JP6059332B2 - 単結晶形状記憶合金で作られた医療器具および製造方法 - Google Patents
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Description
本国際特許出願は、すべての目的のために参照によって本明細書に組み入れる、2012年3月15日に出願した米国特許仮出願第61/611,073号の利益および優先権を主張するものである。
歯科矯正用アーチワイヤは、歯科矯正治療の間、歯列矯正器(dental brace)において、上顎(上側)および下顎(下側)の歯列弓(dental arch)の最適な形を実現することに加えて歯科衛生を改善するように、歯を整列させ、その位置を動かすために用いられる。図1に示すように、歯科矯正用アーチワイヤは通常、歯科矯正の治療計画に基づいて歯を所定の位置に動かすために、ブラケットスロット(ブラケットは歯に取り付けられる)の中で係合させる。1980年代の初め、NiTiのSMAワイヤの導入は、効率、品質、ならびに患者の体験および満足を改善することによって、歯科矯正治療に変革をもたらした。NiTiのアーチワイヤを使用することによって、歯科矯正治療の時間は、Au−Niまたはステンレス鋼で作られた他のアーチワイヤに比べて著しく短縮された。図2に示すように、ステンレス鋼で作られたアーチワイヤは、きわめて高い初期引張力を有する;しかし、弾性限界が高いため、歯が僅かに動いた後、その力は短期間(例えば10日未満)のうちに急速に低下する。したがって、ステンレス鋼など高弾性率を有する合金で作られたアーチワイヤでは、最適な作用し得る引張力の範囲に対応する有効ひずみ(effective strain)の範囲は、きわめて限られている。したがって、患者は、さらに調節するまたは新しいアーチワイヤと交換するために、頻繁に通院する必要がある。比較的低い弾性率および超弾性(superelasticity)(超弾性は、応力が応力誘起マルテンサイト変態(stress-induced martensitic transformation)のための弾性限界;最大8%のひずみまでの一定のプラトー応力(plateau stress)を超えるときに生じる)のために、多結晶SMAの有効ひずみの範囲は、ステンレス鋼よりずっと大きい。単結晶SMAの場合、一定のプラトー力は、最大20%のひずみまで有効であるため、同じ最適な力の範囲に対応する有効ひずみについては、多結晶SMAよりさらに大きくなる。しかも、単結晶SMAの転移温度は、化学組成がより均質で、製造中の結晶欠陥がより少ないため、簡単にかつ多結晶SMAより正確に制御することが可能である。
歯内療法治療における1つの重要な手順は、管を閉塞材料で充填する前に、根管を清浄化および成形して組織および象牙質の細片を除去するための歯内療法用器具を使用することである。図3に示すように、通常の歯内療法用やすり(file)は、やすりハンドルおよびテーパ付きの螺旋形切断溝を含むことができる。歯内療法用やすりは、通常はステンレス鋼(例えば平やすりのみ)または多結晶SMA(多結晶NiTiのSMAなど)で作られる。SMAで作られた歯内療法用器具の低いヤング率および超弾性によって、連続的な回転または往復動による根管の準備が可能になる。NiTiのSMAベースの歯内療法用やすりの柔軟性は、ステンレス鋼に比べて著しく改善されているが、特に大きいサイズまたは大きいテーパを有するやすりが厳しい曲率を有する根管を通り抜けるときには、依然としてレッジング(ledging)、トランスポーテーション(transportation)またはパーフォレーション(perforation)などの手順の誤りが起こる可能性がある。
一般的に、単結晶形状記憶合金の医療器具を形成するための方法は、単結晶形状記憶合金を提供する工程、および単結晶形状記憶合金を成形して医療器具を形成する工程を含むことができる。結晶成長は、様々な材料の単結晶または薄膜を得るために行われる結晶化の技術プロセスである。望ましくは、単結晶形状記憶合金は、チョクラルスキー法(Czokhralski method)、フロートゾーン結晶成長法(Float-Zone Crystal Growth method)、ステパノフ法(Stepanov method)または他の方法によって形成することができる。
所望の断面形状を有する成形された単結晶(円形の断面形状を有するワイヤ、または長方形の断面形状を有するリボンなど)は、図5のものなど(ステパノフの成形結晶成長法と同様の)結晶成長装置で製造することができる。本質的に、(液体溶融物の頂部表面におけるダイスまたはシェーパの形によって決めることができる)所定の結晶方位および断面形状を有する液体溶融物の円柱体を、成長速度および温度分布を適切に制御することによって単結晶の固体に変化させる。
方法1:チョクラルスキー(Cz)またはフロートゾーン(FZ)などの単結晶成長法を用いて同じ化学組成を有する多結晶SMAを変化させることにより、SMA単結晶ワイヤを作ることができる。一般的には、種結晶を溶融温度より僅かに高い表面温度を有する液体溶融物の中に浸し、それから単結晶SMAを引き出す。ワイヤの直径(2mm超が企図されるが、一般的には2mm未満)は、種の向き、引上げ速度および温度分布によって制御することができる。単結晶SMAの機械的特性は、合金の組成、引上げ速度および冷却速度によって制御することができる。単結晶SMAワイヤはさらに、歯内療法用やすりを作るために(心なし研削および円板研削を用いる従来型の製造方法と同様)、または他の製造技術(ねじりまたはレーザ切断など)によって研削することができる。さらに、研削プロセスの間に、制御された方法で、表面に相対的により硬く強い多結晶薄膜を形成することができる。より硬い多結晶の表面層によって、切断効率および耐摩耗性を改善することができる。あるいは、本明細書において論じられるように、耐摩耗性または切断効率を改善するために、より高い硬さを有する表面コーティングが塗布される。
Claims (8)
- 超弾性の単結晶形状記憶合金を含む医療器具であって、該医療器具は歯内療法用やすりであり、該単結晶形状記憶合金はNiTi系形状記憶合金であり、前記NiTi系形状記憶合金は、XがFe、Cu、Cr、NbおよびCoからなる群から選択されるような式NiTiXのものである、医療器具。
- 超弾性の単結晶形状記憶合金の歯内療法用やすりを形成するための方法であって、
(i)単結晶形状記憶合金を提供する工程と;
(ii)単結晶形状記憶合金を成形して歯内療法用やすりを形成する工程と
を含み、単結晶形状記憶合金はNiTi系形状記憶合金であり、前記NiTi系形状記憶合金は、XがFe、Cu、Cr、NbおよびCoからなる群から選択されるような式NiTiXのものである、前記方法。 - 医療器具を形成するために、単結晶形状記憶合金を研削する、熱処理する、ねじる、酸腐食する、またはそれらの任意の組み合わせの工程をさらに含む請求項2に記載の方法。
- 超弾性の単結晶形状記憶合金の歯内療法用やすりを形成するための方法であって、
形状記憶合金の溶融物を提供する工程と;
溶融物に少なくとも1つの結晶種を導入する工程と;
単結体を成長させる工程と;
少なくとも1つの結晶種および単結体を単結晶の成長速度より遅い速度で引き抜く工程と;
引き抜かれた単結晶成長体を成形して歯内療法用やすりを形成する工程と
を含み、
単結晶形状記憶合金はNiTi系形状記憶合金であり、前記NiTi系形状記憶合金は、XがFe、Cu、Cr、NbおよびCoからなる群から選択されるような式NiTiXのものである、前記方法。 - ダイスは、それを通して引き抜かれる単結晶成長体を成形するための貫通孔を画成する
少なくとも1つの可動部を含む請求項4に記載の方法。 - 成形工程は、テーパ、溝パターン、螺旋角度またはそれらの任意の組み合わせを得るために、回転可能な要素を有するダイスを通して単結晶成長体を引き抜くことを含む請求項5に記載の方法。
- 導入工程で、単結晶成長は、最初に単一の結晶種によって核形成され、次いでセルフシーディングの形で継続する請求項4に記載の方法。
- 溶融物を受けるための容器を提供する工程と;
溶融物を容器に送り込む工程と
をさらに含む請求項7に記載の方法。
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