzung der Beschichtung 46 Siliciumnitrid aufweist, wahrt die Beschichtung 46 die Ästhetik des Substrats 44, während sie zugleich die Gleitmechanik verbessert. Von besonderem Nutzen ist dies, wenn die Zusammensetzung des Substrats 44 ein Keramikmaterial aufweist, das gute optische Eigenschaften zeigt.
Zudem kann Siliciumnitrid als Dünnfilm aufgetragen sein, während es immer noch Scheuern reduziert und eine reibungsarme Oberfläche bildet. Zu Beispielen für geeignete Schichtdicken für die Beschichtung 46 gehören höchstens etwa 10 Mikrometer, wobei zu besonders geeigneten Schichtdicken höchstens etwa 5 Mikrometer gehören und wobei zu noch stärker geeigneten Schichtdicken höchstens etwa 1 Mikrometer gehören. Die Dünnschichten für die Beschichtung 46 sind vorteilhaft, da das Substrat 44 gebildet werden kann, ohne die Dicke der Beschichtung 46 zu berücksichtigen. Dadurch können handelsübliche Brackets für das Substrat 44 ohne Abwandlungen verwendet werden, um der Dicke der Beschichtung 46 Rechnung zu tragen.
Vor dem Aufbringen kann das Substrat 44 Oberflächenbehandlungen erfahren, z. B. Plasmaätzen und reaktives Ionenätzen, um für gute Verbindung zwischen dem Substrat 44 und der Beschichtung 46 zu sorgen. Danach kann die Beschichtung 46 auf vielfältige Weise auf das Substrat 44 aufgebracht werden. Zu Beispielen für geeignete Abscheidungstechniken zählen chemisches Aufdampfen, plasmaverstärktes chemisches Aufdampfen, Sputterbeschichten, reaktives Elektronenstrahlbeschichten und deren Kombinationen. Metallische und keramische Maskenmerkma le können verwendet werden, um die Abscheidung auf die Schlitze 36 und 40 zu begrenzen.
Zu besonders geeigneten Abscheidungstechniken zur Bildung der Beschichtung 46 gehören chemisches Niederdruckaufdampfen (LPCVD), reaktives Sputterbeschichten, plasmaverstärktes chemisches Aufdampfen bei niedrigerer Temperatur (PECVD), Vakuum-Plasma-Abscheidung bei niedriger Temperatur (LTVPD) und deren Kombinationen. Zu geeigneten LPCVD-Systemen zählen Thermco-LPCVD-Systeme, in denen die Siliciumnitridbeschichtungen aus stöchiometrischen Mengen von Dichlorsilan-(SiH₂Cl₂) und Ammoniak-(NH₃)Gasen abgeschieden werden können. Zu geeigneten LTVPD-Systemen gehören Abscheidungssysteme mit dem Handelsnamen "TRANSIMAX", die im Handel von Surmet Company, Burlington, MA zu beziehen sind. Nach dem Aufbringen kann die Beschichtung 46 auch Behandlungen nach der Abscheidung erfahren, z. B. Polieren, um die ästhetischen Qualitäten des Brackets 22 zu erhöhen.
4 ist eine Schnittansicht des Bogendrahts 24 an einer Ebene senkrecht zur Länge des Bogendrahts 24 in Längsrichtung, die eine alternative Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Darstellungsgemäß enthält der Bogendraht 24 ein Substrat 48 und eine Beschichtung 50. Das Substrat 48 ist ein standardmäßiges Bogendrahtsubstrat und kann in der Zusammensetzung ein metallisches Material, z. B. Edelstahl, Beta-Titan und Nitinol (d. h. eine Nickel-Titan-Formgedächtnislegierung) aufweisen. Während der Bogendraht 24 in der Darstellung in 4 eine runde Querschnittkonfiguration hat, kann der Bogendraht 24 alternativ andere geometrische Querschnitte aufweisen (z. B. einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt). Die Beschichtung 50 ist eine Siliciumnitrid-(SiN_x)Beschichtung, die im wesentlichen um die gesamte Oberfläche des Substrats 48 aufgebracht ist. Beispiele für geeignete Materialien und Schichtdicken für die Beschichtung 50 sind die gleichen wie die zuvor für die Beschichtung 46 (gemäß 3) diskutierten. Ferner können die Materialien auf die gleiche Weise wie zuvor diskutiert aufgebracht sein, um eine Dünnschicht zu bilden, die das Substrat 48 im wesentlichen umgibt.
In dieser Ausführungsform enthält der Bogendraht 24 die Beschichtung 50 zum Reduzieren des Scheuer- und Reibungswiderstands zwischen dem Bracket 22 und dem Bogendraht 24. Dadurch kann das Bracket ein kieferorthopädisches Standard-Bracket sein. Durch die Dünnschicht der Beschichtung 50 kann der Bogendraht 24 mit kieferorthopädischen Standard-Brackets verwendet werden, ohne daß Abwandlungen an den Schlitzen zum Festhalten des Bogendrahts 24 erforderlich sind. Justiert der Arzt den Bogendraht 24 während der kieferorthopädischen Behandlung, ermöglicht das verringerte Scheuern und der geringere Reibungswiderstand, für den die Beschichtung 50 sorgt, daß sich das Bracket 22 entlang dem Bogendraht 24 leichter verschiebt. Damit verringern sich Zeit und Aufwand, die zum Abschluß der kieferorthopädischen Behandlung notwendig sind, auf die gleiche Weise wie in der vorstehenden Diskussion für das Bracket 22 in 2 und 3.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann das Bracket 22 die Beschichtung 46 wie zuvor diskutiert aufweisen, und der Bogendraht 24 kann die Beschichtung 50 enthalten. Damit werden Scheuern und der Reibungswiderstand zwischen dem Bracket 22 und dem Bogendraht 24 weiter verringert, indem die Beschichtung 46 die Beschichtung 50 kontaktiert, wenn der Bogendraht 24 einen Eingriff mit dem Bracket 22 herstellt. Somit kann die kieferorthopädische Apparatur 12 der Erfindung vielfältige kieferorthopädische Artikel aufweisen, beispielsweise Brackets (z. B. Brackets 22 und 26) und Bogendrähte (z. B. Bogendrähte 24 und 28), die Siliciumnitridbeschichtungen enthalten. Dadurch können die Brackets im Verlauf von Justierungen durch Ärzte entlang den Bogendrähten leichter gleiten, was die Zeit und den Aufwand verringert, die für kieferorthopädische Behandlungen erforderlich sind.
BEISPIELE
Die Erfindung wird in den folgenden Beispielen näher beschrieben, die aber nur zur Veranschaulichung dienen, da dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen und Varianten im Schutzumfang der Erfindung deutlich sein werden. Sofern nicht anders angegeben, sind alle in den folgenden Beispielen erwähnten Angaben zu Teilen, Prozentsätzen und Verhältnissen gewichtsbezogen, und alle in den Beispielen verwendeten Reagenzien wurden von den nachstehend beschriebenen Chemikalienlieferanten bezogen, sind von ihnen erhältlich oder können durch herkömmliche Techniken synthetisiert werden.
Beispiel 1
Kieferorthopädische Brackets von Beispiel 1 mit Siliciumnitridbeschichtungen mit Molekülformeln Si₃N₄ wurden jeweils gemäß dem nachfolgend dargestellten Verfahrensablauf hergestellt. Eine Siliciumnitridbeschichtung wurde mit Hilfe eines Thermco-LPCVD-Ofens abgeschieden, der ein Siliciumoxidrohr mit 14 Zentimetern (5,5 Inch) Durchmesser und 2,1 Metern (7 Foot) Länge aufwies, das in Heizelementen eingeschlossen war. Eine mechanische Vakuumpumpe wurde mit einem ersten Ende des Ofens verbunden, und das zweite Ende enthielt eine abgedichtete Metalltür mit Anschlüssen zur Prozeßgaseinspritzung. Ein Probenkeramikbracket wurde gemäß der US-A-6648638 (Castro et al.) hergestellt. Danach wurde das Probenkeramikbracket auf einem Siliciumoxidschiffchen plaziert und in einer Prozeßzone des Siliciumoxidrohrs positioniert. Anschließend wurde der Ofen abgedichtet, mit der Vakuumpumpe evakuiert und auf eine Bearbeitungstemperatur von 810°C erwärmt.
Dichlorsilan-(SiH₂Cl₂) und Ammoniak-(NH₃)Gas wurden danach in den Ofen mit einem Durchfluß von 40 Normkubikzentimetern (sccm) bzw. 100 sccm eingeleitet. Im Handel sind das Dichlorsilan- und Ammoniakgas von Sigma-Aldrich Chemical Company, Saint Louis, MO. zu beziehen. Dies sorgte für einen Bearbeitungsdruck von etwa 350 Milli-Torr. Die höheren Durch flösse von Ammoniakgas relativ zum Dichlorsilangas wurden verwendet, um für richtige stöchiometrische Verhältnisse für die resultierende Siliciumnitridbeschichtung zu sorgen. Die hohe Temperatur und der niedrige Druck in der Bearbeitungszone dissoziierten das Dichlorsilan- und Ammoniakgas, was dazu führte, daß Si und N auf der freiliegenden Oberfläche des Probenkeramikbrackets abgeschieden wurden, um eine 0,5 Mikrometer dicke Siliciumnitridbeschichtung zu bilden. Die Beschichtung bedeckte im wesentlichen die gesamte freiliegende Oberfläche des Drahtschlitzes und zeigte gute Haftung am Probenkeramikbracket. Für jedes hergestellte Probenkeramikbracket war die Beschichtung klar und farblos. Somit wahrten die Siliciumnitridbeschichtungen die ästhetischen Qualitäten der darunterliegenden Probenkeramikbrackets.
Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel A
Kieferorthopädische Brackets von Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel A wurden jeweils gemäß dem nachfolgenden Verfahrensablauf mit Hilfe eines kieferorthopädischen Brackets hergestellt, das im Handel unter dem Handelsnamen "TRANSCEND"-Bracket mit Haken für obere Eckzähne, Teile-Nr. 6001-706 von 3M Unitek Corporation, Monrovia, CA zu beziehen ist. Das Probenkeramikbracket von Vergleichsbeispiel A war ein unbeschichtetes Bracket, bei dem der Drahtschlitz ohne eine Siliciumnitridbeschichtung freilag.
Das Probenkeramikbracket von Beispiel 2 wurde gemäß dem nachfolgend dargestellten Verfahrensablauf hergestellt. Eine Siliciumnitridbeschichtung (mit einer Molekülformel Si₃N₄) wurde mit Hilfe eines Vakuumsystems mit Turbopumpe unter dem Handelsnamen "Research S-Gun" abgeschieden, das im Handel von Sputtered Films, Inc., Santa Barbara, Ca zu beziehen ist. Das Probenkeramikbracket wurde auf Metallplaneten plaziert (die umlaufen und drehen, was für Gleichmäßigkeit der Beschichtungen sorgt), die als Probenhalter dienen, und das Probenkeramikbracket wurde so maskiert, daß nur der Bogendrahtschlitz für die Abscheidung freilag.
Nach Auspumpen auf den Basisdruck wurden Argon- und Stickstoffgas mit einem Durchfluß von 25 sccm bzw. 10 sccm in die Kammer eingeleitet. Eine Folge von Flügeln, die an der Turbopumpe angebracht waren, wurde teilweise geschlossen, um die Pumpgeschwindigkeit zu begrenzen und den Kammerdruck während des Abscheidungsverfahrens auf 4 mTorr zu erhöhen. Eine kreisförmige Silicium-Targetelektrode wurde mit 500 Watt und einer Frequenz von 13,56 MHz HF-gespeist, um die Siliciumatome zu liefern. Auch das Planetensystem wurde mit einer Nennleistung von 20 bis 50 Watt und 13,56 MHz vorgespannt bzw. gespeist. Danach wurde Siliciumnitrid auf dem Probenkeramikbracket über eine ausreichende Abscheidungszeit aufgebracht, um eine 0,49 Mikrometer dicke Siliciumnitridbeschichtung zu bilden.
An den Probenkeramikbrackets von Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel A wurde eine quantitative Farbmessung nach dem folgenden Verfahrensablauf vorgenommen. Die Farbmessungen wurden durchgeführt, um die Farbe des Probenkeramikbrackets so zu registrieren, wie sie auf Weiß- und Schwarzstandard-Hintergründen erscheint. Bei den Hintergründen handelte es sich um handelsübliche Hintergründe mit dem Handelsnamen "SRS-99-010" für den Weißstandard-Hintergrund und "SRS-02-010" für den Schwarzstandard-Hintergrund von Labsphere, Inc., North Sutton, NH.
Die Farbmessungen erfolgten mit Hilfe eines Lichtstromphotometers mit dem Handelsnamen "X-RITE SP64" unter Verwendung von ColorMaster-Software, die im Handel von X-Rite, Inc., Grandville, MI zu beziehen sind. Ein Probenkeramikbracket wurde auf dem (Weiß- oder Schwarz-)Standard-Hintergrund in einer Testapertur mit 4 Millimeter Durchmesser plaziert.
Dieses Verfahren maß das Aussehen des Brackets sowie eines kleinen Abschnitts des Standard-Hintergrunds. Eine Lichtquelle D65 (Licht mit 6504 Kelvin) mit einem Beobachtungswinkel von zehn Grad kam zum Einsatz (normalerweise wird dieser Aufbau als D65/10° bezeichnet). Die Daten wurden unter Ausschluß von spiegelnder Reflexion (SPEX) registriert, um Glanzeffekte zu minimieren.
Das Farbmeßsystem beruhte auf dem L*a*b-Farbmaßsystem der Commission Internationale de l'Eclairage (CIE). Das System mißt L Helligkeit (L*), Rot/Grün (a*) und Gelb/Blau (b*) für jedes Probenkeramikbracket. Die Gesamtdifferenz zwischen Proben wird als ΔE-Wert ausgedrückt:
wobei ΔL*, Δa* und Δb* die Differenzen der L*-, a*- oder b*-Ablesungen des Probenkeramikbrackets von Beispiel 2 und der entsprechenden Ablesungen eines Versuchsstandards sind. Hierbei war der Versuchsstandard das Probenkeramikbracket von Vergleichsbeispiel A, und die für den Versuchsstandard verwendeten Ablesungen waren die Mittelwerte von drei getrennten Probenkeramikbrackets von Vergleichsbeispiel A. Tabelle 1 zeigt die L*-, a*-, b*-Ablesungen und die ΔE-Werte für die Probenkeramikbrackets von Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel A bei Verwendung eines "Weiß"-Standard-Hintergrunds. TABELLE 1

L* a* b*

Beispiel Ablesung St.-Abw. Ablesung St.-Abw. Ablesung St.-Abw. ΔE

Beispiel 2 91,08 0,40 0,75 0,04 5,89 0,83 2,34

Vergl.-bsp. A 91,91 0,22 0,78 0,14 3,71 0,38 0,00
Tabelle 2 zeigt die L*-, a*- oder b*-Ablesungen und die ΔE-Werte für die Probenkeramikbrackets von Beispiel 2 und Vergleichsbeispiel A bei Verwendung eines "Schwarz"-Standard-Hintergrunds. TABELLE 2

L* a* b*

Beispiel Ablesung St.-Abw. Ablesung St.-Abw. Ablesung St.-Abw. ΔE

Beispiel 2 66,65 0,24 0,04 0,30 2,85 0,63 1,34

Vergl.-bsp. A 65,89 0,38 0,16 0,09 1,76 0,35 0,00
Aus den Ergebnissen der Tabellen 1 und 2 gehen die guten ästhetischen Qualitäten des Probenkeramikbrackets von Beispiel 2 hervor. Hinsichtlich der Ergebnisse gemäß Tabelle 1 (d. h. weißer Hintergrund) zeigte das Probenkeramikbracket von Beispiel 2 etwas mehr Gelb (+b*) bezogen auf den Standard (d. h. Vergleichsbeispiel A). Allerdings lag eine sehr geringe Änderung bei den Ergebnissen für Helligkeit (L*) oder Rot/Grün (a*) vor. Insgesamt war die Farbdifferenz zwischen dem Probenkeramikbracket von Beispiel 2 und Vergleichsbeispielen A auf dem weißen Hintergrundklein. Wie zuvor diskutiert, ist aus der Perspektive eines typischen Betrachters ein ΔE-Wert von etwa drei die ungefähre Grenze der visuellen Unterscheidung. Im Vergleich dazu zeigte das Probenkeramikbracket von Beispiel 2 einen ΔE-Wert, der unter diesem Grenzwert lag.
Zusätzlich wurden die Probenkeramikbrackets ohne Verwendung von Bogendrähten betrachtet, die während der kieferorthopädischen Behandlung normalerweise vorhanden sind. Normalerweise sitzt ein Bogendraht im beschichteten Drahtschlitz und bedeckt einen wesentlichen Abschnitt der Beschichtung. Außerhalb der Drahtschlitze war das Probenkeramikbracket von Beispiel 2 mit dem unbeschichteten Probenkeramikbracket von Vergleichsbeispiel A visuell identisch. Somit wahrte die Siliciumnitridbeschichtung der Erfindung die visuellen ästhetischen Qualitäten des darunterliegenden Keramikbrackets.
Beispiele 3 bis 5 und Vergleichsbeispiel B
Kieferorthopädische Brackets der Beispiele 3 bis 5 und des Vergleichsbeispiels B wurden jeweils hergestellt und gemessen, um ihre statischen und dynamischen Reibungskoeffizienten zu bestimmen, wenn eine Normal-(d. h. Ligations-)Kraft auf einen entsprechenden Bogendraht ausgeübt wird. Das kieferorthopädische Bracket von Vergleichsbeispiel B war ein unbeschichtetes Keramikbracket, das gemäß der US-A-6648638 (Castro et al.) hergestellt war und bei dem der Drahtschlitz ohne eine Siliciumnitridbeschichtung freilag. Zehn Probenbrackets von Vergleichsbeispiel B wurden auf statische und dynamische Reibungskoeffizienten geprüft.
Die kieferorthopädischen Brackets der Beispiele 3 bis 5 wurden jeweils nach dem Verfahrensablauf hergestellt, der zu vor für das kieferorthopädische Bracket von Beispiel 2 diskutiert wurde, wobei die kieferorthopädischen Brackets der Beispiele 3 bis 5 Siliciumnitridbeschichtungen (mit Molekülformeln Si₃N₄) aufwiesen, die Dicken von 0,29 Mikrometern, 0,49 Mikrometern bzw. 1,07 Mikrometern hatten. Fünf Probenbrackets für jedes der Beispiele 3 bis 5 wurden auf statische und dynamische Reibungskoeffizienten geprüft.
Danach wurde ein Edelstahl-Bogendraht mit jedem Probenbracket gekoppelt, wobei jeder Bogendraht eine gerade Länge von elastischem rechteckigem Draht, Teile-Nr. 253-825 (zu beziehen von 3M Unitek Corporation, Monrovia, CA) mit Maßen von 460 Mikrometern × 640 Mikrometern (0,018 Inch × 0,025 Inch) war. Danach wurde jedes Probenbracket mit Hilfe einer Grundierung und eines Klebers mit einem Stahlstück so verklebt, daß die Verordnungseffekte negiert wurden. Die Grundierung und der Kleber, die zum Einsatz kamen, waren handelsübliche Materialien mit den Handelsnamen "SCOTCHPRIME" bzw. "TRANSBOND XT", beide von 3M Unitek Corporation, Monrovia, CA. Danach wurde das Stahlstück in einer speziellen Reibungsprüfvorrichtung in einer mechanischen Versuchsmaschine MTS Q-Test eingespannt, die von MTS Systems Corporation, Eden Prairie, MN zu beziehen ist.
Für jedes Bogendraht-Bracket-Paar wurden Nennnormalkräfte von 400 Gramm, 600 Gramm, 100 Gramm, 300 Gramm, 200 Gramm und 500 Gramm auf den Bogendraht auf der mesialen und distalen Seite des Brackets über zwei Edelstahl-Ligaturdrähte mit 360 Mikrometern (0,014 Inch) Durchmesser ausgeübt. Alle Reibungsprüfungen wurden im Trockenzustand durchgeführt (d. h. in Abwesenheit von Speichel). Überwacht wurden die Normalkräfte mit einem Wandler, der im Handel unter dem Handelsnamen "ATI NANO 17 DAQ F/T Transducer" von ATI Industrial Automation, Inc., Apex, NC erhältlich ist. Die verwendete Zugkraft zum Ziehen des Bogendrahts durch das Bracket wurde durch eine 100-Newton-Kraftmeßdose gemessen.

Danach wurden die mittlere Normalkraft und Reibungskraft für die statische Reibung und dynamische Reibung berechnet, wobei die Reibungskraft gleich der Hälfte der Zugkraft war. Für jedes kieferorthopädische Bracket-Bogendraht-Paar der beispiele 3 bis 5 und des Vergleichsbeispiels B wurden die statischen Reibungskräfte als Funktion der ausgeübten Normalkräfte aufgetragen, und es wurde eine lineare Regressionslinie erzeugt. Anschließend wurde der statische Reibungskoeffizient für jedes kieferorthopädische Bracket-Bogendraht-Paar als Steigung der linearen Regressionslinie (d. h. statische Reibungskraft/Normalkraft) berechnet. Ausreißer, die keinen R²-Korrelationskoeffizienten von mindestens 0,80 bezogen auf die lineare Regressionslinie erfüllten, wurden aus der Analyse ausgeschlossen. Die gleiche Analyse kam auch zum Einsatz, um den dynamischen Reibungskoeffizienten als Steigung der dynamischen Reibungskraft/Normalkraft zu bestimmen. Tabelle 3 zeigt die mittleren statischen und dynamischen Reibungskoeffizienten und die entsprechenden Standardabweichungen für die kieferorthopädischen Brackets der Beispiele 3 bis 5 und des Vergleichsbeispiels B. TABELLE 3

Beispiel	Beschichtungsdicke (Mikrometer)	Statischer Reibungskoeffizient (kg/kg)	Dynamischer Reibungskoeffizient (kg/kg)
Beispiel 3	0,29	0,36 ± 0,22	0,34 ± 0,22
Beispiel 4	0,49	0,28 ± 0,03	0,25 ± 0,02
Beispiel 5	1,07	0,25 ± 0,06	0,26 ± 0,08
Vergleichsbeispiel B	entfällt	0,26 ± 0,06	0,26 ± 0,06

Die Ergebnisse gemäß Tabelle 3 veranschaulichen die niedrigen statischen und dynamischen Reibungskoeffizienten für kieferorthopädische Brackets der Erfindung. Darstellungsgemäß zeigten die Probenbrackets von Beispiel 5 niedrigere mittlere statische Reibungskoeffizienten verglichen mit dem unbeschichteten Bracket von Vergleichsbeispiel B, wobei das unbeschichtete Bracket von Vergleichsbeispiel B ein feinkörniges Keramikbracket war. Außerdem verhinderten die Beschichtungen für die Brackets der Beispiele 3 bis 5 direkten Kontakt zwischen dem Bracket und dem Bogendraht, wodurch sie die Keramikmaterialien der Brackets daran hinderten, Kerben in die Bogendrähte zu schleifen. Damit wurden die Scheuereffekte reduziert.
Obwohl die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, daß Änderungen in Form und Detail vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann die zuvor beschriebene Beschichtung (z. B. die Beschichtungen 46 und 50) auf andere kieferorthopädische Artikel aufgebracht sein, darunter selbstligierende kieferorthopädische Brackets und kieferorthopädische Bukkalröhrchen.
Zusammenfassung
Kieferorthopädische Artikel mit Siliciumnitridbeschichtungen
Bei der Erfindung handelt es sich um einen kieferorthopädischen Artikel (22, 24) mit einem Substrat (44, 48) und einer Beschichtung (46, 50), die auf mindestens einen Abschnitt des Substrats (44, 48) aufgebracht ist, wobei die Beschichtung (46, 50) Siliciumnitrid aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4954080 A [0018]
- US 6648638 A [0018, 0029, 0041]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Y. K. Lee et al., "Color and Translucency of Resin Composites after Curing, Polishing and Thermocycling", Operative Dentistry, 2005, 30-4, Seiten 436 bis 442 [0020]
- N. John, "Spectrophotometers and Delta-E: Your color ruler", Newspaper & Technology, www.newsandtech.com, Conley Magazines, LLC, Juni 2006 [0020]

Claims

Kieferorthopädischer Artikel mit: einem Substrat des kieferorthopädischen Artikels; und einer Beschichtung, die auf mindestens einem Abschnitt des Substrats angeordnet ist, wobei die Beschichtung Siliciumnitrid aufweist.
Kieferorthopädischer Artikel nach Anspruch 1, wobei der kieferorthopädische Artikel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem kieferorthopädischen Bracket und einem kieferorthopädischen Bogendraht besteht.
Kieferorthopädischer Artikel nach Anspruch 1, wobei der kieferorthopädische Artikel ein Keramikbracket aufweist.
Kieferorthopädischer Artikel nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung einen ΔE-Wert von höchstens etwa 4,0 relativ zum Substrat für einen Reflexionsstandard-Hintergrund aufweist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Weißstandard-Hintergrund und einem Schwarzstandard-Hintergrund besteht.
Kieferorthopädischer Artikel nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine Schichtdicke von höchstens etwa 10 Mikrometern hat.
Kieferorthopädischer Artikel nach Anspruch 5, wobei die Schichtdicke der Beschichtung höchstens etwa 5 Mikrometer beträgt.
Kieferorthopädischer Artikel nach Anspruch 6, wobei die Schichtdicke der Beschichtung höchstens etwa 1 Mikrometer beträgt.
Kieferorthopädisches System mit: einem kieferorthopädischen Bracket mit mindestens einem Bogendrahtschlitz, wobei das kieferorthopädische Bracket aufweist: ein Bracketsubstrat; und eine erste Beschichtung, die auf dem Bracketsubstrat in dem mindestens einen Bogendrahtschlitz angeordnet ist, wobei die erste Beschichtung Siliciumnitrid aufweist; und einem kieferorthopädischen Bogendraht, der so konfiguriert ist, daß er einen Eingriff mit dem kieferorthopädischen Bracket an dem mindestens einen Bogendrahtschlitz herstellt.
Kieferorthopädisches System nach Anspruch 8, wobei das Bracketsubstrat ein Keramikmaterial aufweist.
Kieferorthopädisches System nach Anspruch 9, wobei die Beschichtung einen ΔE-Wert von höchstens etwa 4,0 relativ zum Bracketsubstrat für einen Reflexionsstandard-Hintergrund aufweist, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Weißstandard-Hintergrund und einem Schwarzstandard-Hintergrund besteht.
Kieferorthopädisches System nach Anspruch 8, wobei die erste Beschichtung eine Schichtdicke von höchstens etwa 5 Mikrometern hat.
Kieferorthopädisches System nach Anspruch 11, wobei die Schichtdicke der ersten Beschichtung höchstens etwa 1 Mikrometer beträgt.
Kieferorthopädisches System nach Anspruch 8, wobei der kieferorthopädische Bogendraht ein Drahtsubstrat und eine zweite Beschichtung aufweist, die auf mindestens einem Abschnitt des Drahtsubstrats angeordnet ist, wobei die zweite Beschichtung Siliciumnitrid aufweist.
Kieferorthopädisches System nach Anspruch 13, wobei die zweite Beschichtung die erste Beschichtung kontaktiert, wenn der kieferorthopädische Bogendraht einen Eingriff mit dem kieferorthopädischen Bracket an dem mindestens einen Bogendrahtschlitz herstellt.
Verfahren zur Herstellung eines kieferorthopädischen Artikels, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen eines Substrats des kieferorthopädischen Artikels; und Aufbringen einer Beschichtung auf mindestens einen Abschnitt des Substrats, wobei die Beschichtung Siliciumnitrid aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Substrat ein Keramikmaterial aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner mit Behandeln des Substrats mit einem Vorgang, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Plasmaätzen und reaktivem Ionenätzen besteht.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Aufbringen der Beschichtung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus chemischem Aufdampfen, plasmaverstärktem chemischen Aufdampfen, Sputterbeschichten, reaktivem Elektronenstrahlbeschichten und deren Kombinationen besteht.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Aufbringen der Beschichtung aufweist: Abscheiden eines Dichlorsilangases und eines Ammoniakgases mit Hilfe eines chemischen Niederdruck-Aufdampfsystems.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner mit Maskieren mindestens eines zweiten Abschnitts des Substrats.