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钛丝钛板等钛合金材料在口腔正畸临床中的应用

发布时间:2021-12-14 16:45:09 浏览次数 :

钛及钛合金材料是口腔正畸领域较常用的一类生物金属材料。由于钛金属本身具有优良的特性,因此自从其进入口腔正畸领域以来就一直受到广大临床医生的青睐,并且随着研究的不断深入,也使钛及钛合金材料在口腔领域中的应用有了突飞猛进的发展。本文阐述了以镍钛丝、β钛丝、镍钛弹簧、钛钉和钛板为代表的钛及钛合金材料的性能特征、国内外研究开发现状、应用沿革以及其目前在口腔正畸临床治疗中的应用情况和存在的问题。

钛丝

钛是一种银白色的过渡金属,具有质量轻、强度高、抗腐蚀的特征,于1791年由William Gregor发现,并由Martin Heinrich Klaproth用希腊神话中的人物泰坦为其命名。钛和镍组成的合金,被称为“记忆合金”。用这种合金制成预先确定的形状,再经过定型处理后,在受外力变形时,有恢复到原有形态的趋势。因其具有强大的“记忆”功能,这种合金目前已在许多领域得到应用,其在口腔正畸临床中的应用亦取得了很好的效果。由于其在口腔正畸治疗中不同情况下发挥不同的作用,人们不断深入研究,利用不同工艺,改变钛与镍的含量,制成性能多样化的材料,供正畸临床治疗使用。目前,较常用于正畸临床治疗中的材料有镍钛丝、β钛丝、镍钛弹簧、钛钉和钛板。

1、钛及钛合金材料的特性

1.1 镍钛丝 

镍钛合金随外环境(应力、温度等)的变化,其内部金属原子排列会发生变化,并会因此产生应力的变化,使得镍钛丝具有独特的力学特征。目前,临床常见的镍钛丝大致可分为普通型镍钛丝、拟弹性镍钛丝、温控型镍钛丝 3 种类型。不同类型的镍钛合金其内部原子排列与力学特性均不相同[1] 。

普通型镍钛丝,又称传统型镍钛合金丝,为冷加工制成,在常温下和口腔中均较稳定,在正畸治疗中不会发生相变现象,不具有超弹性,也不具有形变记忆功能,目前在临床较少应用。拟弹性镍钛丝,又称超弹性镍钛合金丝,是在恒定的温度下,弓丝加载后发生相变并恢复其原始形状。即使应力超过了弓丝的弹性极限后,弓丝仍能保存很好的回弹性。超弹性镍钛丝的另一个显著特征是加载较小时刚度较大,释放力较大;加载较大时刚度较小,释放力反而较小[1] 。温控型镍钛丝,又称热激活镍钛合金丝或体温影响镍钛合金丝,具有超弹性和形状记忆功能。这种合金丝经过成型、加压、热处理、冷却等过程制成固定的形状,受外力发生变形,稍加热便可恢复到原来的形状。

其主要特征是室温下柔软、易弯曲形变,在口腔温度下迅速被激活,恢复到原来的形状[2] 。

1. 2 β钛丝
β钛丝合金含有钛、锆、钼、锡4种元素,其刚度为不锈钢丝的1/2、传统镍钛丝的2倍,其弹性介于不锈钢与传统镍钛丝之间。β钛丝释放力较不锈钢丝柔和,回弹性较高[2] 。与传统的镍钛丝相比,β钛丝具有能弯制成形、可焊接的优点。但其最大的缺点是摩擦系数较大(大于所有其他正畸用合金丝),不利于牙齿沿弓丝滑动[3] 。

1. 3 镍钛弹簧
镍钛弹簧具有很好的弹性,在拉伸或压缩状态下能够产生比较柔和、稳定且持久的力量。其拥有极低的永久变形率,且力的衰减非常小,产生的力量符合临床牙齿移动的需要,能 够有效地使牙齿发生生理性移动,是正畸治疗中较常使用的镍钛合金材料[4] 。

1. 4 钛钉和钛板
钛钉和钛板拥有钛金属的一切良好性能:质轻、密度与人的骨密度相似、比强度(抗拉强度/密度)大、在-235 ~ 600 ℃的温度内几乎是所有金属材料中比强度最高的。钛的硬度

适中,延展性较好。钛的热传导率低,因此在口腔中使用不会灼伤黏膜。钛对X线有半阻射性,所以钛钉和钛板能够在X线片上显影,并且可以观察其周围骨质的变化,这样有利于观察钛钉在骨中的位置及稳定情况。钛没有磁性,不会被磁化,因此在体内存有钛钉或钛板的情况下也不会影响CT及核磁共振检查及诊断。钛有良好的耐腐蚀性及生物相容性,用于人体不会引起局部或全身的不良反应,无致炎、致敏作用,这是其应用于医疗领域的主要原因。钛植入骨内会形成骨整合,因此目前钛正广泛应用于临床及口腔医疗中。但钛的强度低、耐磨性较差,这也限制了其在某些方面的使用。

2、钛及钛合金材料的应用沿革

钛及钛合金凭借其优异的性能在医用材料领域占有重要的一席。20世纪40年代初期,Bothe等将纯钛引入生物医学领域,之后Leventhal证实了纯钛具有优异的生物相容性,后来Branemark将纯钛应用于口腔种植领域,从此,纯钛作为种植材料得到了广泛的应用[5] 。20世纪70年代后期,钛合金作为外科修复材料被广泛应用于临床;20世纪80年代中期,钛合金被列入国际生物材料标准,并在临床上得到应用[6] 。

学者们对钛及钛合金的研究已经迈进了3个时 代 。 第 1 个 时 代 ,医 用 钛 合 金 以 纯 钛 、Ti-6Al-4V 为代表;第 2 个时代,医用钛合金以Ti-5Al-2·5Fe 、Ti-5Al-2·5Sn为代表;目前,已经进入了第3个时代,即如何改进钛合金,使其具有更低的弹性模量以及更加优异的生物相容性和力学相容性的新型医用钛合金时代[7] 。 镍钛合金(nitinol, “ni”为镍, “ti”为钛, “nol”为海军军械研究室的缩写)在1963年被美国海军军械研究室首先研制成功。因其具有优异的形状记忆效应而被广泛应用于口腔医学领域,特别是正畸临床。目前,镍钛合金已成为口腔正畸领域中不可替代的理想合金材料之一。

镍丝

3、钛及钛合金材料在正畸临床的应用

3. 1 镍钛丝
镍钛丝因具有良好的适应性、高回弹力且能够持续地释放力,目前已被广泛用于正畸临床治疗中,尤其适用于牙的排齐阶段。但镍钛丝的性能及其治疗效果受很多因素的影响,例如:镍离子的释出,其他金属元素的添加,弓丝表面镀层,患者的饮食习惯、咀嚼习惯以及口腔内温度的改变等[8] 。

3. 2 β 钛丝
β钛丝的弹性模量较低、回弹性好且具有可成形能力,是正畸治疗中期及最后精细调整阶段的理想材料。其亦可制成辅弓、片段弓用于打开咬合或制成不同的曲,提高矫治效率 [9] 。

β钛丝完全进入托槽槽沟时所产生的力值和横截面较小的不锈钢丝所产生的力值相等,而如果产生相等的力时β钛丝则与托槽的槽沟更加贴合,并且力量较为柔和,可以更好地控制牙齿的定向移动,尤其是转矩的控制[10] 。但β钛丝存在一个较大的缺点即摩擦系数大。它几乎比所有其他正畸合金丝的摩擦系数都大,因而不利于牙齿沿弓丝滑动。

3. 3 镍钛弹簧
镍钛弹簧是正畸治疗中一种较为优良的力学装置,它所产生的移动牙齿的力量更符合生理需求[10] 。镍钛弹簧具有极好的回弹性与超弹力,拉伸后矫治力不会随形变的恢复发生迅速且大幅度的改变,并且拥有极低的永久变形率,故在正畸治疗中显示强大的优势,大大缩短了治疗时间。

3. 4 钛钉和钛板
钛钉在错 牙合 畸形的矫治中作为支抗使用存在着很大的优势,目前已成为正畸临床治疗中较受青睐的辅助手段之一。其优势在于:(1)钛钉具有良好的生物相容性,其愈合后会 形成良好的上皮包裹[11] ;(2)钛钉直接作用于颌骨,提供强大而稳定的骨支抗,对牙体、牙周均无损伤[12] ;(3)钛钉在口腔内暴露的体积小,表面光滑,异物感小,不影响口腔卫生的保持[13] ;(4)易去除,无需麻醉,局部消毒后用配套的器械旋出,无疼痛感,愈合后无瘢痕[13] 。

根据操作方法的不同,钛钉分为自攻式和助攻式两种。自攻式钛钉有螺纹,可穿过软组织和密质骨;而助攻式钛钉需要在植入前先用配套的钻在密质骨上备洞,再植入钛钉。前者操作比较简单,旋入速度慢,几乎不会产生热量,因此不会引起周围骨组织坏死,当触及牙根时,会有障碍感,及时停止旋入,可避免损伤牙根;但种植钉较易折断,在骨皮质较厚的区域植入难度较大。后者在使用时,需先备洞,备洞时产生的高温可能引起钛钉周围骨组织坏死甚至损伤牙根。应采取相应的预防措施和处理方法来避免功能期种植钉可能引起的并发症。比如,术前应进行影像评估,以避免种植钉损伤牙根、下牙槽神经及恒牙胚等组织;嘱患者按时复诊并进行术后的口腔卫生宣教,以避免种植体周围炎的发生 [14] 。另外,在钛钉顶端加以盘状结构的改良,可有效改善种植钉被口腔软组织包裹的问题。

钛板在正畸中的应用主要是手术病例术后的坚强内固定。钛板有良好的生物相容性,对人体无害,不致炎,不致敏,不会造成类似坚硬钢板所造成的应力屏障,有利于骨折的愈合,可永久保留于体内,无不良反应,无须取出[15] 。

影响钛钉和钛板术后成功与否的关键是其能否达到稳定的效果,能否达到稳定的关键在于钛钉和钛板与骨结合的情况,医学称之为骨整合。 影响骨整合的主要因素如下。

(1)种植钉的设计。为了实现种植支抗成功达到稳定的效果,目前的种植钉在设计和工艺上有了许多改进,主要是种植钉的表面处理,包括:①表面涂层。目前有利于种植钉骨整合的主要表面涂层材料是羟基磷灰石(HA),研究表明,HA 涂层可增加种植钉的稳定性;另一种材料唑来膦酸钠(ZOL),可抑制破骨细胞、促进成骨细胞形成,从而促进骨组织的形成。

ZOL 是一种引导骨再生的材料,可使骨密度加大。将HA和ZOL共同涂层于种植钉表面,可形成ZOL活性涂层,并可防止HA晶体溶解,从而更好地引导骨再生,使种植体与骨形成骨结合[16] 。②阳极氧化法。其是一种电化学处理方法,将增加种植钉的钛氧厚度和粗糙度[17] 。阳极氧化表面处理的种植钉耐腐蚀性较自然氧化的高。经阳极氧化法处理的种植钉,在电镜下表现出凸凹不平、微管状结构,这些结构能够影响蛋白质的凝聚,改变细胞的活动;可增加成骨细胞的渗入,提高骨结合能力,并可促进种植钉周围骨质的早期成熟[18] 。

(2)加载时机。研究显示,在种植钉植入后即刻加载,骨改建正常,愈合情况良好,提高了种植钉的机械稳定性[19] 。

(3)种植钉的植入角度。种植钉的植入角度对骨结合及稳定性无明显的影响[20-21] 。

(4)患者年龄的大小。 微钛钉在年龄较小的儿童的骨组织中较骨成熟的成人更易出现松动或移位[22] 。然而,种植钉并不需要达到完全的骨整合。Gary等[23] 认为,在正畸治疗中所使用的种植钛钉不一定要达到骨整合;Park[24] 认为,微型种植钉的稳定是来自于种植钉与骨的锁结,而不是骨整合,虽然种植钉与骨之间或多或少存在着骨结合,然而,正畸微种植钉需要大量的骨整合来达到稳定是被质疑的,完全的骨结合不是正畸微种植钉植入后所必须的。正畸种植钉所加载(承载)的力量小,并且是一个临时的装置。Roberts等[25] 认为,在正畸支抗中种植钉与骨有10%的骨整合就足够了。Deguchi 等 [26] 在动物实验中发现,即使只有5%的骨整合同样可抵抗正畸支抗中所施加的力量。

钛板

4、结语

钛及钛合金材料凭借其独特的优良特性和丰富的来源,已成为口腔医学中不可或缺的材料之一,其良好的性能也满足了正畸临床治疗中的需要。对于钛及钛合金材料的深入研究及开发关乎口腔医学的进步与发展,同时也对口腔正畸学的革新和突破有着深远影响。

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