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镍钛合金丝的特性
镍钛合金丝的特性及其在口腔正畸领域的临床应用
作者：
赵弘 文章来源：
2007-1-2316:
56:
43 【博客】【论坛】【投稿】【打印】【关闭】
镍钛合金丝的特性及其在口腔正畸领域的临床应用镍钛合金因其优越的超弹性，形状记忆功能，抗腐蚀能力，以及良好的生物相容性和减震特性，广泛地应用于口腔正畸领域。
（一）镍钛合金的相变与性能
顾名思义，镍钛合金是由镍离子和钛离子组成二元合金，由于受到温度和机械压力的改变而存在两种不同的晶体结构相，即奥氏体相（Austenite）和马氏体相（Martensite）.镍钛合金冷却时的相变顺序为母相（奥氏体相）-R相-马氏体相。
R相是菱方形，奥氏体是温度较高（大于同样地:
即奥氏体开始的温度）的时候，或者去处载荷（外力去除Deactivation）时的状态，立方体，坚硬。
形状比较稳定。
而马氏体相是温度相对较低（小于Mf:
即马氏体结束的温度）或者加载（受到外力活化）时的状态，六边形，具有延展性，反复性，不太稳定，较易变形。
因此临床上确定镍钛合金弓丝的相变温度具有积极的指导意义，以便临床医生能更好地利用镍钛合金的性能进行临床正畸治疗。
（二）镍钛合金的特殊性能
1、形状记忆特性（shapememory）形状记忆是当一定形状的母相由Af温度以上冷却到Mf温度以下形成马氏体后，将马氏体在Mf以下温度形变，经加热至Af温度以下，伴随逆相变，材料会自动恢复其在母相时的形状。
实际上形状记忆效应是镍钛合金的一个由热诱发的相变过程。
2、超弹性（superelastic）所谓的超弹性是指试样在外力作用下产生远大于起弹性极限应变量的应变，在卸载时应变可自动恢复的现象。
即在母相状态下，由于外加应力的作用，导致应力诱发马氏体相变发生，从而合金表现出不同于普通材料的力学行为，它的弹性极限远远大于普通材料，并且不再遵守虎克定律。
和形状记忆特性相比，超弹性没有热参与。
总而言之，超弹性是指在一定形变范围内应力不随应变的增大而增大，临床上则表现为弓丝在形变过程中产生的矫治力保持恒定，不再随牙齿向矫治方向的移动而逐渐丧失。
按照超弹性所对应的应力-应变曲线的特点，可将超弹性分为线性超弹性和非线性超弹性两类。
前者的应力-应变曲线中应力与应变接近线性关系。
非线性超弹性是指在Af以上一定温度区间内加载和卸载过程中分别发生应力诱发马氏体相变及其逆相变的结果，因此非线性超弹性也称相变伪弹性。
镍钛合金的相变伪弹性可达8%左右。
镍钛合金的超弹性可随着热处理的条件的变化而改变，当弓丝被加热到400ºC以上时，超弹性开始下降。
当热处理温度超过600ºC时，超弹性基本小时。
根据这一特点，临床上可对弓丝的非矫治区进行热处理而使其失去超弹性，这样可避免矫治过程对非矫治区牙齿的影响，而矫治区的弓丝仍具有良好的弹性。
3、口腔内温度变化敏感性：
不锈钢丝和CoCr合金牙齿矫形丝的矫治力基本不受口腔内温度的影响。
超弹性镍钛合金牙齿矫形丝的矫治力随口腔温度的变化而变化。
当变形量一定时。
温度升高，矫治力增加。
一方面，它可以加速牙齿的运动，这是因为口腔内的温度变化会刺激由于矫治器件造成造成毛细滞息的血流停滞部位的血液流动，从而使得在牙齿移动过程中修复细胞得到充分营养，维持其生机和正常功能。
另一方面，正畸医生无法精确控制或测量口腔环境下的矫治力。
4、抗腐蚀性能：
有研究表明镍钛丝的抗腐蚀性能与不锈钢丝相仿
5、抗毒性：
镍钛形状记忆合金特殊的化学组成,即这是一种镍钛等原子合金,含约50%的镍,而已知镍有致癌和促癌作用。
一般情况情况下，表面层钛氧化充当了一种屏障，使Ni-Ti合金具有良好的生物相容性。
表面层的TiXOy和TixNiOy能抑制Ni的释放。
6、柔和的矫治力：
目前商业上应用的牙齿矫形金属丝包括奥氏体不锈钢丝、钴-铬-镍合金丝、镍铬合金丝、澳大利亚合金丝、金合金丝和ß钛合金丝。
关于这些正畸矫正金属丝在拉伸试验和三点弯曲试验条件的载荷-位移曲线。
镍钛合金的卸载曲线平台最低也最平，说明它最能提供持久柔和的矫治力。
7、良好的减震特性：
由于咀嚼及夜磨牙对于弓丝造成的震动越大，对牙根及牙周组织的损害越大。
通过不同弓丝衰减实验的结果研究发现，不锈钢丝震动的振幅比超弹性镍钛丝大，超弹性镍钛弓丝初始震动振幅仅为不锈钢丝的一半,弓丝良好的震动和减震特性对于牙齿的健康很重要，而传统弓丝如不锈钢丝，有加重牙根吸收的倾向。
（三）镍钛合金丝的分类EvansandDurning分类法
1）1940年，黄金弓丝、钴铬合金丝和不锈钢圆丝
2）1960年，马氏体稳定化合金：
多为镍钛合金在马氏体状态下变形后制得。
该种弓丝刚度低，可产生较轻的矫治力。
不存在由应力或者温度引起的马氏体相变，因此不呈现记忆效应和超弹性。
3）1980年，中国镍钛合金和日本镍钛合金弓丝，为奥氏体激活合金：
即在任何状态下都呈现奥氏体状态，置于口内和口外都不具有由温度引起的马氏体状态，马氏体状态只能由应力引起，具有超弹性，但是不具备形状记忆功能。
该种弓丝有极佳的回弹性及较低的刚度，能产生较弱的矫治力，。
作大的特点是从最初的启动到最后阶段，其产生的力持续恒定，在治疗早期牙齿不整齐时，效果较好。
去点是常温下无法弯制成型，不易焊接。
若将该公司作为主弓丝，常可引起不希望的扩弓或者缩弓，且难以建立良好的前磨牙、磨牙排列。
4）1990年，马氏体激活镍钛合金：
即TTR低于口腔温度或者与口腔温度非常相近，在室温时以一种多元状态存在，易于变形，置于口腔内时，由应力引起的和室温引起的马氏体同时向奥氏体转变，即存在形状记忆功能和超弹性。
在常温（25ºC左右）及以下温度易于变形，而当达到一定温度（32ºC左右）以上，又会恢复到原来预成形状，表现出形状记忆加超弹性特性。
北京圣玛特科技有限公司的Smart牌和3M公司的NitinolHA牌都是典型的代表产品。
热激活镍钛弓丝正因为这种特性，将其维持在常温及以下温度状态可以轻松操作成型，并安放到托槽中就位，而当在口腔中受体温热量而激活后，可产生出形状恢复力，又为矫形提供所需的力量。
因热激活型镍钛矫形丝所具有的“遇冷变软，受热激活而变得弹性大”的特点，患者可以在医生的指导下，利用口含冷、热水的方式改变矫治力，更加方便了矫治者的矫正，减少了初期矫治的不适感。
5）Gradedthermodynamic:
增加的热力学镍钛合金：
将TTR温度高于口腔温度，大概是40ºC左右，这样，当镍钛弓丝置于口腔内时，仍然为多元状态，弓丝较为柔软，在口含热水时，才有奥氏体相变。
因此，矫治力更加弱，可以作为成人患者和牙周病患者的初始弓丝。
Omcro公司生产的含铜镍钛丝以及日本低滞后L-H镍钛弓丝便具有此种性能
。
（四）镍钛合金丝的临床应用：
1、用于患者牙列的早期排齐整平由于镍钛合金弓丝的超弹性和形状记忆性能以及较低的应力-应变曲线，目前临床上常规将镍钛合金弓丝作为最初期纳入矫治体系的弓丝，这样，患者的不适感会大大减低。
由于目前存在几种不同直丝弓矫治技术，MBT技术推荐使用0.016英寸热激活镍钛合金弓丝（HANT丝），DEMON自锁托槽技术推荐使用由Omcro公司生产的含铜的热激活镍钛合金弓丝（相变温度大概在40度左右），O-PAK矫治技术推荐使用0.016英寸超弹性镍钛合金弓丝用于早期排齐整平。
2、镍钛弹簧：
镍钛推簧与拉簧是一种用于牙齿正畸的弹簧，具有镍钛超弹性的特别，适合于正畸矫治开拓牙齿间的间隙和向不同方向牵拉牙齿。
镍钛螺旋弹簧伸长1mm可产生大约50g的力。
镍钛螺旋弹簧具有很高的弹性性能，在拉伸状态下可产生较为柔和、稳定的持续力。
力的衰减很小，能产生符合临床移动牙齿所需的较理想的正畸力。
符合生理要求。
镍钛丝拉簧的高弹性、永久变形率极低,与相同直径的不锈钢丝相比,其释放的矫治力相差3.5-4倍。
故在正畸矫治应用中,患者不仅疼痛轻,感觉力量柔和持久,且复诊时间减少,缩短了疗程,提高了疗效,是正畸治疗中的一种新的优良的力学装置。
3、L-H弓丝是日本的Dr.Soma等研究开发的，由Tomy公司生产。
“LH”是名自“LowHysteresis”,也就是说，当此弓丝当此弓丝被结扎到托槽上时，即弓丝被激活时产生的应力和移动牙齿时即弓丝慢慢恢复原状时产生的应力的差距很小。
即滞后很小。
SOMA等比较了LH弓丝和其他镍钛合金丝的应力应变曲线，L-H弓丝的滞后范围最小，这一特性使弓丝有低载荷和持续轻力的优势，同时该曲线初始斜度低，说明该弓丝刚度低，其余类型的镍钛合金弓丝的滞后曲线表明其刚性较大，显然L-H弓丝有明显的机械学优势。
由于LH丝镍钛成分中钛的含量比例较一般镍钛弓丝高，因此将其称之为钛镍丝，并有实验证明其吸震效果较强。
LH镍钛丝的另一个特点是可以弯制，并可以用热处理仪器加热定型，因此LH镍钛丝也可以从排齐整平、打开咬合到关闭间隙，以及最后的完成阶段，上下各一条弓丝即可以完成治疗，只要每一个阶段将弓丝取出弯好所需的形状，再用热处理仪器将之定形，加强硬度即可。
目前在临床上使用L-H弓丝进行扩弓治疗，矫治开颌、偏颌以及反颌，因其力量的持续稳定和柔和，效果较好。
同时常常配合使用J钩来改善弓丝较软的不足。
虽然MEAW技术对于矫治以上错颌也有理想的效果，但繁复的弓丝弯制常使许多医师望而却步。
因此有些医师改采用与力学系统类似的摇椅型镍钛弓丝加上前牙垂直牵引，虽然这样也有类似的效果，但总觉得与MEAW比较时，各个独立的牙移动的方面不如MEAW技术，原因在于摇椅型镍钛丝是一条连续的弓丝，并且亦没有办法弯折。
因此，托槽粘接的角度与弓丝的摇椅曲度决定了每一颗牙齿的角度，不像MEAW技术中每一个牙齿的角度较有个别调整的空间。
使用LH镍钛弯上摇椅，再用弓丝成形器在口内弯折后倾弯或者前倾弯，效果相当理想。
前虽然经常接触热激活这个名词，但了解甚少，在一本书上查阅到相关知识，希望能增加大家对热激活镍钛丝更多的了解。
用以描述镍钛丝硬度主要有两个方面,马氏体状态是指弓丝最软,弯曲程度最高的状态。
奥氏体状态是指弓丝最硬的状态。
这均是室温下弓丝的状态。
马氏体状态的弓丝在受到热时候会发生明显的变化，转变为奥氏体状态，称之热激活。
尽管奥氏体状态的弓丝也会发生类似的变化，但变化程度较小，几乎不可察觉。
马氏体状态的弓丝较奥氏体状态的弓丝弹性好得多，也就是在变形之后具有强的恢复到初始形态的能力，而且不容易被折断；而奥氏体状态的弓丝产生的力量高于马氏体状态的弓丝的42%，但是，马氏体状态的弓丝释放的力量更加持久恒定。
两种弓丝的弹性形变能力类似，但马氏状态的弓丝在室温时可以发生暂时性形变，在口腔温度环境时可以恢复到初始形态，因此，大大提高了它形变的实际范围。
热激活弓丝是早期治疗阶段的理想选择，由于其实际形变范围广，而且力量柔和持久，因此适用于作为初始弓丝。
理论上讲，它可以在严重错位牙的托槽内完全就位。
圆丝和矩形丝均可以作为初始弓丝。
热激活镍钛丝的优点：
1患者痛苦少：
这源于逐渐增加的力值及最终的轻力，受控的热活性可防止在进食热饮或者热食物时力值突然增加，患者可通过喝冷水来缓解过大的力值。
2托槽脱落及陶瓷托槽破裂少：
这是由于作用力逐渐增加的轻力。
这种弓丝对于陶瓷托槽十分理想。
弓丝在低温状态下可以保持其马氏体状态，这有助于进一步减小初始力值，使弓丝的放置容易。
3弓丝断裂少：
由于其较奥氏体状态的弓丝柔软，因此在受力后不易折断。
4椅旁工作时间减少：
由于其形变范围大，可以减少调整次数和弓丝的更换次数。
5治疗时间缩短：
初步研究表明，早期的转矩控制及轻而持续力的使用可以缩短总的治疗时间，在直丝弓托槽上早期使用矩形丝可以使牙齿直接向理想的位置移动。
缺点：
不能有效地维护牙弓形态，最好不要用于关闭间隙，因为弹力圈及螺簧的力量会使弓丝变形，牙齿倾斜。
另外，尽管热激活镍钛丝能缩短椅旁工作时间，但移动牙齿的时间要长，医生应耐心等待弓丝充分的发挥作用。
目的 比较澳丝、美国正畸钢丝、仿澳丝、国产不锈钢丝、经热处理国产不锈钢丝的刚度、弹性、强度、抗疲劳性能，为临床合理选用正畸钢丝提供依据。
方法 对上述5种临床常用正畸钢丝的弹性模量、弹性极限、回弹角、抗拉强度、扭转强度、疲劳强度等机械性能进行测试和比较。
结果 得出5种正畸钢丝的刚度、弹性、强度、抗疲劳性能等比较数据。
结论 在临床上应该根据不同矫治时机的需求以及钢丝的不同特性合理选用钢丝。
【关键词】 正畸钢丝 机械性能 测试比较
牙颌畸形的矫治效果与正畸钢丝的性能密切相关。
本研究拟通过对临床常用正畸钢丝进行机械性能测试，为临床合理选用正畸钢丝提供依据。
材料和方法
一、材料：
①直径0.016英寸的澳丝（AustralianOrthodonticWire,Special+1032,T-PLaboratories,Inc.MadeinAustralia）。
②直径0.016英寸的美国正畸不锈钢丝（简称美国丝，ElgiloyYellowWire,RMO,Inc.USA）。
③直径0.4mm国产仿澳丝（也称正畸不锈钢丝，北京钢铁研究总院生产）。
④直径0.4mm国产不锈钢丝（陕西钢铁研究所生产）。
⑤直径0.4mm经加热处理的国产不锈钢丝（陕西钢铁研究所生产的不锈钢丝，经用西安天隆新技术研究所生产的TL-4500正畸弓丝性能增强器进行通电加热处理，钢丝颜色由金属银灰色变至浅咖啡色［1］）。
二、机械性能测试：
取上述5种正畸钢丝各70根，分成7组，每组10根，长10cm。
选一标准牙弓形态图［2］，弯制钢丝使其形态与该图完全一致，然后进行下列机械性能测试。
1.钢丝刚度、强度测试：
将钢丝固定在TY-IV强度测试仪上（美国西格玛公司），给钢丝加载拉力载荷（加荷速度：
10毫米/分钟），分别测试其弹性模量、弹性极限及抗拉强度。
2.扭转强度测试：
将钢丝一端固定在ZY-IV扭转强度测试仪上（美国西格玛公司产），距该固定端1cm处夹持钢丝，绕长轴缓慢扭转钢丝（加荷速度360度/分钟），直至钢丝断裂为止。
计算至断裂时钢丝被扭转的角度。
3.疲劳强度测试：
将钢丝一端固定在WY-IV疲劳强度测试仪上（美国西格玛公司），距该固定端1cm处夹持钢丝，使钢丝向上、向下分别做90度的交替连续弯曲（加荷速度：
循环弯曲1次/2秒），直至钢丝断裂为止。
4.加载变形后回弹角测试：
将钢丝固定在BW-IV变形角测试仪（美国西格玛公司）的跨度为15mm的两个支撑杆上，在两固定端的中点给钢丝加载（加荷速度：
10毫米/分钟），使钢丝发生75度形变，维持4小时及10小时，分别测试钢丝的回弹角度。
结 果
表1 不同正畸钢丝的刚度、强度测试表（单位：
Mpa）
材料类型
弹性模量
弹性极限
抗拉强度
x
s
x
s
x
s
澳丝
183200
198
2080
12
2300
11
仿澳丝
177667
184
2030
10
2000
8
美国丝
188000
164
1680
11
1980
9
国产丝（未加热）
174000
120
1550
10
1630
9
国产丝（加热后）
183100
118
2060
8
2120
10
分析表1，关于弹性模量，除了澳丝与经热处理的国产不锈钢丝之间的差别无统计学意义之外，其它各钢丝之间均有明显差别（美国丝＞澳丝、经热处理国产不锈钢丝＞仿澳丝＞未热处理国产不锈钢丝）。
关于弹性极限，除了澳丝、经热处理国产不锈钢丝、仿澳丝之间的差别无统计学意义之外，其它各钢丝之间均有明显差别（澳丝、经热处理国产不锈钢丝、仿澳丝＞美国丝＞未热处理国产不锈钢丝）。
关于抗拉强度，各钢丝之间均有明显差别（澳丝＞经热处理国产不锈钢丝＞仿澳丝＞美国丝＞未热处理国产不锈钢丝）。
表2 不同正畸钢丝75度形变后不同时间的回弹角（单位：
度）
材料类型
4小时
10小时
x
s
x
s
澳丝
26
2
28
2
仿澳丝
22
2
24
2
美国丝
25
2
28
2
国产丝（未加热）
21
2
22
2
国产丝（加热后）
26
2
28
2
不同正畸钢丝的机械性能测试比较及临床意义
作者：
姚 森 张伶军 王国萍 应可满 文章来源：
现代口腔医学杂志
2007-12-2115:
40:
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分析表2，75度形变后4小时的回弹角，澳丝、美国丝、经热处理国产不锈钢丝之间、仿澳丝与未热处理国产不锈钢丝之间的差别无统计学意义，但澳丝、经热处理国产不锈钢丝、美国丝＞仿澳丝、未热处理国产不锈钢丝。
75度形变后10小时的回弹角，与75度形变后4小时相比，除仿澳丝回弹角比未热处理国产不锈钢丝的回弹角大且有统计学意义以外（P＜0.05），其他均与4小时的情况相同。
表3 不同正畸钢丝的扭转强度、疲劳强度比较
材料类型
扭曲断裂角度（度）
90度循环折弯次数
x
s
x
s
澳丝
2920
9
8
3
仿澳丝
2880
8
6
3
美国丝
5400
12
20
7
国产丝（未加热）
3600
11
18
6
国产丝（加热后）
4320
11
9
4
分析表3，关于扭曲断裂角度，各钢丝之间均有明显差别（美国丝＞经热处理国产不锈钢丝＞未热处理国产不锈钢丝＞澳丝＞仿澳丝）。
关于90度循环折弯次数，澳丝与仿澳丝、经热处理国产不锈钢丝之间的差别无统计学意义，但美国丝、未热处理国产不锈钢丝的90度循环折弯次数要比经热处理国产不锈钢丝、澳丝、仿澳丝大。
讨 论
材料在外力作用下会发生形变，在一定的外力范围内，外力卸除后，形变将会消失。
这种外力作用下产生形变，而外力卸除后形变消失的性质称为材料的弹性。
外力消除后其能恢复原来形状的变形称为弹性变形，外力去除后仍不能消失的那部分变形称为塑性变形或永久变形。
弹性模量是指钢丝弹性形变难易程度的指标，指的是材料的刚度。
弹性模量=应力/应变。
材料的弹性与弹性应力的平方成正比，与2倍弹性模量成反比。
弹性极限则是指在弹性形变范围内钢丝所承受的最大应力。
在实际测试时，形变后一定时间的回弹角越大，钢丝的弹性也越好。
理论上看弹性模量（刚度）越小，钢丝弹性越好，但是在临床上需要钢丝有一定的刚度。
刚度大的钢丝，弯制起来比较费力，较小的变形容易产生较大的力值，矫治力的大小不易控制，容易使牙周产生病理改变。
但若钢丝的刚度太低，受到咀嚼力及矫治力后很容易发生较大的形变甚至永久变形，同样不利于矫治的进行。
抗拉强度是判别钢丝强度高低的重要指标，是钢丝被拉断前所承受的最大应力。
除了抗拉强度以外，扭转强度也是衡量钢丝强度的一项重要指标。
抗拉强度及扭转强度越大越好。
钢丝的疲劳强度是衡量钢丝抗疲劳性能的重要指标，也是越大越好。
从本研究的结果得知：
澳丝弹性极限比较大、形变后回弹比较好、强度也比较大，但澳丝弹性模量比较大，也比较脆。
对于低角深覆牙 合的患者，使用澳丝打开咬合比较好；但如果患者的咬合不深，主要表现为牙齿排列不齐，在矫治之初就应选择柔软且弹性比较好的钢丝，而不宜选用澳丝。
对于高角型的患者，使用澳丝应比较谨慎，其容易引起磨牙升长而导致开牙 合；澳丝不宜反复弯制，若需在弓丝上反复弯制，可选择其它钢丝。
美国丝属于经热处理不锈钢丝［3］，也属于硬丝，扭转强度、疲劳强度比较好，但弹性居中，与澳丝相比，美国丝反复弯制不易折断，应用面比澳丝广。
国产仿澳丝弹性比较好、刚度居中、强度也比较好，但脆性大，不宜反复弯制，如果弓丝上需弯许多曲，选择仿澳丝就不太方便。
国产不锈钢丝在加热处理前刚度低，容易弯制，弯制结束后经过通电加热处理，弹性及强度明显增加，而刚度及疲劳强度又居中，适合各类错牙 合的不同时期的使用，价格也低廉，其应用前景值得关注。
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