Применение и продвижение никель-титанового сплава с памятью формы в медицинской отрасли

　　Никель-титановые сплавы — это сплавы с эффектом памяти формы, которые способны автоматически восстанавливать свою пластическую деформацию при определённой температуре до исходной формы. Их удлинение превышает 20%, усталостная прочность достигает 1*10^7 циклов, демпфирующие свойства в 10 раз выше, чем у обычных пружин, а коррозионная стойкость превосходит лучшие медицинские нержавеющие стали, что позволяет удовлетворять потребности различных инженерных и медицинских применений. Это очень ценный функциональный материал.

　　Сплавы с памятью формы обладают не только уникальной функцией запоминания формы, но и отличными характеристиками износостойкости, коррозионной стойкости, высокой демпфирующей способностью и сверхупругостью.

　　Особые свойства никель-титанового сплава

　　1. Свойство памяти формы (shape memory): эффект памяти формы проявляется, когда материнская фаза при охлаждении с температуры выше Af до температуры ниже Mf превращается в мартенсит, который деформируется при температуре ниже Mf. При последующем нагреве до температуры ниже Af, сопровождающемся обратным фазовым превращением, материал автоматически восстанавливает форму материнской фазы. Фактически эффект памяти формы — это термоуправляемый фазовый переход в никель-титановых сплавах.

　　2. Сверхупругость (superelastic): сверхупругость — это явление, при котором образец под действием внешней силы испытывает деформацию, значительно превышающую предел упругости, и при снятии нагрузки деформация автоматически восстанавливается. В материнской фазе под воздействием внешнего напряжения происходит индуцированное напряжением мартенситное превращение, что приводит к механическому поведению, отличному от обычных материалов: предел упругости значительно выше, и закон Гука не соблюдается. В отличие от памяти формы, сверхупругость не связана с тепловыми эффектами. В целом сверхупругость означает, что в определённом диапазоне деформаций напряжение не увеличивается с ростом деформации. Сверхупругость делится на линейную и нелинейную. В линейной зависимости напряжение и деформация близки к линейным. Нелинейная сверхупругость — это результат индуцированного напряжением мартенситного превращения и обратного превращения при нагружении и разгружении в температурном диапазоне выше Af, поэтому её называют псевдоупругостью фазового перехода. Псевдоупругость никель-титанового сплава достигает около 8%. Сверхупругость сплава изменяется в зависимости от условий термообработки: при нагреве выше 400°C сверхупругость снижается.

　　3. Чувствительность к изменениям температуры во рту: сила коррекции ортодонтических дуг из нержавеющей стали и CoCr-сплавов практически не зависит от температуры во рту. Сила коррекции сверхупругих никель-титановых дуг изменяется с температурой полости рта. При постоянной деформации повышение температуры увеличивает силу коррекции. С одной стороны, это ускоряет движение зубов, так как температурные изменения стимулируют кровоток в зонах капиллярного застоя, вызванного ортодонтическими устройствами, обеспечивая питание клеток, участвующих в процессе перемещения зубов, поддерживая их жизнеспособность и нормальную функцию. С другой стороны, ортодонты не могут точно контролировать или измерять силу коррекции в условиях полости рта.

　　4. Коррозионная стойкость: исследования показывают, что коррозионная стойкость никель-титановых проволок сопоставима с нержавеющей сталью.

　　5. Антитоксичность: особый химический состав никель-титанового сплава — это сплав с примерно 50% никеля, который известен своими канцерогенными и промоторными свойствами. В обычных условиях оксидный слой титана на поверхности служит барьером, обеспечивая хорошую биосовместимость Ni-Ti сплава. Поверхностные слои TiXOy и TixNiOy подавляют выделение никеля.

　　6. Мягкая сила коррекции: в настоящее время коммерчески используются ортодонтические металлические дуги из аустенитной нержавеющей стали, кобальт-хром-никелевых сплавов, никель-хромовых сплавов, австралийских сплавов, золотых сплавов и титановых сплавов. При испытаниях на растяжение и трёхточечном изгибе кривые нагрузка-перемещение показывают, что плато разгрузки никель-титанового сплава самое низкое и ровное, что свидетельствует о способности обеспечивать длительную мягкую силу коррекции.

　　7. Хорошие демпфирующие свойства: поскольку жевание и ночной бруксизм вызывают вибрации дуг, которые могут повредить корни зубов и пародонтальные ткани, исследования показали, что амплитуда вибраций нержавеющей стали выше, чем у сверхупругих никель-титановых дуг. Начальная амплитуда вибраций сверхупругих никель-титановых дуг составляет лишь половину амплитуды нержавеющей стали. Хорошие вибрационные и демпфирующие свойства дуг важны для здоровья зубов, тогда как традиционные дуги, например из нержавеющей стали, могут способствовать резорбции корней.

　　Клиническое применение никель-титановых проволок:

　　1. Раннее выравнивание зубного ряда у пациентов: благодаря сверхупругости и памяти формы никель-титановых дуг, а также низкой кривой напряжение-деформация, в клинике обычно используют никель-титановые дуги на начальном этапе лечения, что значительно снижает дискомфорт пациента. Существуют различные техники прямой дуги: технология MBT рекомендует использовать 0,016-дюймовые термоактивированные никель-титановые дуги (HANT), технология DEMON с самозамком рекомендует термоактивированные никель-титановые дуги с содержанием меди от компании Omcro (температура фазового перехода около 40°C), технология O-PAK рекомендует 0,016-дюймовые сверхупругие никель-титановые дуги для раннего выравнивания.

　　2. Никель-титановые пружины: никель-титановые толкающие и тянущие пружины используются в ортодонтии, обладают сверхупругостью никель-титанового сплава, подходят для расширения промежутков между зубами и перемещения зубов в разных направлениях. Никель-титановая спиральная пружина при удлинении на 1 мм создаёт силу около 50 г. Эти пружины обладают высокой упругостью и обеспечивают мягкую, стабильную и непрерывную силу. Потеря силы минимальна, что соответствует клиническим требованиям для перемещения зубов. Высокая упругость и низкий уровень остаточной деформации никель-титановых пружин в 3,5-4 раза превышают аналогичные показатели нержавеющей стали того же диаметра. В ортодонтическом лечении пациенты испытывают меньше боли, сила воздействия мягкая и длительная, уменьшается количество визитов и сокращается время лечения, что повышает эффективность. Это новое и превосходное механическое устройство в ортодонтии.

　　3. Проволока L-H была разработана японским исследователем доктором Сомой и другими, производится компанией Tomy. "LH" означает "Low Hysteresis" (низкий гистерезис), то есть разница между напряжением, возникающим при активации проволоки при закреплении на брекете, и напряжением, возникающим при медленном восстановлении проволоки в исходное состояние при перемещении зубов, очень мала. То есть гистерезис очень низкий. Сома и другие сравнили кривые напряжения-деформации проволоки LH с другими никель-титановые сплавами, и у проволоки L-H диапазон гистерезиса оказался минимальным. Эта особенность обеспечивает проволоке низкую нагрузку и постоянное мягкое воздействие, при этом начальный наклон кривой низкий, что указывает на низкую жесткость проволоки. У других типов никель-титановых проволок кривая гистерезиса показывает большую жесткость, поэтому проволока L-H имеет явные механические преимущества. Поскольку содержание титана в составе никель-титановой проволоки LH выше, чем в обычных никель-титановых проволоках, её называют титаново-никелевой проволокой, и эксперименты показали её высокую амортизирующую способность. Ещё одна особенность проволоки LH — её можно гнуть и формовать с помощью термообработки, поэтому проволока LH может использоваться на всех этапах лечения: выравнивание, раскрытие прикуса, закрытие промежутков и завершающий этап. Достаточно использовать по одной проволоке сверху и снизу, при этом на каждом этапе проволоку снимают, гнут в нужную форму и фиксируют термообработкой для повышения жесткости. В клинической практике проволока L-H применяется для расширения дуги, коррекции открытого прикуса, асимметрии и обратного прикуса, благодаря стабильной и мягкой силе достигается хороший эффект. Часто её комбинируют с J-крюками для компенсации недостаточной жесткости проволоки. Хотя техника MEAW также эффективна для коррекции указанных аномалий прикуса, сложность изгибания проволоки отпугивает многих врачей. Поэтому некоторые врачи используют аналогичную по механике качающуюся никель-титановую проволоку с вертикальной тягой передних зубов. Хотя эффект похож, по сравнению с MEAW индивидуальная подстройка углов каждого зуба хуже, так как качающаяся проволока — это непрерывная дуга, которую нельзя сгибать. Угол наклона брекета и изгиб дуги определяют угол каждого зуба, в отличие от техники MEAW, где угол каждого зуба можно индивидуально регулировать. Использование гнущейся проволоки LH с формовщиком дуг для изгиба назад или вперед во рту даёт очень хорошие результаты.