镍钛合金[一种形状记忆合金]

（一）镍钛合金的相变与性能

顾名思义，镍钛合金是由镍和钛组成二元合金，由于受到温度和机械压力的改变而存在两种不同的晶体结构相，即奥氏体相和马氏体相。镍钛合金冷却时的相变顺序为母相（奥氏体相）-R相-马氏体相。 R相是菱方形，奥氏体是温度较高（大于同样地：即奥氏体开始的温度）的时候，或者去处载荷（外力去除Deactivation）时的状态，立方体，坚硬。形状比较稳定。而马氏体相是温度相对较低（小于Mf:即马氏体结束的温度）或者加载（受到外力活化）时的状态，六边形，具有延展性，反复性，不太稳定，较易变形。

（二）镍钛合金的特殊性能

1、形状记忆特性（shape memory）形状记忆是当一定形状的母相由Af温度以上冷却到Mf温度以下形成马氏体后，将马氏体在Mf以下温度形变，经加热至Af温度以下，伴随逆相变，材料会自动恢复其在母相时的形状。实际上形状记忆效应是镍钛合金的一个由热诱发的相变过程。

2、超弹性 (superelasticity) 所谓的超弹性是指试样在外力作用下产生远大于起弹性极限应变量的应变，在卸载时应变可自动恢复的现象。即在母相状态下，由于外加应力的作用，导致应力诱发马氏体相变发生，从而合金表现出不同于普通材料的力学行为，它的弹性极限远远大于普通材料，并且不再遵守胡克定律。和形状记忆特性相比，超弹性没有热参与。总而言之，超弹性是指在一定形变范围内应力不随应变的增大而增大，可将超弹性分为线性超弹性和非线性超弹性两类。前者的应力-应变曲线中应力与应变接近线性关系。非线性超弹性是指在Af以上一定温度区间内加载和卸载过程中分别发生应力诱发马氏体相变及其逆相变的结果，因此非线性超弹性也称相变伪弹性。镍钛合金的相变伪弹性可达8%左右。镍钛合金的超弹性可随着热处理的条件的变化而改变，当弓丝被加热到400ºC以上时，超弹性开始下降。

3、口腔内温度变化敏感性：不锈钢丝和CoCr合金牙齿矫形丝的矫治力基本不受口腔内温度的影响。超弹性镍钛合金牙齿矫形丝的矫治力随口腔温度的变化而变化。当变形量一定时。温度升高，矫治力增加。一方面，它可以加速牙齿的运动，这是因为口腔内的温度变化会刺激由于矫治器件造成造成毛细滞息的血流停滞部位的血液流动，从而使得在牙齿移动过程中修复细胞得到充分营养，维持其生机和正常功能。另一方面，正畸医生无法精确控制或测量口腔环境下的矫治力。

4、抗腐蚀性能：有研究表明镍钛丝的抗腐蚀性能与不锈钢丝相仿

5、抗毒性：镍钛形状记忆合金特殊的化学组成，即这是一种镍钛等原子合金，含约50%的镍，而已知镍有致癌和促癌作用。一般情况情况下，表面层钛氧化充当了一种屏障，使Ni-Ti合金具有良好的生物相容性。表面层的TiXOy和TixNiOy能抑制Ni的释放。

6、柔和的矫治力：目前商业上应用的牙齿矫形金属丝包括奥氏体不锈钢丝、钴-铬-镍合金丝、镍铬合金丝、澳大利亚合金丝、金合金丝和ß钛合金丝。关于这些正畸矫正金属丝在拉伸试验和三点弯曲试验条件的载荷-位移曲线。镍钛合金的卸载曲线平台最低也最平，说明它最能提供持久柔和的矫治力。

7、良好的减震特性：由于咀嚼及夜磨牙对于弓丝造成的震动越大，对牙根及牙周组织的损害越大。通过不同弓丝衰减实验的结果研究发现，不锈钢丝震动的振幅比超弹性镍钛丝大，超弹性镍钛弓丝初始震动振幅仅为不锈钢丝的一半，弓丝良好的震动和减震特性对于牙齿的健康很重要，而传统弓丝如不锈钢丝，有加重牙根吸收的倾向。

（三）镍钛合金丝的分类EvansandDurning分类法

1）1940年，黄金弓丝、钴铬合金丝和不锈钢圆丝

2）1960年，马氏体稳定化合金：多为镍钛合金在马氏体状态下变形后制得。该种弓丝刚度低，可产生较轻的矫治力。不存在由应力或者温度引起的马氏体相变，因此不呈现记忆效应和超弹性。

3）1980年，中国镍钛合金和日本镍钛合金弓丝，为奥氏体激活合金：即在任何状态下都呈现奥氏体状态，置于口内和口外都不具有由温度引起的马氏体状态，马氏体状态只能由应力引起，具有超弹性，但是不具备形状记忆功能。该种弓丝有极佳的回弹性及较低的刚度，能产生较弱的矫治力，。作大的特点是从最初的启动到最后阶段，其产生的力持续恒定，在治疗早期牙齿不整齐时，效果较好。缺点是常温下无法弯制成型，不易焊接。若将该公司作为主弓丝，常可引起不希望的扩弓或者缩弓，且难以建立良好的前磨牙、磨牙排列。

4）1990年，马氏体激活镍钛合金：即TTR低于口腔温度或者与口腔温度非常相近，在室温时以一种多元状态存在，易于变形，置于口腔内时，由应力引起的和室温引起的马氏体同时向奥氏体转变，即存在形状记忆功能和超弹性。在常温（25℃左右）及以下温度易于变形，而当达到一定温度（32℃左右）以上，又会恢复到原来预成形状，表现出形状记忆加超弹性特性。北京圣玛特科技有限公司的Smart牌和3M公司的NitinolHA牌都是典型的代表产品。热激活镍钛弓丝正因为这种特性，将其维持在常温及以下温度状态可以轻松操作成型，并安放到托槽中就位，而当在口腔中受体温热量而激活后，可产生出形状恢复力，又为矫形提供所需的力量。因热激活型镍钛矫形丝所具有的“遇冷变软，受热激活而变得弹性大”的特点，患者可以在医生的指导下，利用口含冷、热水的方式改变矫治力，更加方便了矫治者的矫正，减少了初期矫治的不适感。

5）Gradedthermodynamic:增加的热力学镍钛合金：将TTR温度高于口腔温度，大概是40℃左右，这样，当镍钛弓丝置于口腔内时，仍然为多元状态，弓丝较为柔软，在口含热水时，才有奥氏体相变。因此，矫治力更加弱，可以作为成人患者和牙周病患者的初始弓丝。Omcro公司生产的含铜镍钛丝以及日本低滞后L-H镍钛弓丝便具有此种性能。

（四）镍钛合金丝的临床应用：

1、用于患者牙列的早期排齐整平由于镍钛合金弓丝的超弹性和形状记忆性能以及较低的应力-应变曲线，目前临床上常规将镍钛合金弓丝作为最初期纳入矫治体系的弓丝，这样，患者的不适感会大大减低。由于目前存在几种不同直丝弓矫治技术，MBT技术推荐使用0.016英寸热激活镍钛合金弓丝（HANT丝），DEMON自锁托槽技术推荐使用由Omcro公司生产的含铜的热激活镍钛合金弓丝（相变温度大概在40度左右），O-PAK矫治技术推荐使用0.016英寸超弹性镍钛合金弓丝用于早期排齐整平。

2、镍钛弹簧：镍钛推簧与拉簧是一种用于牙齿正畸的弹簧，具有镍钛超弹性的特别，适合于正畸矫治开拓牙齿间的间隙和向不同方向牵拉牙齿。镍钛螺旋弹簧伸长1mm可产生大约50g的力。镍钛螺旋弹簧具有很高的弹性性能，在拉伸状态下可产生较为柔和、稳定的持续力。力的衰减很小，能产生符合临床移动牙齿所需的较理想的正畸力。符合生理要求。镍钛丝拉簧的高弹性、永久变形率极低，与相同直径的不锈钢丝相比，其释放的矫治力相差3.5-4倍。故在正畸矫治应用中，患者不仅疼痛轻，感觉力量柔和持久，且复诊时间减少，缩短了疗程，提高了疗效，是正畸治疗中的一种新的优良的力学装置。

3、L-H弓丝是日本的Dr.Soma等研究开发的，由Tomy公司生产。“LH”是名自“LowHysteresis”,也就是说，当此弓丝被结扎到托槽上时，即弓丝被激活时产生的应力和移动牙齿时即弓丝慢慢恢复原状时产生的应力的差距很小。即滞后很小。SOMA等比较了LH弓丝和其他镍钛合金丝的应力应变曲线，L-H弓丝的滞后范围最小，这一特性使弓丝有低载荷和持续轻力的优势，同时该曲线初始斜度低，说明该弓丝刚度低，其余类型的镍钛合金弓丝的滞后曲线表明其刚性较大，显然L-H弓丝有明显的机械学优势。由于LH丝镍钛成分中钛的含量比例较一般镍钛弓丝高，因此将其称之为钛镍丝，并有实验证明其吸震效果较强。LH镍钛丝的另一个特点是可以弯制，并可以用热处理仪器加热定型，因此LH镍钛丝也可以从排齐整平、打开咬合到关闭间隙，以及最后的完成阶段，上下各一条弓丝即可以完成治疗，只要每一个阶段将弓丝取出弯好所需的形状，再用热处理仪器将之定形，加强硬度即可。目前在临床上使用L-H弓丝进行扩弓治疗，矫治开颌、偏颌以及反颌，因其力量的持续稳定和柔和，效果较好。同时常常配合使用J钩来改善弓丝较软的不足。虽然MEAW技术对于矫治以上错颌也有理想的效果，但繁复的弓丝弯制常使许多医师望而却步。因此有些医师改采用与力学系统类似的摇椅型镍钛弓丝加上前牙垂直牵引，虽然这样也有类似的效果，但总觉得与MEAW比较时，各个独立的牙移动的方面不如MEAW技术，原因在于摇椅型镍钛丝是一条连续的弓丝，并且亦没有办法弯折。因此，托槽粘接的角度与弓丝的摇椅曲度决定了每一颗牙齿的角度，不像MEAW技术中每一个牙齿的角度较有个别调整的空间。使用LH镍钛弯上摇椅，再用弓丝成形器在口内弯折后倾弯或者前倾弯，效果相当理想。