[镍钛合金丝的特性及其在口腔颌面部牵引成骨方面的应用] 镍钛合金的特性

　　常世民 姚玉胜 柳春明3 审校 　　 　　镍钛合金具有优越的超弹性，形状记忆功能，抗腐蚀能力，以及良好的生物相容性，最初应用其特性治疗血管狭窄及食道狭窄的扩张再通,在口腔医学领域最初应用于口腔正畸治疗，近年来开始有将其应用于口腔颌面部牵引成骨的报道,现综述如下。
　　
　　1镍钛合金的特性
　　1.1 镍钛合金的相变与性能：镍钛合金是由镍离子和钛离子组成二元合金，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相是菱形，奥氏体是温度较高（大于Af温度: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。 因此临床上确定镍钛合金弓丝的相变温度具有积极的指导意义，以便临床医生能更好地利用镍钛合金的性能进行临床治疗。
　　1.2 镍钛合金的特殊性能
　　1.2.1 形状记忆特性：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，再经加热至Af温度以上，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。
　　1.2.2 超弹性：所谓的超弹性是指试样在外力作用下产生远大于其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，并且不再遵守虎克定律。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，临床上则表现为弓丝在形变过程中产生的矫治力保持恒定，不再随牙齿向矫治方向的移动而逐渐丧失。
　　按照超弹性所对应的应力-应变曲线的特点，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。镍钛合金的超弹性可随着热处理的条件的变化而改变，赵忱光等的研究认为500℃的定型温度是最理想的[1]。
　　1.2.3 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，而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。
　　1.2.4 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。
　　1.2.5 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, 约含50% 的镍, 而已知镍有致癌作用。一般情况下，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。
　　1.2.6 持续柔和的矫治力：镍钛形状记忆合金丝在各种金属丝的拉伸试验、三点弯曲试验条件下的载荷-位移曲线、卸载曲线平台中最低也最平，说明它能提供持久柔和的矫治力。该特性决定了其也适合应用于牵引成骨。
　　
　　2镍钛记忆合金牵引器的特性及优缺点
　　2.1 力的大小与形变的程度有关：镍钛记忆合金牵引器产生的力与螺旋型牵引器不同，其产生的力与其形变的程度与关，会随着形变程度的增加而有所增大。但在该过程中会有一平台期，在该时期，随着形变程度的增大，力的增加不明显。其产生的牵引力的大小不是恒定的，在其恢复形变的过程中会逐渐减小。
　　2.2 力是持续的：镍钛记忆合金牵引器产生的弹力是持续的，相对稳定，持续稳定的牵张力更有利于成骨。传统的螺旋形牵引器每天旋转1～4次螺栓，其产生的牵引力在刚旋转螺栓后较大，该力随时间的延长而逐渐减小，直至下一次旋转螺栓。其产生的牵引力是间段的或波动的。
　　2.3 有作用距离：镍钛记忆合金牵引器多为弯制成M、S、C形的记忆合金丝，利用其载荷后形变产生的回复力进行牵引成骨。其作用距离与其形变后产生的位移密切相关。
　　2.4 力方向的控制：目前镍钛记忆合金牵引器多靠打孔固定于骨内，牵引器固定尚不确切，其产生的牵引力的方向偶尔可发生偏移，有待于进一步改进。传统的螺旋形牵引器利用钛钉固定在骨骼上，其产生的牵引力便于控制。
　　2.5 牵开宽度的控制：镍钛记忆合金牵引器每日牵引长度不易控制，不适合切骨牵引成骨。因为如果将其应用于切骨牵引时会在一个较短的时间段将输送骨块牵引至牵引器所能张开的最大距离，而不是渐进性的牵开骨块。其更适合经骨缝牵张成骨，因为骨缝的牵开是渐进性的。传统的螺旋形牵引器每天牵开的距离与旋转螺栓圈数有关，牵开的速度便于控制。
　　
　　3镍钛记忆合金牵引器的制作
　　3.1 传统工艺制作：主要分为设计图纸、制作精确模具、试铸、测量尺寸并灌铸试件、以及力学测试等几个步骤。
　　3.2 计算机辅助设计：胡敏等利用计算机辅助设计的有限元法设计镍钛记忆合金弹性弓。其用Pro/E软件建立一个具有正弦波形的镍钛记忆合金牵引器的几何模型，导入Marc软件,对其进行几何修复后生成实体单元，并按实际模拟边界条件,按镍钛合金定义初始条件和材料特性，最终得到镍钛记忆合金牵引器有限元模型。他们建立了用于计算机辅助设计的镍钛记忆合金牵引器有限元模型，可以预测一定形状的牵引器在变形过程中(各时段)其本身结构中各节点、单元的受力、位移情况。这一技术将有助于提高镍钛记忆合金器件的设计精度，并缩短其设计周期[2-3]。
　　
　　4镍钛记忆合金牵引器在治疗腭裂中的应用
　　镍钛记忆合金牵引器应用于治疗腭裂造成的腭骨缺损报道较多，其主要通过牵引裂隙两侧的腭骨刺激其向中线移位以封闭腭部的硬组织裂隙，在此过程中软组织也得到延伸。梁立民采用6个月龄杂种犬制备腭裂模型，以腭裂牵引器牵引两侧切骨后的腭骨板修复腭裂，达到预期效果后,继续饲养至12个月龄。牵引治疗期间实验组裂隙逐渐缩小，2～3周裂隙后部关闭。观察期间无复裂、呼吸道狭窄等并发症。实验动物腭骨水平板长度明显延长，而对其面长度、高度、宽度、腭骨水平板宽度和垂直板间距无明显影响。证明应用持续弹力牵引成骨修复腭裂疗效稳定，对颌面部结构无明显影响[4-6]。柳春明等为了解腭骨外侧缝牵张的长期效果和对颌面发育的影响采用头颅测量方法对经过腭骨外侧缝牵张的6只Beagle 犬人工腭裂模型进行了观察和分析。显示所有实验组犬两侧腭骨水平板均在中线形成骨性愈合。两组动物面长度和高度变量无明显差异，显示采用腭骨外侧缝牵张成骨的方法能够使缺损的腭骨板形成永久而完善的骨性修复；对面长度和高度发育无明显影响[7-8]。
　　柳春明等2000年左右将该技术应用于临床，他选择2～4岁的腭裂患儿安置镍钛记忆合金腭裂牵引器，牵引腭骨向中线和向后移动，牵引期持续约4～5个月。裂隙合拢后进行手术修复裂隙。患儿在经不同时间的牵引后裂隙缩小，裂隙两侧的组织显著延长。证实了骨缝牵引具有诱导腭部组织再生、关闭或缩小裂隙和延长硬腭的可能性[9-10]。张树标等将11例腭裂患儿一期在腭部放置4条弧形镍钛形状记忆合金腭裂牵引器，其中前后2条牵引器产生内收力牵引腭骨周围骨缝,将腭骨向中线移动;左右2条记忆合金设计产生外展力牵引腭横缝,将腭骨向前后延长,这种全新设计可产生向前、向后、内收3方向矫治力。牵引后裂隙缩窄、硬腭长度延长。随访3个月,硬腭长度无回缩[11]。
　　
　　5镍钛记忆合金牵引器在治疗牙槽骨骨质缺损中的应用
　　镍钛记忆合金牵引器可用于治疗牙槽骨高度不足和腭裂所伴发的牙槽嵴裂。李岩峰等成功地利用钛镍记忆合金牵张成骨增高下颌牙槽嵴，在水平截开牙槽骨后形成输送骨块，牵张器安置完成后骨块即开始移动,X线片可见牵张完成后1个月牵张区骨密度增高,有新骨生成；3个月时新生骨密度与周围骨接近,有效地增加了牙槽嵴的高度。组织学观察可见牵张区新骨形成良好。他认为内置自加载钛镍记忆合金牵张器自动牵引成骨是一种具有良好应用前景的简便实用的牵引成骨技术[12]。梁立民等将镍钛记忆合金牵引技术应用于修复牙槽裂。她先制作犬牙槽裂模型，并牙槽裂形成术后2 周，于前颌中缝处安置镍钛记忆合金牵张器，牵张2～3 周后裂隙侧的前颌骨向侧方移动贴紧远中裂缘，保持2 周后去除缝牵张器。术后3 个月，原牙槽嵴缺损处骨质连续性完全恢复，且牙槽骨段在三维方向上均与对侧相同。而对照动物形成规则的牙槽裂，无自发骨性愈合[13]。
　　
　　6镍钛记忆合金牵引器在治疗颌骨发育不足和缺损中的应用
　　镍钛记忆合金牵引器可以用于治疗颌骨发育不足和缺损，周宏志等在该领域进行了较为系统的研究。他利用钛镍合金的形状记忆和超弹性特性，实现牵引器完全内置和自动牵引成骨重建节段性下颌骨缺失。其通过手术造成成年杂种犬一侧下颌骨体部1～3cm节段性缺失，应用Biofocal牵引成骨技术安置自行设计制作的内置式钛镍合金牵引器，术后3个月处死实验犬。发现钛镍牵引器能自动完成牵引骨，初步修复下颌骨的节段性缺失。影像学和组织学检查证实再生骨骨化良好[14]。他又利用镍钛记忆合金牵张器初步重建了缺损的下颌支,组织学检查可见牵张区有良好的新骨再生[15]。他认为记忆合金牵引器可输出稳定柔和的超弹性弹力,牵引速度超过传统的每天1mm,骨再生结果稳定,再生骨节段长度与牵引器外形设计和弹力强度相关[16]。
　　综上所述，镍钛记忆合金牵引器是一种近年来出现的新型牵引器，在多个方面有其优越性。由于其出现时间较短，在很多方面还很不成熟，存在各种缺点。如其牵引力的方向控制不佳，牵引力的大小与形变程度有关，固定于骨上的方式不可靠和易于脱落。随着该牵引器的不断完善和发展，其必将更广泛地应用于口腔颌面部牵引成骨领域。
　　
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　　[收稿日期]2008-07-18[修回日期]2008-12-23
　　编辑/张惠娟