BIOMATERIALIEN IN ODF
1. Einleitung
Das allgemeine Prinzip der Kieferorthopädie besteht darin, die Zähne in den drei Raumdimensionen zu bewegen . Diese Zahnbewegungen werden insbesondere durch die Installation eines kieferorthopädischen Geräts, meist aus Metall, in der Mundumgebung durchgeführt. Dieses Gerät besteht aus Schlössern, die an die verschiedenen Zähne geklebt oder versiegelt werden, einem oder mehreren kieferorthopädischen Drähten in jedem Bogen, je nach verwendeter Technik, sowie verschiedenen Hilfsmitteln. Diese Geräte bestehen immer aus Legierungen .
2. Metalle
2.1. Definition von Metall
Als Metall bezeichnet man die Verbindung von Millionen Metallatomen.
Diese Atome können identisch sein: Dies ist bei reinem Metall der Fall.
Aufgrund ihrer schwachen Eigenschaften werden jedoch Metalllegierungen verwendet, die aus einer Mischung mehrerer reiner Metalle bestehen, die im Allgemeinen nach dem Schmelzen und Abkühlen erhalten wird.
Die Atome dieser Legierungen sind auf Plätzen angeordnet, deren Anordnung durch ein Kristallgitter beschrieben wird.
2.2. Edelstahl
Stahl ist jede Legierung, deren Hauptbestandteil Eisen ist. Stahl ist preiswert und allgegenwärtig: in Metallbrücken, Autos, kieferorthopädischen Zangen und Ringen … Für den Einsatz in der Biomedizin musste er absolut rostfrei sein, damit er in der Mundumgebung nicht korrodierte.
Kieferorthopädische Stähle werden durch das Vorhandensein von Metallen mit besonderen Eigenschaften in der Legierung rostfrei: Nickel und Chrom .
- Edelstahl.
- Verschleißfestigkeit.
Chrom:
- Erhöht die Härte
- Verleiht Stahl Glanz.
Es ist auch heute noch sehr beliebt und wird häufig verwendet. Es zeichnet sich durch eine gute Formbarkeit aus und lässt sich sehr einfach formen.
Zur Herstellung kieferorthopädischer Apparaturen können Edelstahlbögen geschweißt oder gelötet werden.
Diese Legierungen bestehen aus Eisen, Chrom, Nickel und weniger als 2 % Kohlenstoff.
Eindrähtiger Edelstahl weist einen niedrigen Reibungskoeffizienten auf, das heißt, er setzt der Zahnbewegung nur geringe Reibungskräfte entgegen.
Mehradrige Drähte können rund oder rechteckig gedreht, um ein Koaxialkabel gewickelt oder geflochten sein.
2.3. Der Elgiloy
Es handelt sich um eine hauptsächlich aus Kobalt, Chrom und Nickel bestehende Legierung, die in den 1950er Jahren von der Elgin Watch Company entwickelt wurde .
Die Legierung gibt es in vier verschiedenen Typen, die sich je nach Elastizität durch vier verschiedene Farben unterscheiden (gleiche Zusammensetzung, aber unterschiedliche mechanische Eigenschaften).
- Blaues Elgiloy: ist das beliebteste, nicht sehr widerstandsfähige Material und wird für starkes Biegen oder zum Schweißen empfohlen.
- Gelbes Elgiloy: ist widerstandsfähiger
- Grünes Elgiloy: ist halbelastisch
- Rotes Elgiloy: ist widerstandsfähig und zerbrechlich.
Durch eine Wärmebehandlung lässt sich die Elastizitätsgrenze erhöhen und die Elastizität auf einen Wert steigern, der nahe an dem von Edelstahl liegt.
2.4. Lötlegierungen
Zinnbasiertes Lot – Silberbasiertes Lot – Goldbasiertes Lot
Bei der Herstellung kieferorthopädischer Geräte lassen sich mehrteilige Zusammenbauten kaum vermeiden und deren Zusammenbau stellt nach wie vor ein Problem dar.
2.4.1. Das Löten
Das Löten ist das klassische Fügeverfahren in der Zahnmedizin. Dabei werden metallische Elemente durch Zwischenfügung eines Füllmaterials miteinander verbunden, dessen Zusammensetzung sich von der der Grundlegierung unterscheidet und dessen Schmelztemperatur niedriger ist als die der Grundlegierung.
Der Kieferorthopäde verwendet Silberlot mit eingearbeitetem oder nicht eingearbeitetem desoxidierendem Flussmittel und einen Gasbrenner.
Die Verwendung eines Lötbrenners bringt alle Nachteile der Überhitzung, Ungenauigkeit, des Bruchs und der Effekte des Bimetallismus mit sich, einschließlich der Gefahr einer Korrosion im Mund.
Daher kann es beim Löten zu Brüchen und zur Oxidation von Geräten und in bestimmten Fällen zu Allergien im Mund kommen.
Kieferorthopädische Drähte haben elastische Eigenschaften, die auf ihren Verwendungszweck abgestimmt sind. Deshalb ist es wichtig, ihr elastisches Verhalten nicht zu verändern und ihre Oberfläche nicht zu oxidieren.
2.4.2. Laserschweißen
Unter Schweißen versteht man das thermische Verbinden zweier Metallteile oder bestimmter Kunststoffteile.
Das Schweißgerät besteht aus einer Lasereinrichtung, optischen Komponenten zur Strahlführung und einem Arbeitsbereich, der die Handhabung und Positionierung des zu schweißenden Teils ermöglicht.
Im Gegensatz zum Löten ist beim Laserschweißen eine exakte Positionierung der Elemente ohne Verformungsgefahr und somit eine perfekte Passung möglich.
Es sorgt für eine punktuelle Verschmelzung des Materials, ohne die Bereiche zu erhitzen
Ränder zur Gewährleistung einer unübertroffenen Qualität der Schweißteile.
Im Mund erfolgt keine Oxidation und daher auch keine Freisetzung von Metallionen durch die Einwirkung des Speichels.
2.5. Nickel-Titan-Legierungen
Aufgrund ihrer Flexibilität und ihres Formgedächtnisses werden diese Legierungen immer häufiger verwendet und sind in vielen verschiedenen Marken im Handel erhältlich. Nickel wird mit einem edleren Metall, Titan, kombiniert.
Die Beherrschung der Metallbearbeitungsprozesse erklärt zum Teil die Entwicklung der Eigenschaften der verschiedenen Ni-Ti-Legierungen, die Kieferorthopäden seit den ersten Ni-Ti-Bögen geboten werden, die 1972 unter dem Gattungsnamen Nitinol auf den Markt kamen.
Nickel-Titan-Legierungen weisen daher pseudoelastische Eigenschaften auf, die mit der Existenz einer Phasenumwandlung im festen Zustand zusammenhängen.
Diese Umwandlung erfolgt zwischen sogenannten „niedrigen“ und „hohen“ Temperaturen, ohne Diffusion, quasi augenblicklich und ohne Veränderung der chemischen Zusammensetzung der Legierung. Es kommt zu einer verschiebenden Strukturänderung durch kooperative Verschiebung von Atomen über sehr kurze Distanzen.
2.5.1. Nitinol
Historisch gesehen gibt es Nitinol ( Nickel , Titan , Naval Ordnance Laboratory ), das 1960 von Buehler erfunden wurde. Besteht hauptsächlich aus Nickel (52 %) und Titan (45 %) .
- Nitinol bietet nicht die Eigenschaften der Superelastizität und des Formgedächtnisses.
- Sein sehr niedriger Elastizitätsmodul ermöglicht es ihm, großen elastischen Biegungen standzuhalten.
- Nitinol kann eine geringere, konstantere und kontinuierlichere Kraft erzeugen als Stahl mit gleichem Querschnitt.
- Die Oberfläche ist weniger glatt als die von Stahl, wodurch die Reibungskräfte steigen.
- Schließlich lässt sich Nitinol nicht schweißen.
2.5.2. Chinesisches Nitinol
Es handelt sich um eine Ni-Ti-Legierung, die vom Team von Dr. Tien Hua Cheng am General Research Institute of Nonferrous Metals in Peking entwickelt wurde.
Chinesisches Ni-Ti hat eine größere Elastizität als Nitinol.
2.5.3. Formgedächtnis und superelastisches Ni-Ti
Sie können eine scheinbar plastische Verformung erfahren und dann durch einfaches erneutes Erhitzen ihre ursprüngliche Form vollständig wiedererlangen.
Das Interessante an diesen beiden Eigenschaften, Superelastizität und Formgedächtnis, zeigt sich in den Phasen der Deaktivierung der Drähte, in denen die wiederhergestellten Kräfte gering und nahezu konstant sind.
3. Metallschlösser
Der kieferorthopädische Aufsatz oder die Klammer, auf Englisch Bracket , ist eine an jedem Zahn eines Zahnbogens befestigte Vorrichtung, die auf den Zahn geklebt oder an einen Ring geschweißt werden kann und als Vermittler zwischen dem zu bewegenden oder ruhigzustellenden Zahn und dem mechanischen Effektor dient, der den aktiven Teil der kieferorthopädischen Apparatur darstellt. Reibung ist per Definition eine Kraft, die die Relativbewegung zweier sich berührender Objekte verlangsamt.
In der Kieferorthopädie wird es durch die Art des Brackets und des Bogens bestimmt: das Material, die Qualität seiner Bearbeitung, die Oberflächenbeschaffenheit, die Breite und Tiefe der Nut, der Abstand zwischen den Brackets, die Ligaturmethode.
In den letzten Jahren wurden viele Schlösser modifiziert, um die Oberfläche der Rille, die mit dem Draht in Kontakt kommt, zu verringern und so die Reibungskräfte zu reduzieren.
3.1. Verwendete Materialien
3.1.1. Edelstahl: Das am häufigsten verwendete Material zur Herstellung von Metallklammern ist Edelstahl.
Diese Legierung wurde 1920 für Zahnprothesen vorgeschlagen. Ursprünglich wurde Edelstahl
Entwickelt, um Korrosion und nicht mechanischer Beanspruchung zu widerstehen.
Diese Stähle enthalten neben Eisen einen bestimmten Gewichtsanteil an Nickel, Chrom, Kohlenstoff, Molybdän, Mangan, Kobalt und Niob.
3.1.2. Titan
Durch die Verwendung von im Spritzgussverfahren hergestellten Titanbrackets sind in jüngster Zeit neue Möglichkeiten entstanden. Die mechanischen Eigenschaften entsprechen denen von Stahl, mit besserer Korrosionsbeständigkeit und ohne Nickelabgabe.
3.1.3. Chrom-Kobalt-Legierungen
– Diese Legierung ist biokompatibel und nickelfrei.
– Die Halterung besteht aus einem Stück mit integrierter, laserbeschrifteter Basis.
– Es weist keine galvanische Korrosion auf.
3.2. Design und Verwendung
Mittel zur Befestigung kieferorthopädischer Klammern
- Abgedichtete Ringe mit verschweißtem Aufsatz: Die Aufsätze werden auf die für jeden Zahntyp angepassten Ringe geschweißt.
- Geklebte Befestigungen: Die Untergründe sind mit speziellen Retentionen ausgestattet, die mechanisch oder chemisch sein können.
3.3. Herstellungsverfahren
Befestigungselemente bestehen entweder aus geschnittenem Metall, aus Gussmetall oder aus Spritzguss.
– Die Bearbeitung von Stählen ist schwierig und teuer, insbesondere wenn die Legierung eine hohe Härte aufweist.
– Der Nachteil gegossener oder gespritzter Brackets liegt in ihrer geringeren Belastbarkeit. Die Kehle ist weniger präzise und weniger poliert, was die Reibung zu erhöhen scheint. Die Basisretentionen sind weniger effektiv als bei einem gemeldeten Gitter, was die Festigkeit der Bindung verringert
- CAD/CAM (Computer Aided Design and Manufacturing): Lingualbrackets vom Typ Incognito werden auf Basis eines hochpräzisen Abdrucks und der Digitalisierung der Modelle hergestellt.
Die komplette Gestaltung der Halterungen erfolgt mithilfe einer speziellen Software.
4. Fazit
Biomaterialien werden allgemein und häufig zur Herstellung kieferorthopädischer Geräte verwendet . Sie bilden somit den Hauptteil des mechanisch-therapeutischen Arsenals.
Als Anwender trägt der Kieferorthopäde die Verantwortung für die verwendeten Geräte und Materialien und wird im Falle einer auffälligen Reaktion direkt zur Verantwortung gezogen. Er muss daher mit den Vorschriften für die Verwendung von Medizinprodukten und seinen Pflichten hinsichtlich der Materialüberwachung (Normen, Rückverfolgbarkeit usw.) vertraut sein.
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