WO2006037505A1 - Orthodontic curved brace consisting of a sputtered shape-memory alloy - Google Patents

Orthodontic curved brace consisting of a sputtered shape-memory alloy Download PDF

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WO2006037505A1
WO2006037505A1 PCT/EP2005/010378 EP2005010378W WO2006037505A1 WO 2006037505 A1 WO2006037505 A1 WO 2006037505A1 EP 2005010378 W EP2005010378 W EP 2005010378W WO 2006037505 A1 WO2006037505 A1 WO 2006037505A1
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wall
soul
memory alloy
bending
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PCT/EP2005/010378
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Holger Rumpf
Christiane Zamponi
Eckhard Quandt
Bernhard Winzek
Dieter Drescher
Friedrich Sernetz
Tobias Sterzl
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Dentaurum J.P. Winkelstroeter Kg
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    • A61C7/00Orthodontics, i.e. obtaining or maintaining the desired position of teeth, e.g. by straightening, evening, regulating, separating, or by correcting malocclusions
    • A61C7/12Brackets; Arch wires; Combinations thereof; Accessories therefor
    • A61C7/20Arch wires
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    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/0005Separation of the coating from the substrate
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C14/16Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
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    • C23C14/56Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks
    • C23C14/562Apparatus specially adapted for continuous coating; Arrangements for maintaining the vacuum, e.g. vacuum locks for coating elongated substrates

Definitions

  • the present invention relates to an orthodontic arch for use in orthodontics for the correction of malocclusions comprising a wire or a wire piece of shape memory alloy.
  • the invention also relates to a method for producing a piece of wire for such an orthodontic arch.
  • shape memory (FG) materials "remember” and resume their original shape when deformed at low temperature (martensite) and later heated to an austenitic high temperature phase, and often exhibit superelastic behavior
  • This property results from the plateau occurring within a certain temperature range above a characteristic pre-stress of about a few hundred MPa in the stress-strain (hysteresis) curve, in which strain the austenite transforms into martensite, stress-induced martensite may correspond
  • the applied voltage is twinned and thus reacts within the plateau on a deformation of the material with a constant counterforce.
  • Components made of shape memory alloys are particularly attractive because they have superelastic properties within certain limits. Especially in orthodontics this property is desirable where constant forces are beneficial for correcting misaligned teeth. So far, full wires of shape memory alloy are well known for this use. These wires of biocompatible alloys, in particular of NiTi, are preferably used for the above-mentioned orthodontic purposes.
  • the object of the invention is now to provide an orthodontic arc comprising a wire for having such properties, wherein the wire can be easily and inexpensively manufactured at least in pieces of a limited length and wherein the wire or piece of wire for the said application in orthodontics having desired superelasticity.
  • An essential basic idea of the invention is to make use of the achievement of the spring effect of the orthodontic arc of a hollow wire or piece of wire whose wall is relatively thin and consists of a shape memory alloy.
  • the orthodontic arc may be formed entirely by the hollow wire or may include a portion bent from such hollow wire.
  • the feature "hollow wire” does not preclude filling its interior with a material that differs from the material of the wall, so that the hollow wire becomes a kind of "composite wire".
  • the thin wall of the hollow wire in such a way that the superelastic property is achieved in the case of bending.
  • the desired constant superelastic force plateau can be approached much better in bending or in the orthodontic treatment than is the case with a solid wire. This applies all the more, the thinner the wall of the hollow wire.
  • the outer dimensions of the wire pieces that can be used for the purposes mentioned are approximately between 0.1 mm and 2 mm, whereby the range between 0.2 mm and 1 mm is to be preferred.
  • the wall thickness of the relatively thin-walled wall according to the invention is approximately between 1 .mu.m and 100 .mu.m, in particular between 5 .mu.m and 50 .mu.m. It is particularly advantageous to manufacture the wall of NiTi or NiTiX, wherein X is in particular Cu, Pd, Hf, Zr, Nb or Fe.
  • the hollow wire with a filling (core) of a material, wherein the flexural elastic modulus of the core is generally smaller, in particular is at least 10 times smaller than the flexural modulus of elasticity of the superelastic material of the wall.
  • the soul is surrounded by the wall positively and / or non-positively.
  • This will be one for the mentioned areas of application suitable composite material in the manner of a composite wire of thickness between about 0.01 mm and 5 mm created.
  • the core within the wall has a relatively low modulus of elasticity when bent between about 1 MPa and 80 GPa. It does not depend on the geometry of the cross-section of the wall. This can be round, oval or angular.
  • Such composite wires may have, for example, a NiTi wall and a soft polymer core.
  • the advantages of the invention result from the fact that the wire according to the invention reaches the plateau within which the desired superelastic properties occur, in particular during a bend in a customary degree in orthodontics.
  • Optimized conditions can be used to achieve a superelastic hysteresis at a body temperature of 37 ° C.
  • the orthodontic arc having such a hollow wire in particular in the case of the composite wires, is characterized by a high kink resistance and can thus be bent into almost any shape.
  • orthodontic arches can be formed with the desired force and bending moment consistency.
  • the invention thus contributes to increasing the success of particular orthodontic treatments, but the fields of application of the wire or the wire pieces are almost unlimited. These are precisely because of the good compatibility of the preferred material NiTi especially in medicine, where they can be used as "mitdevelopmentde" stabilizers or fasteners.
  • Another important idea of the invention is to produce the shape memory alloy wall in a sputtering process.
  • Two approaches are conceivable for producing the composite wires according to the invention using the sputtering technique:
  • One approach is the planar sacrificial layer method, as described in DE 199 48 199 A1.
  • the deposition of sputtered NiTi layers on the polymer films disclosed therein, however, has the disadvantage that this method does not provide all-round coating.
  • a core of sacrificial material for example a capillary or a tube made of copper or brass, with shape memory alloy with superelastic properties, in particular with NiTi, coated all around.
  • the core or the core of the unwanted foreign material is dissolved in an acid bath following the sputtering and subsequently the possibly required annealing treatment and replaced by a soft polymer core.
  • This can be poured or pulled, for example, in the bore of the wire.
  • the wall of the wire piece surrounds the soul directly and in particular non-positively.
  • materials for the soul nylon, Perlon, silicone, polyimide, epoxy resin or dental glue are recommended. It is also possible to manufacture the core from monofilament and / or multifilament polymer threads, which in turn can also be cast in, so that the core itself forms a composite material.
  • the wires according to the invention are in particular in the following dimensions:
  • the wall thicknesses of the shape memory alloy are in the range between 1 .mu.m and 100 .mu.m, the range between 5 .mu.m and 50 .mu.m being preferred.
  • the outer dimension is in the range between 0.1 mm and 2 mm, with the range between 0.2 mm and 1 mm being preferred.
  • the flexural modulus of elasticity of the filler is in the range between 100 kPa and 80 GPa, with the range between 100 MPa and 2 GPa being particularly preferred.
  • the lengths of the wires to be produced are in the order of several centimeters, with the customary in orthodontics dimensions of about 10 cm to 20 cm can be easily manufactured with the proposed method. Also wire lengths of the order of a meter are conceivable.
  • the length of the unfilled hollow wires, in particular, are not fundamentally limited during production.
  • FIG. 1 four stages of the production of a composite wire suitable for an orthodontic arch
  • Figure 2 is a diagram of a bending test
  • FIG. 1 shows, in four stages, the production of a polymer-filled hollow wire whose wall consists of shape memory alloy with superelastic behavior.
  • the deposition of the alloy takes place by means of the known physical deposition methods, preferably with the known methods of sputtering or cathode sputtering.
  • crystalline layers is deposited either on a heated substrate at least 450 0 C or it is carried out after the sputtering solution annealing at about 500-700 0 C.
  • a tube with a circular, rectangular or oval cross-section is produced by sputtering technique as follows: First, a piece of wire or a capillary 1 (FIG. 1a) made of sacrificial material, for example a commercially available copper capillary, is provided as substrate (blank). This is round-coated in a following step (FIG. 1 b). For this purpose, for example, the sputtering substrate 1 is set in rotation (arrow A) and a directed coating by sputtering (arrows 2) performed. On the substrate 1, the FG alloy 3, here made of NiTi, adhere.
  • the circularly coated sacrificial substrate is removed by using a selective solvent 4, which is located in a vessel 5.
  • a selective solvent 4 which is located in a vessel 5.
  • 30% nitric acid is used. It can be seen how the copper 6 dissolves.
  • the crystallization of the sputtered shape memory layer occurs before or after the selective wet chemical etching.
  • soft core material introduced into the hollow wire.
  • a two-component adhesive such as an epoxy resin or other single-component air-curing adhesive, may be filled into the hollow wire 3 ( Figure 1d).
  • wires according to the invention were created by a continuous deposition process of NiTi on a rotating copper capillary. After crystallization and dissolution of the copper core using nitric acid, a self-supporting NiTi capillary was created which was filled with polyamide wire. The modulus of elasticity of the soft core material was considered negligible compared to the Young's modulus of NiTi.
  • the super-elastic force plateau of a wire according to the invention is determined at about 37 ° C by means of a 3-point bending test ( Figure 2) with a central load and a support distance of 10mm.
  • the piece of wire to be tested is bent centrally up to 3.1 mm and the required bending force during loading and unloading is measured.
  • the force plateau is considered to be sufficiently therapeutically desirable and constant, in particular, if, on unloading, the change in bending force in the region between the deflection at 2.0 mm and the deflection at 1.0 mm does not exceed 20% of the bending force at 2.0 mm and the bending force at 2.0 mm does not exceed 5N.
  • the bending elastic modulus E is calculated according to the following equation, where F is the bending force [N], L is the bearing distance [mm], I is the area moment of inertia [mm 2 ] and ⁇ is the deflection [mm].

Abstract

The invention relates to an orthodontic curved brace, used in orthodontics to correct the malalignment of teeth. Said brace comprises a hollow wire or hollow wire section with a thin wall consisting of a shape-memory alloy (3), the thin wall of the wire or wire section having super-elastic characteristics.

Description

Orthodontischer Bogen aus gesplitterter Formgedächtnis-LegierungOrthodontic arc of splintered shape memory alloy
Die vorliegende Erfindung betrifft einen orthodontischen Bogen zum Einsatz in der Kieferorthopädie zur Korrektur von Zahnfehlstellungen aufweisend einen Draht oder ein Drahtstück aus Formgedächtnislegierung. Die Erfindung betrifft gleichfalls ein Verfahren zur Herstellung eines Drahtstückes für einen solchen orthodontischen Bogen.The present invention relates to an orthodontic arch for use in orthodontics for the correction of malocclusions comprising a wire or a wire piece of shape memory alloy. The invention also relates to a method for producing a piece of wire for such an orthodontic arch.
Ganz allgemein „erinnern" sich Formgedächtnis (FG) -Werkstoffe an ihre ursprüngliche Form und nehmen diese wieder an, wenn sie bei tiefer Temperatur (Martensit) verformt wurden und später eine Erwärmung in eine austenitische Hochtemperaturphase folgt. Derartige Werkstoffe zeigen außerdem häufig ein superelastisches Verhalten. Diese Eigenschaft ergibt sich daraus, dass innerhalb eines bestimmten Temperaturintervalls oberhalb einer charakteristischen Vorspannung von etwa einigen hundert MPa in der Spannungs-Dehnungs (Hysterese) Kurve ein Plateau auftritt. In diesem Dehnungsbereich wandelt sich der Austenit in Martensit um. Spannungsinduzierter Martensit kann sich entsprechend der angelegten Spannung entzwillingen und reagiert damit innerhalb des Plateaus auf eine Deformation des Materials mit einer konstanten Gegenkraft.In general, shape memory (FG) materials "remember" and resume their original shape when deformed at low temperature (martensite) and later heated to an austenitic high temperature phase, and often exhibit superelastic behavior This property results from the plateau occurring within a certain temperature range above a characteristic pre-stress of about a few hundred MPa in the stress-strain (hysteresis) curve, in which strain the austenite transforms into martensite, stress-induced martensite may correspond The applied voltage is twinned and thus reacts within the plateau on a deformation of the material with a constant counterforce.
Bauteile aus Formgedächtnislegierungen sind insbesondere deswegen so attraktiv, weil sie innerhalb gewisser Grenzen superelastische Eigenschaften aufweisen. Gerade in der Kieferorthopädie ist diese Eigenschaft erstrebenswert, wo zur Korrektur von Zahnfehlstellungen konstante Kräfte von Vorteil sind. Bislang sind für diesen Einsatz Volldrähte aus Formgedächtnislegierung hinlänglich bekannt. Diese Drähte aus biokompatiblen Legierungen, insbesondere aus NiTi, werden bevorzugt für die oben genannten orthodontische Zwecke verwendet.Components made of shape memory alloys are particularly attractive because they have superelastic properties within certain limits. Especially in orthodontics this property is desirable where constant forces are beneficial for correcting misaligned teeth. So far, full wires of shape memory alloy are well known for this use. These wires of biocompatible alloys, in particular of NiTi, are preferably used for the above-mentioned orthodontic purposes.
Es hat sich allerdings gezeigt, dass im Biegeversuch und damit in der klinischen Anwendung das aus Zugversuchen bekannte und für den Einsatz entscheidende konstante Kraftplateau sich nicht ausbildet. Stattdessen wird ein überlagerter linear-elastischer Beitrag beobachtet, der speziell mit abnehmendem Drahtdurchmesser eine signifikante Bedeutung bekommt. Der Grund für dieses Verhalten liegt darin, dass der innere, die neutrale „Faser" umfassende Bereich bei einer Biegung des Drahtes die zum Erreichen des superelastischen Plateaus nötige Spannung nicht erreicht. Somit ergibt sich durch die unterschiedliche Biegebelastung der einzelnen Fasern eine Überlagerung von mehreren nichtlinearen Be- und Entlastungskurven, womit die für die kieferorthopädische Behandlung erwünschte Kraftkonstanz respektive Biegemomentkonstanz der orthodontischen Bögen nicht erzielt werden kann. Es lassen sich also auf diese Art kaum Drähte mit superelastischem Verhalten realisieren, die ein therapeutisch wünschenswertes konstantes Biegekraftplateau bei Entlastung besitzen.However, it has been shown that in the bending test and thus in the clinical application known from tensile tests and decisive for use constant force plateau does not form. Instead, a superimposed linear-elastic contribution is observed, which gets a significant meaning especially with decreasing wire diameter. The reason for this behavior is that the inner region comprising the neutral "fiber" does not reach the tension required to reach the superelastic plateau when bending the wire, so that the different bending load of the individual fibers results in a superimposition of several nonlinear ones Loading and unloading curves, with which the force constancy or bending moment constancy of the orthodontic arches desired for the orthodontic treatment can not be achieved Thus, hardly wires with superelastic behavior can be realized in this way, which have a therapeutically desirable constant bending force plateau with relief.
Aufgabe der Erfindung ist es nunmehr, einen orthodontischen Bogen aufweisend einen Draht für mit derartigen Eigenschaften zu schaffen, wobei sich der Draht zumindest in Stücken einer begrenzten Länge einfach und kostengünstig herstellen lässt und wobei der Draht oder das Drahtstück die für die genannte Anwendung in der Kieferorthopädie gewünschte Superelastizität aufweist. Zudem ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Drahtes zu schaffen, wobei der Draht entsprechend der Anwendung in der Kieferorthopädie in entsprechenden Stücken zumindest begrenzter Länge hergestellt werden kann.The object of the invention is now to provide an orthodontic arc comprising a wire for having such properties, wherein the wire can be easily and inexpensively manufactured at least in pieces of a limited length and wherein the wire or piece of wire for the said application in orthodontics having desired superelasticity. In addition, it is the object of the invention to provide a method for producing such a wire, wherein the wire according to the application in orthodontics can be made in corresponding pieces of at least limited length.
Diese Aufgaben werden durch den orthodontischen Bogen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 14 gelöst. Merkmale besonderer Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen genannt. Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung liegt darin, sich für die Erzielung der Federwirkung des orthodontischen Bogens eines hohlen Drahtes oder Drahtstückes zu bedienen, dessen Wandung verhältnismäßig dünn ist und aus einer Legierung mit Formgedächtnis besteht. Dabei kann der orthodontische Bogen vollständig von dem Hohldraht gebildet sein oder ein aus derartigem Hohldraht gebogenes Teilstück enthalten. Es sei auch ausdrücklich erwähnt, dass das Merkmal „Hohldraht" nicht ausschließt, sein Inneres mit einem Material zu füllen, das sich vom Material der Wandung unterscheidet. Damit wird aus dem Hohldraht gewissermaßen ein „Kompositdraht".These objects are achieved by the orthodontic arch having the characterizing features of claim 1 and the method of claim 14. Features of particular embodiments of the invention are mentioned in the respective subclaims. An essential basic idea of the invention is to make use of the achievement of the spring effect of the orthodontic arc of a hollow wire or piece of wire whose wall is relatively thin and consists of a shape memory alloy. In this case, the orthodontic arc may be formed entirely by the hollow wire or may include a portion bent from such hollow wire. It should also be mentioned explicitly that the feature "hollow wire" does not preclude filling its interior with a material that differs from the material of the wall, so that the hollow wire becomes a kind of "composite wire".
Erfindungswesentlich ist weiterhin, die dünne Wandung des Hohldrahtes so auszubilden, dass die superelastische Eigenschaft gerade bei einer Biegung erreicht wird. So wird wegen der dünnen Wandung der vom Kern herrührende Überlagerungseffekt auf das Kraftplateau nicht nur bei Zug, sondern auch beim Biegen und Verdrehen wesentlich reduziert. Unter Einsatz der Erfindung kann beim Biegen respektive bei der kieferorthopädischen Behandlung das erwünschte konstante superelastische Kraftplateau deutlich besser angenähert werden, als es bei einem Volldraht der Fall ist. Dies gilt umso mehr, je dünner die Wandung des Hohldrahtes ist. Dabei liegen die Außenabmessungen der für die genannten Zwecke einsetzbaren Drahtstücke etwa zwischen 0, 1 mm und 2 mm, wobei der Bereich zwischen 0.2 mm und 1 mm zu bevorzugen ist. Die Wandstärke der relativ dünnwandigen Wandung liegt erfindungsgemäß etwa zwischen 1 μm und 100 μm, insbesondere zwischen 5 μm und 50 μm. Es ist besonders vorteilhaft, die Wandung aus NiTi oder NiTiX zu fertigen, wobei X insbesondere Cu, Pd, Hf, Zr, Nb oder Fe ist.It is also essential to the invention to design the thin wall of the hollow wire in such a way that the superelastic property is achieved in the case of bending. Thus, due to the thin wall of the core originating superposition effect on the power plateau is significantly reduced not only in train, but also during bending and twisting. Using the invention, the desired constant superelastic force plateau can be approached much better in bending or in the orthodontic treatment than is the case with a solid wire. This applies all the more, the thinner the wall of the hollow wire. The outer dimensions of the wire pieces that can be used for the purposes mentioned are approximately between 0.1 mm and 2 mm, whereby the range between 0.2 mm and 1 mm is to be preferred. The wall thickness of the relatively thin-walled wall according to the invention is approximately between 1 .mu.m and 100 .mu.m, in particular between 5 .mu.m and 50 .mu.m. It is particularly advantageous to manufacture the wall of NiTi or NiTiX, wherein X is in particular Cu, Pd, Hf, Zr, Nb or Fe.
Um die bei derart dünnwandigen Hohldrähten bestehende Gefahr des Knickens zu minimieren, die gerade den Einsatz für kieferorthopädische Anwendungen stark beeinträchtigt, ist es vorteilhaft, den Hohldraht mit einer Füllung (Seele) aus einem Material zu versehen, wobei der Biegeelastizitätsmodul der Seele generell kleiner, insbesondere um mindestens den Faktor 10 kleiner, als der Biegeelastizitätsmodul des superelastischen Materials der Wandung zu wählen ist.In order to minimize the risk of kinking which exists with such thin-walled hollow wires, which severely impairs the use for orthodontic applications, it is advantageous to provide the hollow wire with a filling (core) of a material, wherein the flexural elastic modulus of the core is generally smaller, in particular is at least 10 times smaller than the flexural modulus of elasticity of the superelastic material of the wall.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Seele von der Wandung form- und/oder kraftschlüssig umgeben ist. So wird ein für die genannten Einsatzgebiete geeigneter Materialverbund in der Art eines Kompositdrahtes der Stärke zwischen etwa 0,01 mm und 5 mm geschaffen. Die innerhalb der Wandung befindliche Seele hat einen verhältnismäßig geringes Elastizitätsmodul bei Biegung zwischen etwa 1 MPa und 80 GPa. Dabei kommt es auf die Geometrie des Querschnittes der Wandung nicht an. Dieser kann rund, oval oder eckig sein. Solche Komposit-Drähte können beispielsweise eine NiTi-Wandung und einen weichen Polymerkern haben.Furthermore, it is advantageous if the soul is surrounded by the wall positively and / or non-positively. This will be one for the mentioned areas of application suitable composite material in the manner of a composite wire of thickness between about 0.01 mm and 5 mm created. The core within the wall has a relatively low modulus of elasticity when bent between about 1 MPa and 80 GPa. It does not depend on the geometry of the cross-section of the wall. This can be round, oval or angular. Such composite wires may have, for example, a NiTi wall and a soft polymer core.
Die Vorteile der Erfindung resultieren daraus, dass der erfindungsgemäße Draht insbesondere bei einer Biegung in einem in der Kieferorthopädie üblichen Maß, das Plateau erreicht, innerhalb dessen die angestrebten superelastischen Eigenschaften auftreten. Dabei kann durch optimierte Bedingungen eine superelastische Hysterese bei Körpertemperatur von 37°C erreicht werden. Zudem zeichnet sich der einen solchen Hohldraht aufweisende orthodontische Bogen insbesondere im Fall der Kompositdrähte durch eine hohe Knickfestigkeit aus und lässt sich damit in nahezu beliebige Gestalt biegen. So können orthodontische Bögen mit der erwünschten Kraft- und Biegemomentkonstanz geformt werden. Die Erfindung trägt so zur Steigerung des Erfolges insbesondere kieferorthopädischer Behandlungen bei, wobei jedoch die Einsatzgebiete des Drahtes respektive der Drahtstückchen nahezu unbegrenzt sind. Diese liegen gerade wegen der guten Verträglichkeit des bevorzugten Werkstoffes NiTi insbesondere auch in der Medizin, wo sie als „mitwachsende" Stabilisatoren oder Verbindungselemente eingesetzt werden können.The advantages of the invention result from the fact that the wire according to the invention reaches the plateau within which the desired superelastic properties occur, in particular during a bend in a customary degree in orthodontics. Optimized conditions can be used to achieve a superelastic hysteresis at a body temperature of 37 ° C. In addition, the orthodontic arc having such a hollow wire, in particular in the case of the composite wires, is characterized by a high kink resistance and can thus be bent into almost any shape. Thus, orthodontic arches can be formed with the desired force and bending moment consistency. The invention thus contributes to increasing the success of particular orthodontic treatments, but the fields of application of the wire or the wire pieces are almost unlimited. These are precisely because of the good compatibility of the preferred material NiTi especially in medicine, where they can be used as "mitwachsende" stabilizers or fasteners.
Ein anderer wesentlicher Gedanke der Erfindung liegt darin, die Wandung aus Formgedächtnislegierung in einem Sputtervorgang herzustellen. Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Komposit-Drähte unter Einsatz der Sputtertechnik sind zwei Ansätze denkbar: Ein Ansatz liegt in dem planaren Opferschichtverfahren, wie es in DE 199 48 199 A1 beschrieben wird. Die Abscheidung gesputterter NiTi Schichten auf den darin offenbarten Polymerfolien hat jedoch den Nachteil, dass dieses Verfahren keine Rundumbeschichtung vorsieht.Another important idea of the invention is to produce the shape memory alloy wall in a sputtering process. Two approaches are conceivable for producing the composite wires according to the invention using the sputtering technique: One approach is the planar sacrificial layer method, as described in DE 199 48 199 A1. The deposition of sputtered NiTi layers on the polymer films disclosed therein, however, has the disadvantage that this method does not provide all-round coating.
Im Gegensatz dazu ist die unmittelbare Rundumbeschichtung von entsprechend profilierten polymeren Substraten mit einer Schicht aus Formgedächtnislegierung möglich. Bei diesem Verfahren ist jedoch auf die Temperaturbeständigkeit der verwendeten Polymere zu achten.In contrast, the immediate all-round coating of correspondingly profiled polymeric substrates with a layer of Shape memory alloy possible. In this method, however, pay attention to the temperature resistance of the polymers used.
Um die genannten Nachteile zu vermeiden, wird erfindungsgemäß ein Kern aus Opfermaterial, beispielsweise eine Kapillare oder ein Rohr aus Kupfer oder Messing, mit Formgedächtnislegierung mit superelastischen Eigenschaften, insbesondere mit NiTi, rundum beschichtet. Wie nachfolgend beschrieben, wird der Kern oder die Seele aus dem unerwünschten Fremdmaterial im Anschluss an das Sputtern und im Anschluss die eventuell notwendige Glühbehandlung in einem Säurebad aufgelöst und durch einen weichen Polymerkern ersetzt. Dieser kann beispielsweise in die Bohrung des Drahtes eingegossen oder eingezogen werden. Es ist dabei von Vorteil, wenn die Wandung des Drahtstückes die Seele unmittelbar und insbesondere kraftschlüssig umgibt. Als Materialien für die Seele bieten sich Nylon, Perlon, Silikon, Polyimid, Epoxydharz oder zahnmedizinischer Kleber an. Es ist auch möglich, die Seele aus monofilen und/oder multifilen Polymerfäden zu fertigen, die ihrerseits auch eingegossen werden können, so dass die Seele selbst einen Materialverbund bildet.In order to avoid the disadvantages mentioned, according to the invention a core of sacrificial material, for example a capillary or a tube made of copper or brass, with shape memory alloy with superelastic properties, in particular with NiTi, coated all around. As described below, the core or the core of the unwanted foreign material is dissolved in an acid bath following the sputtering and subsequently the possibly required annealing treatment and replaced by a soft polymer core. This can be poured or pulled, for example, in the bore of the wire. It is advantageous if the wall of the wire piece surrounds the soul directly and in particular non-positively. As materials for the soul nylon, Perlon, silicone, polyimide, epoxy resin or dental glue are recommended. It is also possible to manufacture the core from monofilament and / or multifilament polymer threads, which in turn can also be cast in, so that the core itself forms a composite material.
Die erfindungsgemäßen Drähte liegen insbesondere in folgenden Dimensionen vor: Die Wandstärken der Formgedächtnislegierung liegen im Bereich zwischen 1 μm und 100 μm, wobei der Bereich zwischen 5 μm und 50 μm bevorzugt ist. Die Außenabmessung liegt im Bereich zwischen 0,1 mm und 2 mm, wobei der Bereich zwischen 0,2 mm und 1 mm bevorzugt ist. Der Biegeelastizitätsmodul des Füllmaterials liegt im Bereich zwischen 100 kPa und 80 GPa, wobei der Bereich zwischen 100 MPa und 2 GPa besonders bevorzugt ist. Die Längen der herzustellenden Drähte liegen in der Größenordnung von mehreren Zentimetern, wobei sich die in der Kieferorthopädie gebräuchlichen Dimensionen von etwas 10 cm bis 20 cm problemlos mit dem vorgeschlagenen Verfahren fertigen lassen. Auch Drahtlängen der Größenordnung eines Meters sind denkbar. Der Länge insbesondere der ungefüllten Hohldrähte sind bei der Fertigung keine prinzipiellen Grenzen gesetzt. Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Figuren 1 bis 3 näher erklärt. Es zeigen:The wires according to the invention are in particular in the following dimensions: The wall thicknesses of the shape memory alloy are in the range between 1 .mu.m and 100 .mu.m, the range between 5 .mu.m and 50 .mu.m being preferred. The outer dimension is in the range between 0.1 mm and 2 mm, with the range between 0.2 mm and 1 mm being preferred. The flexural modulus of elasticity of the filler is in the range between 100 kPa and 80 GPa, with the range between 100 MPa and 2 GPa being particularly preferred. The lengths of the wires to be produced are in the order of several centimeters, with the customary in orthodontics dimensions of about 10 cm to 20 cm can be easily manufactured with the proposed method. Also wire lengths of the order of a meter are conceivable. The length of the unfilled hollow wires, in particular, are not fundamentally limited during production. Hereinafter, an embodiment of the invention with reference to Figures 1 to 3 explained in more detail. Show it:
Figur 1 vier Stufen der Herstellung eines für einen orthodontischen Bogen geeigneten Komposit-Drahtes,FIG. 1 four stages of the production of a composite wire suitable for an orthodontic arch,
Figur 2 ein Schema einer Biegeprüfung undFigure 2 is a diagram of a bending test and
Figur 3 Hysteresekurven eines Komposit-Drahtes und eines herkömmlichen DrahtesFigure 3 hysteresis curves of a composite wire and a conventional wire
Figur 1 zeigt in vier Stufen die Herstellung eines mit Polymer gefüllten Hohl- Drahtes, dessen Wandung aus Formgedächtnislegierung mit superelastischem Verhalten besteht. Generell erfolgt das Abscheiden der Legierung mittels der bekannten physikalischen Abscheidemethoden, vorzugsweise mit den bekannten Methoden des Sputterns oder des Kathodenzerstäubens. Zur Herstellung kristalliner Schichten wird entweder auf ein beheiztes Substrat bei mindestens 4500C abgeschieden oder es wird nach dem Sputtervorgang eine Lösungsglühung bei ca. 500-7000C durchgeführt.FIG. 1 shows, in four stages, the production of a polymer-filled hollow wire whose wall consists of shape memory alloy with superelastic behavior. In general, the deposition of the alloy takes place by means of the known physical deposition methods, preferably with the known methods of sputtering or cathode sputtering. For the production of crystalline layers is deposited either on a heated substrate at least 450 0 C or it is carried out after the sputtering solution annealing at about 500-700 0 C.
Erfindungsgemäß wird ein Röhrchen mit kreisförmigem, rechteckigem oder ovalem Querschnitt mit Sputtertechnik folgendermaßen gefertigt: Zunächst wird als Substrat (Rohling) ein Drahtstück oder eine Kapillare 1 (Fig. 1a) aus Opfermaterial, beispielsweise eine kommerziell erhältliche Kupferkapillare, bereitgestellt. Diese wird in einem folgenden Schritt (Fig. 1 b) rundumbeschichtet. Zu diesem Zweck wird beispielsweise das zu besputterende Substrat 1 in Rotation versetzt (Pfeil A) und eine gerichtete Beschichtung durch Sputtern (Pfeile 2) durchgeführt. Auf dem Substrat 1 bleibt die FG-Legierung 3, hier aus NiTi, haften.According to the invention, a tube with a circular, rectangular or oval cross-section is produced by sputtering technique as follows: First, a piece of wire or a capillary 1 (FIG. 1a) made of sacrificial material, for example a commercially available copper capillary, is provided as substrate (blank). This is round-coated in a following step (FIG. 1 b). For this purpose, for example, the sputtering substrate 1 is set in rotation (arrow A) and a directed coating by sputtering (arrows 2) performed. On the substrate 1, the FG alloy 3, here made of NiTi, adhere.
Im Anschluss (Fig. 1c) wird das rundumbeschichtete Opfersubstrat durch Einsatz eines selektiven Lösungsmittels 4 entfernt, das sich in einem Gefäß 5 befindet. Im Fall der NiTi-beschichteten Kupferelektrode wird 30%ige Salpetersäure eingesetzt. Zu erkennen ist, wie sich das Kupfer 6 auflöst.Subsequently (FIG. 1 c), the circularly coated sacrificial substrate is removed by using a selective solvent 4, which is located in a vessel 5. In the case of the NiTi-coated copper electrode, 30% nitric acid is used. It can be seen how the copper 6 dissolves.
Die Kristallisation der gesputterten Formgedächtnisschicht erfolgt vor oder im Anschluss an das selektive nasschemische Ätzen. Abschließend wird das weiche Kernmaterial in den Hohldraht eingebracht. Dazu ist es beispielsweise möglich, einen Nylon- bzw. Perlonfaden 7 oder eine Verflechtung von mehreren Fäden mit einem Kleber zu bestreichen, diesen in den Hohldraht 3 einzuführen und dort trocknen zu lassen. Alternativ kann ein Zweikomponentenkleber, wie ein Epoxydharz oder ein anderer an Luft härtender Einkomponentenkleber, in den Hohldraht 3 eingefüllt werden (Fig. 1d).The crystallization of the sputtered shape memory layer occurs before or after the selective wet chemical etching. Finally that will be soft core material introduced into the hollow wire. For this purpose, it is possible, for example, to coat a nylon or Perlonfaden 7 or an interlacing of several threads with an adhesive to introduce it into the hollow wire 3 and to let dry there. Alternatively, a two-component adhesive, such as an epoxy resin or other single-component air-curing adhesive, may be filled into the hollow wire 3 (Figure 1d).
Mit dem Verfahren wurden durch einen kontinuierlichen Ablagerungsprozesses von NiTi auf einer rotierenden Kupferkapillaren erfindungsgemäße Drähte geschaffen. Nach der Kristallisation und dem Herauslösen des Kupferkerns unter Einsatz von Salpetersäure war eine sich selbst tragende NiTi-Kapillare geschaffen worden, die mit Polyamiddraht gefüllt wurde. Dabei wurde der Elastizitätsmodul des weichkernigen Materials im Vergleich zum Elastizitätsmodul von NiTi als vernachlässigbar angesehen.With the method, wires according to the invention were created by a continuous deposition process of NiTi on a rotating copper capillary. After crystallization and dissolution of the copper core using nitric acid, a self-supporting NiTi capillary was created which was filled with polyamide wire. The modulus of elasticity of the soft core material was considered negligible compared to the Young's modulus of NiTi.
Das superelastische Kraftplateau eines erfindungsgemäßen Drahtes wird bei etwa 37° C mittels einer 3-Punkt-Biegeprüfung (Figur 2) mit mittiger Belastung und einem Auflageabstand von 10mm bestimmt. Das zu prüfende Drahtstück wird mittig bis zu 3,1 mm durchgebogen und die dafür notwendige Biegekraft bei Be- und Entlastung gemessen. Das Kraftplateau wird insbesondere dann als ausreichend therapeutisch wünschenswert und konstant angesehen, wenn bei der Entlastung die Änderung der Biegekraft im Bereich zwischen der Durchbiegung bei 2,0 mm und der Durchbiegung bei 1 ,0 mm nicht mehr als 20% der Biegekraft bei 2,0 mm beträgt und die Biegekraft bei 2,0 mm 5N nicht übersteigt.The super-elastic force plateau of a wire according to the invention is determined at about 37 ° C by means of a 3-point bending test (Figure 2) with a central load and a support distance of 10mm. The piece of wire to be tested is bent centrally up to 3.1 mm and the required bending force during loading and unloading is measured. The force plateau is considered to be sufficiently therapeutically desirable and constant, in particular, if, on unloading, the change in bending force in the region between the deflection at 2.0 mm and the deflection at 1.0 mm does not exceed 20% of the bending force at 2.0 mm and the bending force at 2.0 mm does not exceed 5N.
Im linear elastischen Bereich der Biegekurve berechnet sich der Biegeelastizitätsmodul E nach der folgenden Gleichung, wobei F die Biegekraft [N], L der Auflageabstand [mm], I der Flächenträgheitsmoment [mm2] und δ die Durchbiegung [mm] ist.In the linear elastic range of the bending curve, the bending elastic modulus E is calculated according to the following equation, where F is the bending force [N], L is the bearing distance [mm], I is the area moment of inertia [mm 2 ] and δ is the deflection [mm].
E = 1/48 [(F - L3) / (I - δ)]E = 1/48 [(F-L 3 ) / (I-δ)]
In Figur 3 ist das Biegeverhalten (Hysterese) 8 eines Verbundes mit einem rechtwinkligen NiTi-Röhrchen vom Querschnitt 400 μm x 560 μm, das mit Nylon gefüllt ist, schematisch im Vergleich zur Hysterese 9 eines kieferorthopädischen NiTi-Volldrahtes bei Körpertemperatur von 370C dargestellt. Aufgetragen sind die Durchbiegung in mm gegen die Biegekraft in N. Zu sehen sind die Belastungsäste 10 und das Verhalten beim Entlasten 11 gezeigt. Während im Fall der Hysterese 9 kaum ein sichtbares Plateau insbesondere im besonders interessanten Entlastungsast 11a zu erkennen ist, zeigt der Entlastungsast 11b ein ausgeprägtes konstantes Plateau 12. In Figure 3, the bending behavior (hysteresis) 8 of a composite with a rectangular NiTi tube of cross section 400 microns x 560 microns, which is filled with nylon, schematically compared to the hysteresis 9 of an orthodontic NiTi solid wire at body temperature of 37 0 C shown. Plotted are the deflection in mm against the bending force in N. The load branches 10 and the unloading behavior 11 are shown. While in the case of the hysteresis 9 hardly a visible plateau can be seen, in particular in the particularly interesting unloading branch 11a, the unloading branch 11b shows a pronounced constant plateau 12.

Claims

Patentansprüche claims
1. Orthodontischer Bogen zum Einsatz in der Kieferorthopädie zur Korrektur von Zahnfehlstellungen aufweisend einen hohlen Draht oder ein hohles Drahtstück mit einer dünnen Wandung aus einer Legierung mit Formgedächtnis, wobei die dünne Wandung des Drahtes oder Drahtstückes superelastische Eigenschaften aufweist.An orthodontic arch for use in orthodontics for correcting malocclusions comprising a hollow wire or a hollow piece of wire having a shape memory alloy thin wall, the thin wall of the wire or wire having superelastic properties.
2. Bogen nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine nahezu konstante Rückstellkraft bei einer Biegung bei Körpertemperatur.2. bow according to claim 1, characterized by a nearly constant restoring force at a bend at body temperature.
3. Bogen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass das Drahtstück Außenabmessungen zwischen 0, 1 mm und 2 mm, insbesondere zwischen 0.2 mm und 1 mm, wobei die Wandung zwischen 1 μm und 100 μm, insbesondere zwischen 5 μm und 50 μm, stark ist.3. sheet according to claim 1 or 2, characterized in that the piece of wire outer dimensions between 0, 1 mm and 2 mm, in particular between 0.2 mm and 1 mm, wherein the wall between 1 .mu.m and 100 .mu.m, in particular between 5 microns and 50 microns, strong.
4. Bogen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Wandung des Drahtes oder Drahtstückes eine Seele aus Füllmaterial umgibt, wobei der Biegeelastizitätsmodul der Seele kleiner, insbesondere kleiner als ein Zehntel, des Biegeelastizitätsmoduls der Wandung ist.4. bow according to one of the preceding claims, characterized in that the wall of the wire or piece of wire surrounds a soul of filling material, wherein the bending elastic modulus of the soul is smaller, in particular less than one tenth, of the bending elastic modulus of the wall.
5. Bogen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegeelastizitätsmodul des Füllmaterials im Bereich zwischen 100 kPa und 80 GPa, insbesondere zwischen 100 MPa und 2 GPa1 liegt. 5. Sheet according to one of the preceding claims, characterized in that the bending elastic modulus of the filling material is in the range between 100 kPa and 80 GPa, in particular between 100 MPa and 2 GPa 1 .
6. Bogen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Drahtstückes die Seele kraft- und/oder formschlüssig umgibt.6. bow according to one of the preceding claims, characterized in that the wall of the wire piece force and / or positively surrounding the soul.
7. Bogen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seele aus Polymer, insbesondere aus Nylon, Perlon, Silikon, Polyimid, Epoxydharz oder einem zahnmedizinischen Adhäsive, gefertigt ist.7. bow according to one of the preceding claims, characterized in that the core of polymer, in particular nylon, Perlon, silicone, polyimide, epoxy resin or a dental adhesive, is made.
8. Bogen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Seele aus monofilen und/oder multifilen Polymerfäden gefertigt ist.8. bow according to claim 7, characterized in that the core is made of monofilament and / or multifilament polymer threads.
9. Bogen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seele selbst einen Verbund verschiedener Materialien bildet, wobei insbesondere einer oder mehrere Fäden in ein Polymer eingegossen sind.9. bow according to one of the preceding claims, characterized in that the soul itself forms a composite of different materials, in particular one or more threads are cast in a polymer.
10. Bogen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung aus NiTi oder NiTiX besteht, wobei X insbesondere Cu, Pd, Hf, Zr, Nb oder Fe ist.10. arc according to one of the preceding claims, characterized in that the wall consists of NiTi or NiTiX, wherein X is in particular Cu, Pd, Hf, Zr, Nb or Fe.
11. Bogen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seele nach der Fertigung der Wandung in den durch die Wandung gebildeten Hohldraht eingebracht ist.11. bow according to one of the preceding claims, characterized in that the soul is introduced after the manufacture of the wall in the hollow wire formed by the wall.
12. Bogen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seele unmittelbar mit der Formgedächtnislegierung beschichtet ist. 12. bow according to one of the preceding claims, characterized in that the soul is coated directly with the shape memory alloy.
13. Bogen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer 3-Punkt-Biegeprüfung bei 37° C mit mittiger Belastung und einem Auflageabstand von 10 mm nach einer Belastung bis zur Durchbiegung von zu 3,1 mm und anschließender Entlastung die gemessene Änderung der Biegekraft im Bereich zwischen der Durchbiegung bei 2,0 mm und der Durchbiegung bei 1 ,0 mm nicht mehr als 20% der Biegekraft bei 2,0 mm beträgt und die Biegekraft bei 2,0 mm 5N nicht übersteigt..13. Sheet according to one of the preceding claims, characterized in that in a 3-point bending test at 37 ° C with a central load and a support distance of 10 mm after a load to the deflection of 3.1 mm and subsequent discharge the measured Change in bending force in the range between the deflection at 2.0 mm and the deflection at 1, 0 mm is not more than 20% of the bending force at 2.0 mm and the bending force at 2.0 mm does not exceed 5N.
14. Verfahren zur Herstellung eines Drahtstückes für einen orthodontischen Bogen nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Rohling (1) aus Opfermaterial bereit gestellt wird, dass der Rohling in einem Abscheideverfahren, insbesondere in einem Sputterprozess, mit der Formgedächtnislegierung (3) rundumbeschichtet wird, dass der Rohling (1) mit einem selektiven Lösungsmittel (4) entfernt wird, wobei die Wandung (3) als Hohldraht verbleibt, und dass die Seele (7) in den von der Wandung (3) gebildeten Hohldraht eingebracht wird.14. A method for producing a piece of wire for an orthodontic arch according to one of the preceding claims, characterized in that initially a blank (1) made of sacrificial material is provided that the blank in a deposition process, in particular in a sputtering process, with the shape memory alloy (3 ) is coated, that the blank (1) with a selective solvent (4) is removed, wherein the wall (3) remains as a hollow wire, and that the soul (7) is introduced into the hollow wire formed by the wall (3).
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (1) im Strahl (2) des zur Abscheidung aufzubringenden Substrates der Formgedächtnislegierung gedreht wird. 15. The method according to claim 14, characterized in that the blank (1) is rotated in the beam (2) to be applied for the deposition of the substrate of the shape memory alloy.
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