Werkstoffwissenschaftlicher und biomechanischer Vergleich aktueller pseudoelastischer Nickel-Titan-Drähte

D. Kayser, C. Bourauel, B. Braumann, A. Jäger, Bonn
Werkstoffwissenschaftlicher und biomechanischer Vergleich aktueller pseudoelastischer Nickel-Titan-Drähte

Fragestellung

Die Entwicklung orthodontischer Nickel-Titan-Drähte zeichnet sich dadurch aus, dass fortwährend neue Produkte mit geänderten Materialeigenschaften auf den Markt gebracht werden. Dadurch hat der Anwender kaum Möglichkeiten zur Einschätzung der applizierten Kraftsysteme. Ziel war es daher, einen standardisierten Test zu implementieren, der eine direkte Vergleichsmöglichkeit der Drähte bietet.

Pseudoelastizität	Die herausragende Eigenschaft von NiTi-Drähten ist die Pseudoelastizität: Nichtlineares Materialverhalten mit einer Hysterese im Spannungs / Dehnungs-Diagramm. Für die Kieferorthopädie sind die Eigenschaften des Entlastungsplateaus wichtig: Ein niedriges, breites Plateau lässt kleine Kräfte und Drehmomente erwarten.

Material

25 pseudoelastische Nickel-Titan-Drähte von 12 Anbietern (0,40mm × 0,56mm, 016 × 022), je zwei Packungen verschiedener Chargen mit jeweils 10 Drähten. Untersuchte Produkte:

A Company	Align (AA), Align TS (AATS), Align XF (AAXF)
Advanced Orthodontics	Memory NiTi-Wire (AOME)
Dentaurum	Tensic (DETE), Rematitan Lite (DRET)
Forestadent	Titanol Low Force (FOLF), Titanol Martensitic (FOTMA)
GAC	Bio Force (GACBFS), Neo Sentalloy (GACNS)
ODS	Euro NiTi Flexmedics (ODEF), Euro NiTi Ulitimate (ODEU)
Ormco	CuNi-Ti Superelastic 27º C (OC 27), CuNi-Ti Thermo-Active 35º C (OC 35)
RMO	Orthonol Nickel-Titanium (RMOO), Thermaloy NiTi (RMOT)
Smile dental	Nickel-Titanium (SDNT), Nickel-Titanium, superelastisch "martensitic" (SDSM), Thermalloy (SDT)
TP Orthodontics	Reflex Heat-Activated Wire (TPHA), Reflex Wire Nickel-Titanium (TPRW)
3M Unitek	Nitinol Classic (3MNC), Heat-Activated (3MNHA), Nitinol Super Elastic (3MNS), Titanium Super Elastic Archwire (3MNTS)

Methoden

Funktionsprinzip
Biegemessplatz FLEX

Biegeprüfung an
NiTi-Drähten

Durchgeführte Messungen bei 37ºC: Biegemoment / Biegewinkel-Kurven in reiner Biegung mit dem Messplatz FLEX, standardisierter Dreipunktbiegeversuch mit 10 mm Abstand der Stützpunkte sowie biomechanische Simulation mit dem Orthodontischen Mess- und Simulations-System OMSS. Zur Charakterisierung wurden aus den Kurven das mittleres Moment und die mittlere Kraft bestimmt.

Dreipunkt-
Biegeversuch

Simulierte
Extrusion

Werkstoffwissenschaftliche Untersuchungen

Dreipunktbiegeversuch

mittleres Drehmoment der getesteten Drähte

Die ausgewählten Biegemoment / Biegewinkel- sowie Kraft / Auslenkungs-Kurven der NiTi-Drähte zeigten charakteristische Unterschiede zwischen den Drähten aber auffallende Parallelen zwischen den Testverfahren.

Kraft / Auslenkungs-Diagramm der getesteten Drähte

Nur einzelne Produkte hatten kleine oder sehr kleine Drehmomente und liessen damit Kräfte in der Anwendung unter 1 N erwarten.
Von den pseudoelastischen (einfache Wertung) und den ausgeprägt pseudoelastischen Drähten (zweifache Wertung) zeigten nur drei Kräfte unter 1 N und weitere sieben Kräfte knapp über 1 N (ganz rechts).
Die ausgeprägten Plateaus wurden teilweise nur sehr eingeschränkt ausgenutzt.

Vergleich Dreipunkt, biomechanische Simulation
Die Kraft / Ausklenkungs-Kurven aus den biomechanischen Simulationsmessungen zweier typischer Drähte zeigten deutliche Übereinstimmungen mit den Kurven aus dem Dreipunktbiegeversuch. Dieser eignet sich somit gut zur Charakterisierung von NiTi-Drähten.

Schlussfolgerung

Auch weiterhin weisen Nickel-Titan-Drähte verschiedener Hersteller extreme Unterschiede auf, die Chargenkonstanz war dagegen sehr zufriedenstellend.
Der Anwender hat keinerlei Kontrolle über die Größe der Kraftsysteme, solange von den Herstellern keine verlässlichen Produktinformationen zur Verfügung gestellt werden. Hier bietet der standardisierte 3-Punkt-Biegeversuch eine gute Basis.

D. Kayser, C. Bourauel, B. Braumann, A. Jäger, Bonn