JP2006510426A

JP2006510426A - 歯列矯正で利用されるタイプの金属ワイヤおよびその製造方法

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Publication number: JP2006510426A
Application number: JP2004561582A
Authority: JP
Inventors: ティリー，ポール，ジャン−マリー，ロベール
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-12-19
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2006-03-30
Also published as: AU2003302185A1; FR2848810B1; WO2004056283A3; FR2848810A1; AU2003302185A8; US20060204919A1; WO2004056283A2; EP1573083A2

Abstract

歯の配置の異常を矯正するための歯に密着するブラケットと組み合わせて歯列矯正で利用されるタイプの、高い力学的性能と前記ブラケットでの非常に低い摩擦係数とを有する素材で実現された金属ワイヤ。前記素材は、その外側の表層にＴｉＮ、Ｔｉ₂Ｎタイプの窒化チタンを含み酸化チタンを含まない、チタン‐モリブデン合金で実現される基本的な構造によって定義される。

Description

本発明は、医療分野、そして中でもとりわけ歯列矯正において用いることができる、歯の配置の異常を矯正するための金属ワイヤに関するものである。

単純化された仕方で、歯の配置異常の矯正は、たいていの場合、関係する一本または複数本の歯が、決まった継続期間、強度と方向が可変の力を受けることによって実行される。これらの力は、関係する歯に取り付けられたブラケットに結さつ手段で結ばれる、歯列矯正ワイヤを介して歯に伝わる。

最適の効果のために、歯列矯正ワイヤは、高度な力学的特徴をもたなければならず、またとりわけ以下を呈しなければならない：
‐歯列矯正ワイヤに、永続的な変形のない、また可能な限り絶え間のない強度の力をともなう、最大の活性化を付与することを可能にする広い弾性領域、
‐歯列矯正ワイヤに、歯の移動を制御するのに十分な断面で、わずかな力を与えることを可能にする低い剛性、
‐歯列矯正ワイヤを容易に折り曲げたりあるいは加工することを可能にするために十分な展性と破断強度、
‐溶接が可能なこと、
‐満足できる耐食性、
‐生物学的適合性。

多数のブラケット方式に基づいた技術において、歯の移動は、ブラケットにとってガイドの役目を果たす歯列矯正ワイヤにおけるブラケットの滑りによって行われる。摩擦力は、あらゆる形状において滑りの役割を果たす。

専門家たちによって実現された研究によると、現行技術を用いて、歯を一週間で０．５ｍｍ動かすために、およそ０．７から１Ｎの力を歯にかけることが必要である；しかしながら、この歯の生理的な動きを生じさせるために、百分のいくつかのニュートンしか実際に利用されない。差は、ブラケットにおける歯列矯正ワイヤの摩擦に割り当てられる。

歯の動きおよび組織の反応を最適化するために、したがって、ブラケットと歯列矯正ワイヤの間に摩擦力が含まれ、しかも減らすことが非常に重要である。

専門家たちによって実現された他の研究によると、滑りの力学に起因する、歯列矯正ワイヤに沿った歯の移動は、傾きの連続と小さい増分による矯正の連続からなる。動きは、したがって、動力学的な摩擦よりも、静力学的な摩擦により依存する。

ブラケットとワイヤの間の摩擦のパラメータに関する多くの研究が実現されたが、これには以降に挙げられる、用いられている部品の物理的パラメータと応用例の生物学的パラメータが考慮に入れられる：
‐とりわけ構成素材、溝の幅、溝の形状、溝の表面の状態のような、ブラケットに結びつけられているものの特性、
‐素材のタイプ、形状、表面の状態、および締めつける力のような、歯列矯正ワイヤをブラケットの溝の中に保持する、結さつ糸の特性、
‐素材のタイプ、ワイヤの大きさ、ワイヤの断面の形状、ワイヤの剛性に関係するワイヤの特性、
‐キャンセル、トルク、力の作用点のようなワイヤとブラケットの間の三次元の均衡、
‐とりわけ唾液、および歯石などの生物学的なパラメータ。

これらの研究の結果は、ブラケットのタイプ、歯列矯正ワイヤのタイプ、および結さつ糸のタイプという観点から、一般医に現在提案される種々の解決案において考慮に入れられている。

このように、それらの丸い断面、長方形の断面、これの断面のいくらか大きい表面、あるいは、単数または多数の糸の特徴とは別に、現時点では、歯列矯正で利用されるのに適した、さまざまな素材に基づいた、四つの種類のワイヤが既知である。

これらの種類のうちの一つは、オーステナイトステンレス鋼製のワイヤに関するものであり、該ワイヤは、さまざまであるが、しかし全てが、高い破断限界および弾性限界に対する応力、高い弾性率、ブラケットでの低い摩擦係数によって特徴づけられる成分変化および熱処理を呈するものである。

挙げられた最初の二つの特性が、歯列矯正であまり興味深くない要因を表しているにもかかわらず、このタイプのワイヤは、摩擦係数という観点から一つの基準とみなされる。

このタイプのワイヤの力学的特性は、サンプルにおいて示されるが、次の平均値に導いた：
‐屈曲弾性限界：Ｙｓ‐‐１．２５７Ｇｐａ、
‐引張弾性限界：Ｙｓ＝１．５３Ｇｐａ、
‐屈曲弾性率：Ｅ＝１７１Ｇｐａ、
‐引張弾性率‐Ｅ＝１７８Ｇｐａ。

ワイヤの他の種類は、ニッケル‐チタン合金に基づいており、該合金において、ニッケルはチタンのα相を安定させるが、該チタンのα相は、機械的応力または熱応力の影響を受けて、マルテンサイトに変化することができる。

ニッケル５２％、チタン４５％、およびコバルト３％の組成で、この合金は、加工の後に、ゴム質の特性を呈する。その弾性率は非常に低く、その引張曲線は従来の合金の引張曲線とは非常に異なり、そしてワイヤは弾力的に変形するかあるいは折れる；したがって、可能な曲線のタイプは限られ、またこの合金は、あらかじめ作られた歯列矯正ワイヤの形でのみ商品化される。

この合金の低い展性、鋼鉄より低い耐食性、溶接の難しさ、比較的高い摩擦は、したがって、その歯列矯正での使用を制限する。

ワイヤの第三の種類は、チタン‐モリブデン合金製で製作されるワイヤに関している。

これらのワイヤは、歯列矯正で使用されてからごくわずかな時間しかたっていないが、結果、速さ、および組織の効果という観点から処理を好ましい仕方で向上させた。これらのワイヤは、商業界で自由に使用でき、また一般に『ベータ‐チタン』と呼ばれる。

チタン‐モリブデンは、１９７９年にコネチカット州のＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ（素材科学研究機構）の冶金技術者Ｇｏｌｄｂｅｒｇ氏による開発の後、Ｏｒｍｃｏ社のＢｕｒｓｔｏｎｅ氏によって歯列矯正の世界に導入された。その組成は次の通りである：
‐チタンを７７．８％
‐モリブデンを１１．３％；
‐ジルコニウムを６．６％
‐スズを４．３％。

チタンは、１９５２年から冶金で利用されており、そして高温のチタンの合金の特有の形状が開発されたのは１９６０年のことである。すなわち、チタンは、二つの晶系に応じて結晶することができる：
‐高密度の六方晶系（α相）
‐中心が決まった立方晶系（α相）。

冷たいままで安定したα相の、熱して安定したα相への変化は、８８５℃のあたりで行われる。室温で、チタンは、したがって高密度の六角形の構造を有する。１９６０年から、冶金技術者たちは、モリブデンの付加のおかげで、室温で、中心が決まった立方晶系（α相）を安定させることができる。このことは、歯列矯正の利用と相いれる弾性限界を呈するチタン‐モリブデン（ベータ‐チタン）合金を製造することを可能にする。

公表されまた見本に示されるチタン‐モリブデンの力学的特性は、次の値を提示する：
‐屈曲弾性限界：Ｙｓ０．７２Ｇｐａから１．１７Ｇｐａ（示される平均１．３５９Ｇｐａ）
‐引張弾性限界：Ｙｓ０．４５Ｇｐａから１．３８Ｇｐａ（示される平均０．９０Ｇｐａ）
‐屈曲弾性率：Ｅ＝７２Ｇｐａ（示される平均７２Ｇｐａ）
‐引張弾性率：Ｅ＝６４．８Ｇｐａ（示される平均６３Ｇｐａ）

チタン‐モリブデン製のワイヤのために測定されるヤング率は、ステンレス鋼製のワイヤのために示されるヤング率の半分に相当する、しかしながら弾性限界はおおよそ同一である。

一方、歯列矯正ワイヤを実現するためのチタン‐モリブデン合金の利用は、ステンレス鋼の利用に比べてかなりの利点を呈する。

とりわけ、展開される力の強度は、ステンレス鋼によって展開される力の強度よりも低く、またチタン‐モリブデンは、より大きな偏角の弾性変形を可能にする。したがって、ワイヤによって放出される力はより弱くより一定であり、そしてより長く作用する。

チタン‐モリブデンの作用領域は、鋼鉄の作用範囲の１．６倍に相当する。このように、ステンレス鋼と比べて、チタン‐モリブデン製のワイヤは、二倍大きい距離にわたって、永続的な変形をすることなく、曲がることができる。このことは、歯のもともとの並びにおいてにせよ、仕上がりの段階で利用されるワイヤのためにせよ、より大きな作用領域を可能にする。このことは、低くまたより長続きする力を展開させながらの、大きな偏角の弾性変形となって現れる。

その低い剛性（ステンレス鋼と比べて０．４２の剛性係数）のため、歯列矯正の処理のずっと早めの段階で、大きな断面を呈するワイヤを実現するためにチタン‐モリブデン合金を利用することができる；このことは、ブラケットの溝をより埋めることと、したがってブラケットを有する歯より優れた三次元の制御とを可能にする。

他方では、チタン‐モリブデンは、金属の供給なしで、電気溶接によって、それ自体に溶接されることができる。チタン‐モリブデンは、優れた耐食性を呈し、また生物学的適合性がある。チタン‐モリブデン（ベータ‐チタン）製で実現されるワイヤは、低い剛性、高い最大屈曲性、確かな展性などの比類のない平衡を有し、歯列矯正の多くの処理様式においてとりわけ信頼度の高いものとなっている。

しかしながら、チタン‐モリブデン合金は、かなりの数の不都合を引き起しており、そのうちもっとも重要なものは、ステンレス鋼より高い摩擦力を生み出すということにあり、このことは、例えば犬歯が後退するとき、あるいは隙間が閉まる際に、滑りの力学において歯の移動に歯止めをかける。

この不都合を緩和するために、低摩擦のチタン‐モリブデン合金で製作されたワイヤは、一般的に「ｂｅｔａ−ｔｉｔａｎｅｌｏｗｆｒｉｃｔｉｏｎ（低摩擦のベータ‐チタン）」と呼ばれ、現在商品化されている。

それは、先に挙げられたチタン‐モリブデンのワイヤと同一の内部組成のワイヤに関することであるが、それはブラケットにおけるワイヤの摩擦係数を減らすことを可能にする表面処理を受けたワイヤである。しかしながら、われわれの試験によって、基本的な素材の興味深い特徴はしっかりと保たれるが、ブラケットにおける摩擦係数の改善に関してはあまり向上がみられないことが示された。

このように、歯列矯正ワイヤに関しては、目下のところ、高い力学的性能と、ブラケットでの非常に低い摩擦係数とを合わせ持つ理想の解決案は存在しない。

本発明の目的は、したがって、歯の配置の異常を矯正するための、歯に密着するブラケットと組み合わせて、歯列矯正で利用されるタイプの、高い力学的性能と前記ブラケットでの非常に低い摩擦係数とを有する素材で実現される金属ワイヤを提案することによって、この不備に応えることである。

本発明によると、このようなワイヤは、それ自身を構成する素材が、その外側の表層にＴｉＮ、Ｔｉ₂Ｎタイプの窒化チタンを含み酸化チタンを含まない、チタン‐モリブデン合金で実現される基本的な構造によって定義されることを特徴とする。

本発明の他の目的は、その外側の表層にＴｉＮ、Ｔｉ₂Ｎタイプの窒化チタンを含み酸化チタンを含まない、チタン‐モリブデン合金で実現される基本的な構造によって定義される素材の製造方法をさらに提案することである。

そのような方法は、主に、チタン‐モリブデン合金の外側の表面のＮ⁺およびＮ⁺⁺イオン注入処理を、４５０℃未満の温度で真空の室内で操作して実行することにある。この処理は、従来のチタン‐モリブデン合金の力学的特性を、その摩擦係数を著しく改善しながらも保つことを可能にする。

この処理は、表面、そして数ミクロンの深さに、窒化チタン（ＴｉＮおよびＴｉ₂Ｎ）を製造することを可能にする。イオン注入が酸素なしで実現されることから、摩擦係数の価値を低下させ、また窒化処理を制限する可能性のある酸化チタンが作り出されることが避けられる。

イオン注入方法の他の特徴によると、連続する二つの段階の途中に処理は実行されるものであり、まず、非反応性の冷却プラズマによる動態化および温度の上昇（例えばアルゴンのような不活性ガスの挿入）、これを約４５分間行い、ついで約２００分間、不活性ガス、例えばアルゴンと窒素の混合物を挿入することによって、冷却プラズマによって製造される窒化処理を実現しながら行われる。

処理全体は、４５０℃未満の温度で実行される。

本方法の追加の特徴によると、窒化処理の段階の間に利用されるアルゴンと窒素の比率は、室内の体積に順応しなければならないだけでなく、注入を行うのに十分な窒素と、窒素を解離させるのに十分なアルゴンがなくてはならない。

他方では、本方法は、他の特徴によると、緩やかな冷却段階によって、先に記述されたような表面処理を仕上げることを準備する。

このような処理は、いわば、従来のチタン‐モリブデン合金に本質的に属し、また歯列矯正技術の現状において最も優れたものとみなされる、あらゆる力学的特徴が保たれるワイヤの製造を有利には可能にする。

このように、発明によるワイヤの力学的特徴に関係した次の値を測定することができたが、前記素材は、その外側の表層にＴｉＮ、Ｔｉ₂Ｎタイプの窒化チタンを含み、酸化チタンを含まない、チタン‐モリブデン合金で実現される基本的な構造によって定義される素材によって実現されるものであり、処理後は次のようになる：
‐屈曲弾性限界：１．３８１Ｇｐａ
‐屈曲弾性限界：０．９９９Ｇｐａ
‐屈曲弾性率：８８Ｇｐａ
‐引張弾性率：７３Ｇｐａ

他方では、本発明による素材は、さらに、ブラケットにおける歯列矯正ワイヤの摩擦をかなり改善し、この分野においてすべての利用者たちによって基準であるとみなされているステンレス鋼の摩擦と同等、さらには上回るようにすることを可能にする。

このように、考慮される応用において摩擦の重要さを特徴づけまた比較するために、歯列矯正ワイヤとブラケットとの間の組合わせは、往復運動を伴う方法によってテストされるが、該方法においてブラケットは金属軸に取り付けられている。このブラケットに取り付けられているワイヤは、エラストマーの結さつ糸によって保持される；全体は、人口唾液によって滑りをよくされている。テスト機械は、５ｍｍの固定ストロークで、往復することによってワイヤの引張を保証する。この往復運動は、一回の試験につき１００回以上繰り返される。

それぞれの動きでテスト機械によって測定される応力の平均偏角は、比較に基づいてみると、ワイヤとブラケットとの間の静力学的な摩擦の重要性を特徴づける。

テストされるさまざまなタイプのワイヤに従った、比較に基づく測定値は、次の通りである：
‐ステンレス鋼：６．４９
‐チタン‐モリブデン合金：１５．８１
‐「ｌｏｗｆｒｉｃｔｉｏｎ（低摩擦）」のチタン‐モリブデン合金：１１．６０
‐本発明による、窒化処理を行われたチタン‐モリブデン合金：２．９０

したがって、従来のチタン‐モリブデン合金製のワイヤの全ての魅力の元となっていた力学的特性の維持をともなう、本発明によるワイヤを利用することによって製造される静力学的および動的な摩擦係数の大幅な改善から、歯列矯正でのこれの使用の拡大を期待することができる。

Claims

歯の配置の異常を矯正するための歯に密着するブラケットと組み合わせて、歯列矯正で利用されるタイプの、高い力学的性能と前記ブラケットでの非常に低い摩擦係数を有する素材で実現された金属ワイヤであり、前記素材は、その外側の表層にＴｉＮ、Ｔｉ₂Ｎタイプの窒化チタンを含み酸化チタンを含まない、チタン‐モリブデン合金で実現される基本的な構造によって定義されることを特徴とする、金属ワイヤ。
チタン‐モリブデン合金の外側の表層においてＴｉＮ、Ｔｉ₂Ｎタイプの窒化チタンを形成するには、表面のＮ⁺およびＮ⁺⁺イオン注入処理を、４５０℃未満の温度で真空の室内で操作して実行することを特徴とする、請求項１に記載の金属ワイヤの製造方法。
チタン‐モリブデン合金の表面のイオン注入処理が、連続する二つの段階の途中に実行されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。
チタン‐モリブデン合金を、まず温度を段階的に上げながら不活性ガスを挿入することによって、非反応性の冷却プラズマによる動態化の段階に、ついで不活性ガスと窒素の混合物を挿入することによって、冷却プラズマによる窒化処理の段階に晒すことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
表面のＮ⁺とＮ⁺⁺イオン注入処理の二つの段階の途中に、不活性ガスとして、アルゴンを利用することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
窒化処理の段階の途中に、操作を行う室内の体積に順応した不活性ガスおよび窒素の比率を含み、また、注入を行うのに十分な窒素と、窒素を解離させるのに十分なアルゴンを含む、不活性ガスおよび窒素の比率を利用することを特徴とする、請求項４または５に記載の方法。
チタン‐モリブデン合金に、動態化の段階を約４５分間、ついで窒化処理の段階を約２００分間晒すことを特徴とする、請求項４から６のいずれか一つに記載の方法。
緩やかな冷却段階によって、チタン‐モリブデン合金の表面のイオン注入処理を仕上げることを特徴とする、請求項２から７のいずれか一つに記載の方法。