DE69116751T2

DE69116751T2 - Orthodontische Vorrichtung mit kontrollierbarer Korrekturkraft

Info

Publication number: DE69116751T2
Application number: DE69116751T
Authority: DE
Inventors: Naoharu Yamamoto; Kiyoshi Yamauchi
Original assignee: Tomy Co Ltd; Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1990-06-07
Filing date: 1991-06-07
Publication date: 1996-07-11
Anticipated expiration: 2011-06-08
Also published as: EP0465836B1; US5137446A; EP0465836A2; EP0465836A3; DE69116751D1

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine orthodontische Vorrichtung zur Benutzung bei der Korrektur einer irregulären und unnormalen Ausrichtung der Zähne und einer Fehlanpassung des oberen und unteren Kiefers, und insbesondere auf solche Vorrichtungen, die einen Ti-Ni-Legierungsdraht benutzen, der eine gesteuerte Korrekturkraft erzeugen kann.
Zum Korrigieren der irregulären Ausrichtung der Zähne ist gewöhnlich ein elastisches Drahtelement als ein Element der orthodontischen Vorrichtung benutzt worden. Im einzlnen, daß Drahtelement wird in eine geeignete oder ideale Bogenform gebogen und durch Bügel an den oberen oder unteren Zähnen zum Bewegen eines jeden der Zähne aufgrund der Formwiedergewinnungskraft des Drahtelementes angebracht.
Als elastisches Drahtelement ist kürzlich, obwohl herkömmlicherweise ein rostfreier Stahldraht benutzt worden ist, ein Nitinol- oder Ti-Ni-Formgedächtnislegierungsdraht benutzt worden, wie er in einer Veröffentlichung mit dem Titel "Laboratory and clinical analyses of nitinol wire" von Andreasen u.a., Am. J. Orthod., Februar 1978, Seiten 142-151 (Entgegenhaltung 1) und einer anderen Veröffentlichung mit dem Titel "A clinical trial of alignment of teeth using a 0.019 inch thermal nitinol wire with a transition temperature range between 31ºC and 45ºC" von Andreasen, Am., J. Orthod. November 1980, Seiten 528-537 (Entgegenhaltung 2) und anderen offenbart ist.
Entgegenhaltung 2 offenbart, daß sich ein Nitinoldraht, der bei 500ºC geglüht ist, von dem rostfreiem Edelstahl durch die Ruckfedereigenschaften unterscheidet und durch die Mundwärme zum Zurückkehren in seine ursprüngliche Form aktiviert wird. Die Rückspringeigenschaft des Nitinol ist als Pseudoelastizität bekannt. Die Pseudoelastizität wird als ein ungewöhnliches elastisches Verhalten in einer Veröffentlichung mit dem Titel "CRYSTAL STRUCTURE AND MICROSTRUCTURE OF A COLD WORKED TiNi ALLOY WITR UNUSUAL ELASTIC BEHAVIOR" von Tadaki u.a., METALLURGICA, Wd. 14, 1980, Pergamon Press Ltd. Seiten 911-914 (Entgegenhaltung 3) bezeichnet. Die kaltverformte TiNi-Legierung weist die Pseudoelastizität auf und wird für das othodontische Drahtelement benutzt.
Bei der Korrektur der Zahnausrichtung ist die gewünschte Korrekturkraft nicht für alle Zähne gleich. Genauergesagt, es sei angenommen, daß die gewünschte Kraft eins (1) für Schneidezähne der Maxilla oder des Oberkiefers sei, dann werden Korrekturkräfte von 1,5, 1,5 und 3,8 für die Eckzähne, die Prämolaren bzw. die Molaren des Oberkiefers gewünscht, und 0,7, 1,1, 1,1 und 3,2 werden für die Schneidezähne, Eckzähne, Prämolaren bzw. ersten Molaren des Mandibula oder des Unterkiefers gewünscht.
Eine typische gewünschte Korrekturkraft beträgt ungefähr 80g für die Schneidezähne.
Wenn ein einzelnes orthodontisches Drahtelement für die Korrektur der oberen oder unteren Zähne benutzt wird, ist es schwierig, die Korrekturkraft auf eine gewünschte für jeden der Zähne einzustellen. Folglich ist es schwierig, die Beschwerden des Patienten zu verringern. Es ist kompliziert, verschiedene Drähte für verschiedene Abschnitte der Zähne zu benutzen.
Als ein anderer Aspekt der Orhodontik ist es bekannt, daß eine Schraubenfeder zur Korrektur der Fehlanpassung des Oberkiefers und des Unterkiefers benutzt wird. Die Schraube verbindet den Oberkiefer mit dem Unterkiefer so, daß die Schraube sie in die richtige Okklusionsbeziehung aufgrund der Elastizität bewegt. Wenn die Schraubenfeder stark ist, erhöht sie die Beschwerden des Patienten, wenn sie jedoch schwach ist, wird die Korrektur nicht ausreichend bewirkt. Da weiter die Schraube einer großen Zahl von Wiederholungen der Ausdehnung und Zusammenziehung unterliegt, ist es wünschenswert, eine hohe Dauerhaftigkeit der Wiederholung der Ausdehnung und der Zusammenziehung zu haben.
In der am 21. August 1990 veröffenlichten US-A-4 950 340, nach dem Anmeldetag der Prioritätsanmeldung für die vorliegende Anmeldung, ist es ein intermetallische Verbindungslegierung beschrieben, die geeignet ist zum Herstellen von Metallgüssen zum Bilden einer Depolarisierungsmischung für Trockenzellen, Stempel zum Ziehen optischer Fasern und ähnliches und verschiedener Metallartikel, die abnutzungsfest sind, wie Ventilteile und Pumpenteile sind. Die intermetallische Verbindungslegierung besteht im wesentlichen aus Ni oder Co oder beiden von 45 bis 60%, Si von 0,01 bis 1%, Re von 0 bis 2%, Hf von 0 bis 2%, C von 0 bis 2% und einem oder mehrerer Elemente, die aus der Gruppe gewählt sind, die aus Zr, Fe, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn besteht, von 0 bis 5% und einem oder mehrerer Elemente, die aus der Gruppe gewählt sind, die aus P, Co, Zn, Ga, Ge, Cd, In, Sn, Sb, Pb und Bi besteht, von 0 bis 2%, und dem Rest aus Ti und zufälligen Verunreinigungen. Die Prozentsätze sind Atomprozentsätze.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine orthodontische Vorrichtung vorzusehen, die die Beschwerden eines Patienten verringern kann, ohne Wirkungen gegen die Korrektur, insbesondere als Drahtelement, daß es möglich macht, Korrekturkräfte zu erzeugen, die für Zähne gewünscht werden, die an verschiedenen Positionen angeordnet sind. Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen solch eines othodontischen Drahtelementes vorzusehen.
Diese Aufgabe wird durch ein orthodontisches Drahtelement gelöst, wie es in Anspruch 1 angegeben ist. Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Rerstellungsverfahren für solch ein orhodontisches Drahtelement, wie es in Anspruch 5 angegeben ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den entsprechenden Unteransprüchen angegeben.
Es folgt eine kurze Beschreibung der Zeichnungen.
Fig. 1 ist ein Diagramm, das Spannungs- Dehnungskurven von Ti49,5 Ni&sub5;&sub0; C0,50-Legierungsdrähten darstellt, die bei verschiedenen Wärmebehandlungsbedingungen geglüht sind;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das Spannungs- Dehnungskurven von Ti49,5 Ni&sub4;&sub9; C0,5 V1,0-Legierungsdrähten darstellt, die bei verschiedenen Wärmebehandlungsbedingungen geglüht sind;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das Spannungs- Dehnungskurven von Ti49,3 Ni50,7-Legierungsdrähten darstellt, die bei verschiedenen Wärmebehandlungsbedingungen geglüht sind;
Fig. 4 ist ein vergrößertes Diagramm, das Spannungs- Dehnungskurven von Ti49,5 Ni&sub5;&sub0; C0,50-Legierungsdrähten darstellt, die bei verschiedenen Wärmebehandlungsbedingungen geglüht sind;
Fig. 5 ist ein vergrößertes Diagramm, das Spannungs- Dehnungskurven von Ti49,3 Ni50,7 darstellt, das bei verschiedenen Wärmebehandlungsbedingungen geglüht ist;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das eine Spannungs- Dehnungskurve von einem Ti49,5 Ni&sub5;&sub0; C0,50-Legierungsdraht darstellt, der bei 500º0 während 150 Minuten geglüht ist;
Fig. 7 ist ein Diagramm, das eine Spannungs- Dehnungskurve von Ti49,3 Ni50,7 darstellt, das bei der Wärmebehandlungsbedingung ähnlich der Fig. 6 geglüht ist;
Fig. 8 ist ein orthodontisches Drahtelement für die oberen Zähne gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 ist ein orthodontisches Drahtelement für die unteren Zähne gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 10 und 11 sind Ansichten, die einen Kontraktionszustand und einen Expansionszustand eines orthodontischen Schraubenelementes gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen.
Für die orthodontische Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Draht benutzt, der aus einer Legierung gemacht ist, die durch die folgende chemische Formel dargestellt wird Tia Nib-c Cc, a + b = 100, b 50 bis 52, c = 0,25 bis 5,0. Der Legierungsdraht weist eine Pseudoelastizität bei der natürlichen menschlichen Körpertemperatur auf, und die Pseudoelastizität wird durch die Wärmebehandlungsbedingung so gesteuert, daß der Draht verschieden sein kann in seiner Formwiedergewinnungsspannung oder -kraft an verschiedenen Abschnitten an ihm entlang.
Die Zugabe von C (Kohlenstoff) zu der TiNi-Legierung senkt die austenitische und martensitische Übergangstemperatur durch Erzeugen von TiC in der Legierung. Zusätzlich hierzu dient zu zum Erhöhen der unbelasteten Formwiedergewinnungsspannung innerhalb des pseudoelastischen Bereiches. Zu diesem Zwecke beträgt der Betrag von C 0,25 Atom-% oder mehr. Wenn er 5 Atom-% übersteigt, ist die Kaltverformung der resultierenden Legierung praktisch unmöglich. Daher ist der Betrag von C auf 5 Atom-% oder weniger beschränkt.
Eine andere Legierung, die durch Ersetzen eines Teiles von Ti und Ni der oben beschriebenen Ti- Ni- C-Legierung durch V, Cr, Se, Nb, Ta, W und Al erhalten wird, kann für die orthodontische Vorrichtung ähnlich der oben beschriebenen Ti- Ni- C-Legierung benutzt werden. Die resultierende Legierung wird durch eine chemische Formel von Tia Nb-c-d Cc Xd dargestellt, wobei X mindestens eines ist, das aus V, Cr, Fe, Nb, Ta, W und Al ausgewählt ist, a + b = 100, b = 50 bis 55, c = 0,25 bis 5,0, d = 0,25 bis 2,0.
Jetzt werden Beispiele der oben beschriebenen Legierungen in Bezug auf die Pseudoelastizität im Vergleich mit der herkömmlichen Ti- Ni-Formgedächtnislegierung beschrieben.

Beispiele

Legierungsrohlinge von Ti49,5 Ni&sub5;&sub0; C0,5 (Legierung A)&sub1; Ti49,5 Ni&sub4;&sub9; C0,5 V1,0 (Legierung B) und Ti49,3 Ni50,7 (Legierung C) wurden durch das Schmelzverfahren unter Benutzung eines Hochfrequenzinduktionsvakuumofens dargestellt. Diese Rohlinge wurden in Drähte mit einem Durchmesser von 1,3mm durch Heiß- und Kaltverformung geformt. Dann wurden die Drähte einer Lösungsbehandlung bei 950ºC während 10 Minuten ausgesetzt. Danach wurden die Drähte kaltverformt in Drähte mit einem Durchgemesser von 1,0mm (40% Kaltreduktion). Eine Mehrzahl von Probendrähten wurde von den resultierenden Drähten geschnitten und bei 500ºC während verschiedener Zeitdauern geglüht. Dann wurde jeder der Probendrähte einem Zugtest eines Last- Entlastungszyklus bei 37º (das ungefähr die natürliche menschliche Körpertemperatur ist) mit einer maximalen Verformung von y = 5% zum Erhalten einer Spannungs- Dehnungskurve ausgesetzt.
Fig. 1 zeigt die Spannungs- Dehnungskurven der Probendrähte der Legierung A, wobei Kurve 1 ein typischer probendraht ist, der während 30 Minuten oder weniger geglüht wurde, Kurve 2 eine typische Probe ist, die während 100 Minuten oder mehr geglüht wurde.
Fig. 2 zeigt Spannungs- Dehnungskurven von Probendrähten der Legierung B. Kurve 3 ist für einen Probendraht, der während 10 Minuten geglüht wurde, und Kurve 4 ist für einen der während 150 Minuten geglüht wurde.
Fig. 3 zeigt Spannungs- Dehnungskurven 5 und 6, der Probendrähte der Legierung C, die während 10 bzw. 150 Min. geglüht wurden.
Es kann aus Fig. 1 und 2 gesehen werden, daß Drähte der Legierungen A und B die Pseudoelastizität zeigen, selbst bei verschiedenen Glühzeitdauern innerhalb eines Bereiches von 10 bis 150 Minuten. Das Spannungsniveau der Pseudoelastizität ist hoch und niedrig, wenn die Glühzeitdauer kurz bzw. lang ist. Daher können die Spannungsniveaus der Pseudoelastiziät durch Ändern der Glühzeitdauer bei einer konstanten Glühtemperatur gesteuert werden.
Im Vergleich dazu kann in Fig. 3 gesehen werden, daß die Pseudoelastizität bei dem Glühen während 150 Minuten verschwunden ist, und die verbleibende Verformung wird verusacht, selbst wenn die Spannung vollständig entfernt wird.
Drahtproben (ein Durchmesser von 0,4smm) einer jeden Legierung A und B wurden ebenfalls bei 150ºC während 130 Min. (Zustand I) geglüht und dann einem Biegetest eines Last- Entlastungszyklus unterworfen. Bei dem Biegetest wurde der Probendraht an zwei Stützpunkten gelagert, die voneinander um Somm getrennt waren. Die Last wurde auf dem Mittelpunkt des Drahtes zwischen den Stützpunkten ausgeübt. Ein Abstand, um den der Draht durch die Last nach unten gedrückt wurde, wurde als die Verformung gemessen.
Danach wurden die Probendrähte wieder wärmebehandelt bei 530ºC während 1 Minute (Bedingung II) und dann einem ähnlichen Biegetest unterworfen. Die Resultate sind in Fig. 4 und 5 gezeigt, in denen eine durchgezogene Linie 1 und eine gepunktete Linie II die Resultate unter den Bedingungen I bzw. II darstellen. Es ist aus Fig. 4 und Fig. 5 verständlich, daß das Spannungsniveau der Pseudoelastizität der Legierung A ausreichend geändert werden kann, indem eine erneute Wärmebehandlung durchgeführt wird, im Vergleich mit der Legierung B.
Ähnliche Probendrähte wurden bei 500º0 während 150 Minuten geglüht und dann dem ähnlichen Biegetest unterworfen. Die resultierenden Spannungs- Dehnungskurven sind in Fig. 6 und 7 gezeigt. Die Pseudoelastizität kann in der Probe der Legierung A erhalten werden, aber sie wird nicht in der Probe der Legierung C erhalten.
Es ist aus dem obigen Beispielen verständlich, daß die Drähte der Legierungen A und B bei dem Spannungsniveau der Pseudoelastizität durch Steuern der Glühbedingungen und der Wiedererwärmung gesteuert werden können. Bei der Anwendung der Drähte in der Orthodontik wird die Formwiedergewinnungskraft oder Spannung unter Entlastung zur Korrektur der Zahnausrichtung benutzt. Wie aus den obigen Beispielen verständlich ist, kann die unbelastete Formwiedergewinnungsspannung ebenfalls durch Steuern der Glühbedingungen gesteuert werden.
Es soll angemerkt werden, daß die ähnliche Steuerung des unbelasteten Formwiedergewinnungsspannungsniveaus in den Legierungen realisiert werden kann, die allgemein durch die chemischen Formeln dargestellt werden, wie sie oben beschrieben wurden.
Drähte dieser Legierungen können ebenfalls so gesteuert werden, daß sie sich in der unbelasteten Formwiedergewinnungsspannung an verschiedenen Abschnitten daran entlang unterscheiden, in dem die Glühbedingung für diese Abschnitte geändert wird.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 8, ein orthodontisches Drahtelement 10 für die oberen Zähne gemäß einer Ausführungsform, das da gezeigt ist, ist aus der Legierung A gemacht und in die ideale Bogenform geformt. Das Drahtelement weist verschiedene Korrekturkräfte an verschiedenen Abschnitten auf, das heißt an einem Schneidezahnabschnitt 11, einem Eckzahn- und Prämolarabschnitt 12, einem Molarabschnitt 13, durch Ändern der Glühbedingung und/oder der erneuten Wärmebehandlung für diese Abschnitte. Das Verhältnis der Korrekturkräfte an den Abschnitten 11, 12 und 13 ist zu 1:1,5:3,8 gewählt.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 9, ein anderes orthodontisches Drahtelement 20 für die unteren Zähne, das darin gezeigt ist, weist den Schneidezahnabschnitt 21, den Eckzahn- und Prämolarabschnitt 22 und den Molarabschnitt 23 auf. Das Verhältnis der Korrekturkräfte an den Abschnitten 11, 12 und 13 ist zu 0,7:1,1:3,2 im Verhältnis zu der Korrekturkraft des Schneidezahnabschnittes 11 für die oberen Zähne gewählt.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 12, eine Schraubenfeder 30 wurde aus einem Draht (mit einem Durchmesser von 0,25mm) einer Legierung A zum Korregieren der Fehlstellung des oberen und unteren Kiefers gebildet. Der Draht wurde bei 500ºC während 30 Minuten geglüht, so daß er ein geeignetes unbelastetes Formwiedergewinnungsspannungsniveau so aufweist, daß das Unbehagen des Patienten verringert wurde. Die Schraubenfeder 30 weist einen äußeren Durchmesser von 0,75mm in dem zusammengezogenen Zustand auf.
Die Schraubenfeder 30 wurde einem Dauerhaftigkeitestest der Expansion (Fig. 11) und Kontraktion bei ungefähr 37ºC unterworfen, und eine Zahl von Eypansionen und Kontraktionen werden gezählt, bis die Schraubenfeder beschädigt ist. Der Test wurde wiederholt, in dem das Expansions- zu Kontraktionsverhältnis (L2 zu L1) geändert wurde.
Im Vergleich wurde eine ähnliche Schraubenfeder aus einem Draht der Legierung C gebildet und dem ähnlichen Test unterworfen.
Die Resultate der Tests sind in der folgenden Tabelle gezeigt. TABELLE Schraube der Legierung A Schraube der Legierung C
Wie aus der Tabelle zu sehen ist, ist die Schraubenfeder gemäß der vorliegenden Erfindung in der Dauerhaftigkeit der Schraubenfeder überlegen, die aus der herkömmlichen TiNi-Legierung gemacht ist.

Claims

1. Orthodontisches Drahtelement zur Benutzung bei der Korrektur einer irregulären und unnormalen Ausrichtung der Zähne,

das aus einer Legierung gemacht ist, die durch die folgende chemische Formel dargestellt ist,

Tia Nib-c Cc, a + b = 100 At%, b = 50 - 52 At%,

c = 0,25 - 5,0 At %,

wobei das Drahtelement bei der natürlichen menschlichen Körpertemperatur eine Pseudoelastizität aufweist und

die Pseudoelastizität in ihrer Formwiedergewinnungsspannung durch eine Wärmebehandlung bei einer gesteuerten Temperatur von 400 - 600ºC und während einer gesteuerten Zeitdauer von 10 bis 150 Minuten gesteuert wird.

2. Orthodontisches Drahtelement nach Anspruch 1, bei dem ein Teil von Ni in der Legierung durch mindestens ein metallisches Element X substituiert ist, das aus V, Cr, Fe, Nb, Ta, W und AL gewählt ist, so daß die resultierende Legierung durch die folgende chemische Formel dargestellt ist

Tia Nib-c-d Cc Xd, a + b = 100AT%, b 50 - 52at%,

c 0,25 bis 5,0AT%, d = 0,25 - 2,5AT%.

3. Orthodontisches Drahtelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Drahtelement eine Pseudoelastizität bei der natürlichen menschlichen Körpertemperatur mit unterschiedlicher Formwiedergewinnungsspannung an verschiedenen Abschnitten daran entlang aufweist.

4. Orthodontische Vorrichtung mit einem Schraubenelement, das aus dem orthodontischen Drahtelement gemacht ist, wie es in Anspruch 1 oder 2 beansprucht ist, wobei die orthodontische Vorrichtung zur Benutzung einer Fehlstellung zwischen dem Oberund Unterkiefer benutzt wird, wobei das Drahtelement eine hohe Dauerhaftigkeit aufweist.

5. Verfahren zum Herstellen des orthodontischen Drahtelementes, wie es in Anspruch 3 beansprucht ist, gekennzeichnet durch Darstellen eines Drahtelementes der Legierung und Wärmebehandeln verschiedener Teile des Drahtelementes bei verschiedenen gesteuerten Temperaturen innerhalb des Bereiches bis zu 600ºC und während verschiedener gesteuerter Zeidauern bis zu 150 Minuten.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 400 bis 600ºC und während einer Zeitdauer von 10 bis 150 Minuten durchgeführt wird.