DE3510925C2 - Orthodontisches System zur Zahnbehandlung - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein orthodontisches System zur kieferorthopädi­ schen Zahnbehandlung mit an den Zähnen zu befestigenden Klammern und ei­ nem die Klammern verbindenden Spanndraht (orthodontischer Draht) aus einer superelastischen Ni-Ti-Legierung, mit dem die Zähne in die gewünschten Positio­ nen bewegt werden (45 40 37 324).

Bei orthodontischen Systemen zur Bewegung falschstehender Zähne in die ge­ wünschten Positionen werden im allgemeinen Klammern mit Hilfe von um die Zähne herumlaufenden Bändern oder mit Hilfe eines Klebstoffs an den einzelnen Zähnen befestigt und dann die Klammern mit Hilfe des Spanndrahts (orthodonti­ schen Drahts) verbunden, um eine Zugkraft zu erzeugen, unter deren Einwir­ kung die Zähne in die gewünschten Positionen bewegt werden.

Herkömmliche orthodontische Systeme verwenden Spanndrähte aus beispiels­ weise rostfreiem Stahl oder Co-Cr-Legierungen. Die US-A-41 97 643 beschreibt einen Spanndraht für orthodontische Anwendungen, welcher aus einer β-Titan­ legierung gebildet ist. Bei diesen herkömmlichen Drähten ist die sich aus der Ela­ stizität des Drahts ergebende Rückstellkraft begrenzt und die Elastizitätsmo­ duln besitzen hohe Werte.

Demzufolge sind komplizierte Methoden dazu notwendig, den Bewegungsbereich zu vergrößern, beispielsweise durch Ausbildung verschiedenartig geformter Schlingen zwischen den Klammern. Trotz solcher Maßnahmen nimmt die ortho­ dontische Kraft nach und nach mit der Bewegung der Zähne ab. Demzufolge ist mit dem Fortschreiten der kieferortohopädischen Behandlung eine erneute Ein­ stellung und/oder ein Austausch des Spandrahts notwendig. Weiterhin sind in Abhängigkeit von dem Ausmaß und dem Stadium der kieferorthopädischen Be­ handlung Drähte erforderlich, die in Abhängigkeit von diesen Anforderungen un­ terschiedliche Rückstellkräfte besitzen. Demzufolge ist eine Vielzahl von Be­ standteilen, wie die Spanndrähte unterschiedlicher Größe und daran angepaßte Klammern notwendig, was die kieferorthopädische Behandlung kompliziert macht. Zur Lösung dieser Probleme ist eine Methode entwickelt worden, die die ausgezeichneten Formrückstellungskräfte einer Ni-Ti-Legierung ausnützt, die auf dem Formgedächtniseffekt beruhen. Diese Legierungen besitzen die Zusam­ mensetzung der stöchiometrischen intermetallischen Verbindung mit einem Atomverhältnis von Ni und Ti von 1 : 1, die einer thermoelastischen martensiti­ schen Umwandlung unterliegen. Die Methode nützt den Formgedächtniseffekt aus, der ein spezifisches Phänomen darstellt, welches durch diese Umwandlung bedingt wird. So wird die gewünschte Form bei hoher Temperatur in die Legierung "eingespeichert". Erfolgt nun eine Deformierung bei einer Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur, so nimmt die Legierung die ursprüngliche Form wieder an, wenn sie auf eine Temperatur oberhalb der Umwandlungstemperatur erhitzt wird. Die Methode wendet diese Rückstellkraft oder Rückverformungs­ kraft für die kieferorthopädische Behandlung aus, wodurch die Anzahl der Ein­ stellvorgänge zur Anpassung des Drahtes vermindert werden kann. Weiterhin besitzt diese Legierung den Vorteil, daß sie eine ausgezeichnete Korrosionsbe­ ständigkeit und biologische Verträglichkeit aufweist. Auch im Fall der Drähte mit Formgedächtnis sollten Drähte verschiedener Größe bzw. Durchmesser herge­ stellt werden, um in Abhängigkeit von dem Ausmaß und dem Stadium der kie­ ferorthopädischen Behandlung die entsprechenden orthodontischen Kräfte zu erzeugen. Demzufolge kann zwar die Anzahl der Bestandteile im Hinblick auf die Klammern nicht verringert werden, jedoch ergibt sich eine erhebliche Vereinfa­ chung der Methode.

Die US-A-40 37 324 beschreibt ein ortohodontisches System zur Zahnbehand­ lung mit an den Zähnen zu befestigenden Klammern und einem die Klammern verbindenden Spanndraht aus einer superelastischen Ni-Ti-Legierung. mit de­ nen die Zähne in die gewünschten Positionen bewegt werden können. Die Rück­ stellkraft des hierbei verwendeten Spanndrahts ist jedoch konstant.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein orthodontisches Sy­ stem zur Zahnbehandlung mit an den Zähnen zu befestigenden Klammern und einem die Klammern verbindenden Spanndraht vorzusehen, bei dem es in einfa­ cher Weise möglich ist, die Rückstellkraft des Spanndrahtes an den Zustand der kieferorthopädischen Behandlung anzupassen.

Als Ergebnis der verschiedenen durchgeführten Untersuchungen haben die Er­ finder erkannt, daß die Rückstellkräfte als Folge der Superelastizität durch die Wärmebehandlung eingestellt werden können. Die Superelastizität ist ein einzigartiges Phänomen der oben angesprochenen Ni-Ti-Le­ gierung, die bei einer Temperatur oberhalb der martensi­ tischen Umwandlungstemperatur auftritt. Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse wurde ein orthodontisches System zur Zahnbehandlung geschaffen, welches die Behandlung wesent­ lich vereinfacht und die Anwendung von Spanndrähten einer einzigen Größe oder einer wesentlich geringeren Anzahl von Größen in praktisch sämtlichen Stadien der Behandlung ermöglicht.

Gegenstand der Erfindung ist daher das orthodontische Sy­ stem zur Zahnbehandlung gemäß Hauptanspruch. Die Unteran­ sprüche betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen dieses Erfindungsgegenstandes.

Die Erfindung betrifft somit ein orthodontisches System zur Zahnbehandlung mit an den Zähnen zu befestigenden Klammern und einem oder mehreren die Klammern verbinden­ den Spanndraht (orthodontischer Draht) aus einer superelastischen Ni-Ti-Legierung, mit dem oder de­ nen die Zähne in die gewünschten Positionen bewegt wer­ den, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die Rückstellkraft (Rückverformungskraft) des Spanndrahtes durch eine Wärmebehandlung eingestellt worden ist.

Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1(A) und (B) ein Beispiel des orthodontischen Systems zur Zahnbehandlung, wobei die Fig. 1(A) eine Seitenansicht und die Fig. 1(B) eine Draufsicht wiedergeben;

Fig. 2 ein Beispiel der Meßmethode zur Bestimmung der Rückstellkraft des Spanndrahts; und

Fig. 3 bis 5 Kurvendarstellungen, die Belastungs-Verfor­ mungskurven zeigen, die die Beziehung zwischen der Wärmebehandlung und der Rückstellkraft des erfindungsgemäßen Spanndrahts verdeutlichen.

Erfindungsgemäß wird als Spanndraht ein Draht aus einer superelastischen Ni-Ti-Legierung eingesetzt, der eine aus­ gezeichnete Korrosionsbeständigkeit und eine gute biolo­ gische Verträglichkeit besitzt und es ermöglicht, die Rückstellkraft durch eine Wärmebehandlung an den Zustand der kieferorthopädischen Behandlung anzupassen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß bei der kieferorthopädischen Behandlung nur Spanndrähte einer einzigen Größe bzw. we­ niger unterschiedlicher Größen verwendet werden können.

Die Superelastizität ist die Eigenschaft eines Materials, wie beispielsweise von Gummi, auch bei einer Verformung über die Elastizitätsgrenze hinaus die ursprüngliche Form wieder anzunehmen. Bei üblichen metallischen Materialien erfolgt bei einer Verformung über die Elastizitätsgrenze hinaus eine plastische Verformung, so daß lediglich ein Teil der elastischen Verformung, die im Höchstfall 0,5% beträgt, bei der Entlastung wieder zurückgestellt wird. Im Gegensatz dazu kann die superelastische Legierung bei der Entlastung ihre ursprüngliche Form auch dann wieder annehmen, wenn sie mit einer Verformung von etwa 10% be­ lastet worden ist. Die sich aufgrund dieser Superelasti­ zität ergebende Rückstellkraft oder Rückverformungskraft nimmt in Abhängigkeit von der Wärmebehandlung ab, wobei diese Abnahme um so größer ist, je höher die angewandte Temperatur und je länger die Wärmebehandlungsdauer ist. Demzufolge kann die Rückstellkraft oder Rückverformungs­ kraft gezielt über die Auswahl der Temperatur und der Dauer der Wärmebehandlung eingestellt werden.

Wenn eine superelastische Ni-Ti-Legierung für diesen Zweck verwendet wird, ist es erforderlich, daß die Umwandlungs­ temperatur der Legierung unterhalb der Körpertemperatur liegt. Zur Erzielung einer solchen Umwandlungstemperatur wird das Zusammensetzungsverhältnis von Ni und Ti in der Weise ausgewählt, daß sich ein Gehalt von 50,0 bis 51,0 Atom-% Ni und von 50 bis 49,0 Atom-% Ti ergeben, wobei einer oder beide Bestandteile Ni und Ti in einer geringen Menge von weniger als 0,5 Atom-% durch eines, zwei oder mehr als zwei Elemente, wie Co, Cr, Fe, etc. ersetzt wer­ den können. Die Umwandlungstemperatur der superelastischen Ni-Ti-Legierung ist extrem stark abhängig von ihrer Zu­ sammensetzung und kann durch geringfügige Änderungen der Zusammensetzung erniedrigt werden.

Die Wärmebehandlung zur Einstellung der Rückstellkraft be­ steht darin, den Draht aus der superelastischen Ni-Ti-Le­ gierung auf eine gerade Form oder eine bogenförmige Form zur Anpassung an die Zähne zu verformen und dann in geeig­ neter Weise wärmezubehandeln, beispielsweise durch Erhit­ zen auf eine Temperatur von 300 bis 600°C während einer Heizdauer von einigen Sekunden bis einigen Stunden in der Atmosphäre oder in einer Inertgasatmosphäre. Insbesondere ist eine elektrische Heizbehandlung geeignet. Mit Hilfe dieser Heizmethode ist es möglich, die Rückstellkraft lokal durch positionsabhängige Wärmebehandlung in axialer Richtung variabel einzustellen. Weiterhin kann der Draht zum Zeitpunkt der Wärmebehandlung auf die gewünschte Krüm­ mung gebracht werden. Im folgenden sei die Erfindung an­ hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Man bildet eine Legierung aus 51 Atom-% Ni und Ti als Rest durch Schmelzen und Vergießen im Vakuum. Der erhaltene Bar­ ren wird geschmiedet, dann warmgewalzt und schließlich kalt gezogen. Während des Ziehprozesses bewirkt man mehre­ re Zwischenwärmebehandlungen, so daß man schließlich einen Draht mit einem Durchmesser von 0,4 mm erhält.

Nach dem Entfernen des Zunders von der Oberfläche des Ma­ terials wird das Drahtmaterial geradlinig gestreckt und einer Wärmebehandlung unterworfen, wonach die Rückstell­ kraft des Drahtes wie folgt bestimmt wird: Wie in der Fig. 2 dargestellt ist, wird ein Paar von Stäben 4, 4′ mit einem Durchmesser von 7 mm einander gegenüber liegend derart angeordnet, daß der Abstand der Mittelpunkte dieser Stäbe 14 mm beträgt. Dann werden Klammern 2 an den Stäben 4, 4′ angeordnet und der Spanndraht 3 befestigt. Anschlie­ ßend belastet man die Mitte des Drahtes mit einem runden Stab 5 mit einem Durchmesser von 5,0 mm, wonach man die Rückstellkraft über die Biegung δ abschätzt. Die Ergeb­ nisse sind in den Fig. 3 bis 5 dargestellt. Diese Messung simuliert die kieferorthopädische Behandlung eines Be­ reichs vom Eckzahn bis zum vorderen Backenzahn.

Die Fig. 3 bis 5 zeigen die ermittelten Belastungs-Verfor­ mungs-Kurven. Die Kurve eines Legierungsdrahts, der nach dem Kaltziehen einer Richtbehandlung bei einer mittleren Temperatur unterworfen worden ist, ist mit der Ziffer 6 in der Fig. 3 dargestellt. Die Kurven der Drähte, die ei­ ner Wärmebehandlung bei 500°C während 5, 10, 60 bzw. 120 Minuten unterworfen worden sind, sind mit den Zahlen 7, 8, 9 bzw. 10 bezeichnet. Die in der Fig. 4 dargestellten Kurven 11, 12, 13 bzw. 14 zeigen das Verhalten von Dräh­ ten, die einer Wärmebehandlung während 5, 10, 60 bzw. 120 Minuten bei 400°C unterworfen worden sind. Die Kurven 15, 16, 17 bzw. 18 der Fig. 5 verdeutlichen Kurven von Dräh­ ten, die einer Wärmebehandlung bei 600°C während 5, 10, 60 bzw. 120 Minuten unterzogen worden sind.

Die Figuren lassen ohne weiteres erkennen, daß die Drähte aus der superelastischen Ni-Ti-Legierung auch bei sehr großer Verformung eine konstante Rückstellkraft zeigen, wobei die Spannungen bei der Belastung (aufwärtsgerichte­ ter Pfeil) bzw. der Entlastung (abwärtsgerichteter Pfeil) unterschiedlich sind. Bei der orthodontischen Behandlung des Zahnes ist die Spannung bei der Entlastung, d. h., die Rückstellkraft oder die Rückverformungskraft, von Be­ deutung, wobei diese Rückstellkraft in Abhängigkeit von der Wärmebehandlungstemperatur und der Wärmebehandlungs­ dauer variiert. Demzufolge kann durch eine entsprechende Auswahl dieser Bedingungen die gewünschte Rückstellkraft eingestellt werden. Die Rückstellkraft des flachen Be­ reichs bei der Entlastung ändert sich von 270 g (Nr. 6) auf 220 g durch eine Wärmebehandlung während 5 Minuten bei 500°C (Nr. 7). Die Rückstellkraft verändert sich wei­ terhin auf 200 g, 100 g bzw. 65 g durch die Behandlung während 10 Minuten (Nr. 8), 60 Minuten (Nr. 9) bzw. 120 Minuten (Nr. 10). Die Rückstellkräfte der bei 400°C wäh­ rend 5 Minuten (Nr. 11), 10 Minuten (Nr. 12), 60 Minuten (Nr. 13) bzw. 120 Minuten (Nr. 14) betragen 250 g, 230 g, 200 g bzw. 190 g. Im Fall der bei 600°C während 5 Minuten (Nr. 15), 10 Minuten (Nr. 16), 60 Minuten (Nr. 17) bzw. 120 Minuten (Nr. 18) behandelten Drähte werden die fla­ chen Bereiche wegen eines bestimmten Ausmaßes der Rest­ verformung nicht beobachtet, wenngleich sich ein Rück­ verformungsverhalten in Abhängigkeit von der Behandlungs­ zeit erkennen läßt.

Wenngleich oben Spanndrähte mit linearer Form beschrie­ ben worden sind, ist die Erfindung nicht hierauf be­ schränkt. Beispielsweise kann die Rückstellkraft durch die Wärmebehandlung auch nach oder während der Verfor­ mung zu einer Bogenform eingestellt werden. Hierzu wird der Draht mit den an den Zähnen befestigten Klammern ver­ bunden, wobei zu diesem Zeitpunkt die Krümmung des Bogens nach der Wärmebehandlung zur Einstellung der gewünschten Rückstellkraft angepaßt werden kann. Weiterhin kann die Rückstellkraft auch über die Krümmung zwischen benachbar­ ten Klammern eingestellt werden. Diese Maßnahmen können unabhängig oder zusammen mit der Wärmebehandlung durchge­ führt werden. Hierzu bietet sich insbesondere eine elek­ trische Heizbehandlung an, bei der beide Enden oder ge­ eignete Zwischenbereiche des Drahts mit zwei oder mehre­ ren Klemmen gefaßt und ein elektrischer Strom zwischen den Klemmen hindurchgeführt wird, wodurch der Draht auf die gewünschte Form gebracht werden kann.

Wie oben erläutert, kann erfindungsgemäß die Rückstell­ kraft oder Rückverformungskraft des Spanndrahts gezielt auf die gewünschte Stärke eingestellt werden. Demzufolge ermöglicht der erfindungsgemäße Spanndraht nicht nur ei­ ne kieferorthopädische Behandlung mit einer dem Behand­ lungszustand entsprechenden Rückstellkraft, sondern auch mit einer konstanten Rückstellkraft, die mit dem Fort­ schreiten der kieferorthopädischen Behandlung nicht nach­ läßt. Weiterhin wird die Anzahl der Behandlungsvorgänge zum Austausch oder zur Wiederbefestigung des Drahts deut­ lich vermindert, und es kann auch die Anzahl der Klammern in Abhängigkeit von der Größe des Drahts verringert wer­ den. Als Ergebnis davon läßt sich die kieferorthopädische Behandlung in wesentlichem Ausmaß vereinfachen. Weiterhin kann die Rückstellkraft lokal eingestellt werden, d. h., bezüglich eines einzelnen Zahns erhöht oder verringert werden, so daß eine spezielle Behandlung dieses Zahns er­ folgen kann.

Claims (3)

1. Orthodontisches System zur Zahnbehandlung mit an den Zähnen zu befestigenden Klammern und einem die Klammern verbindenden Spann­ draht aus einer superelastischen Ni-Ti-Legierung, mit denen die Zähne in die gewünschten Positionen bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellkraft des Spanndrahtes durch eine Wärmebehandlung eingestellt worden ist.

2. Orthodontisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellkraft des Spanndrahts entweder nach dem Verformen oder während des Verformens zu einer geraden oder gekrümmten Form zur An­ passung an die Zähne durch die Wärmebehandlung auf die gewünschte Stärke eingestellt worden ist.

3. Orthodontisches System nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rückstell­ kraft des Spanndrahts durch positionsabhängige Wärmebe­ handlung in in axialer Richtung variierender Weise einge­ stellt worden ist.