PRACE ORYGINALNE Dent. Med. Probl. 2006, 43, 1, 79–83 ISSN 1644−387X

© Copyright by Silesian Piasts University of Medicine in Wrocław and Polish Stomatological Association

MARCIN MIKULEWICZ1, JANUSZ SZYMKOWSKI2, WOJCIECH STÓS3

Analiza mikrotwardości wybranych drutów ortodontycznych Microhardness Analysis of Chosen Orthodontic Archwires 1 2 3

Samodzielna Pracownia Wad Rozwojowych Twarzy Katedry Ortopedii Szczękowej i Ortodoncji AM we Wrocławiu Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej Katedra i Zakład Ortodoncji CM Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie

Streszczenie Wprowadzenie. Twardość materiału określa jego odporność na trwałe odkształcenie i ściśle koreluje z wytrzyma− łością materiału. Duża twardość oznacza, że materiał jest odporny na powstawanie rys i zużycie. Cel pracy. Ocena mikrotwardości (metodą Vickersa) wybranych stopów stosowanych w ortodoncji. Materiał i metody. Materiał stanowiły wybrane druty ortodontyczne; stopy niklowo−tytanowe (w tej grupie stop β−tytanowy) oraz stopy stali nierdzewnej. Druty wykonane ze stopów niklowo−tytanowych – Neo Sentalloy – GAC, Nitanium – Ortho−Organizers, Ni–Ti – Ormco, Remetitan – Dentaurum, Nitinol Classic – 3M Unitek (wy− miar 0,016 × 0,022 cala) oraz stop β−tytanowy TMA – Ormco (wymiar 0,017 × 0,025 cala). Druty wykonane ze stali nierdzewnej; GAC, Ortho−Organizers, Ormco, Dentaurum, 3M Unitek (wymiar 0,019 × 0,025 cala). Do oce− ny mikrotwardości drutów użyto aparatu LECO M400−A. Wyniki. Zmierzono mikrotwardość badanych stopów (w skali Vickersa). Druty niklowo−tytanowe: (odpowiednio 316,33 HV0,2, 403,22 HV0,2, 419,78 HV0,2, 400,22 HV0,2, 444,22 HV0,2), druty stali nierdzewnej: (odpowiednio 578,56 HV0,2, 555,67 HV0,2, 609,78 HV0,2, 579,33 HV0,2, 555,33 HV0,2), stop β−tytanowy: 340,22 HV0,2. Wnioski. Stopy niklowo−tytanowe mają mniejszą mikrotwardość niż stopy wykonane ze stali nierdzewnej (Dent. Med. Probl. 2006, 43, 1, 79–83). Słowa kluczowe: mikrotwardość, druty ortodontyczne, stopy niklowo−tytanowe, stopy stali nierdzewnej.

Abstract Background. The hardness of material is defined as its resistance to permanent indentation and there is strong cor− relation between hardness and strength. Good hardness means that material is resistant to scratching and wear. Objectives. Microhardness (Vickers method) evaluation of chosen orthodontic archwires. Material and Methods. Research material were chosen orthodontic archwires: nickel – titan alloys (including β− titan alloy) and stainless steel alloys. Nickel – titan alloys: Neo Sentalloy – GAC, Nitanium – Ortho−Organizers, Ni–Ti – Ormco, Remetitan – Dentaurum, Nitinol Classic – 3M Unitek (diameter 0.016 × 0.022) and β−titan alloy – TMA – Ormco (diameter 0.017 × 0.025). Stainless steel alloys: GAC, Ortho−Organizers, Ormco, Dentaurum, 3M Unitek (diameter 0.019 × 0.025). For microhardness evaluation LECO M400−A apparatus was used. Results. Microhardness values of chosen orthodontic alloys were obtained. Nickel – titan alloys: (respectively 316,33 HV0,2, 403,22 HV0,2, 419,78 HV0,2, 400,22 HV0,2, 444,22 HV0,2), stainless steel alloys (respectively 578,56 HV0,2, 555,67 HV0,2, 609,78 HV0,2, 579,33 HV0,2, 555,33 HV0,2), β−titan alloy: 340,22 HV0,2. Conclusions. Nickel−titan alloys presented lower microhardness values than stainless steel alloys (Dent. Med. Probl. 2006, 43, 1, 79–83). Key words: microhardness, orthodontic archwires, nickel – titan alloys, stainless steel alloys.

Lekarz podczas terapii ortodontycznej może stosować druty wykonane z jednego z czterech do− stępnych obecnie na rynku stopów: stali nierdzew− nej, kobaltowo−chromowych, niklowo−tytano−

wych oraz β−tytanowych [1]. Każdy z wymienio− nych stopów ma odmienne właściwości i charak− terystykę. Z cech charakteryzujących dany stop należy m.in. wymienić: sprężystość, wytrzyma−

80

M. MIKULEWICZ, J. SZYMKOWSKI, W. STÓS

łość, twardość, spawalność, biostabilność, odpor− ność na zużycie, współczynnik tarcia [2]. Twar− dość materiału określa jego odporność na trwałe odkształcenie i ściśle koreluje z wytrzymałością materiału. Określenie – duża twardość materiału – zwykle oznacza, że materiał jest odporny na pow− stawanie rys oraz zużycie. Istnieje wiele metod oceny twardości: Knoopa, Vickersa, Brinella i in− ne. Metoda Vickersa (wprowadzona we wczes− nych latach 1920) polega na określeniu mikro− twardości za pomocą ostrosłupa diamentowego o kącie 136°, pod obciążeniem do 1 kG [3, 4]. Wartość mikrotwardości (HV) określa stosunek obciążenia do powierzchni rzutu otrzymanego od− cisku wegług wzoru [5]: HV = 0,1891, gdzie: F – obciążenie w [G]. d=

d1 + d 2 – średnia wartość przekątnej, µm, 2 gdzie: d1, d2 – wartość przekątnych, µm.

Dla stopów stosowanych w leczeniu ortodon− tycznym odporność na zarysowania i zużycie oraz odpowiednia wytrzymałość są cechami pożąda− nymi. Celem pracy była ocena mikrotwardości wy− branych stopów stosowanych w leczeniu ortodon− tycznym.

Materiał i metody Materiał stanowiły wybrane druty ortodon− tyczne, tj. stopy niklowo−tytanowe (w tej grupie

stop β−tytanowy) oraz stopy stali nierdzewnej. Druty wykonane ze stopów niklowo−tytanowych to Neo Sentalloy® (GAC), Nitanium® (Ortho− Organizers), Ni−Ti® (Ormco), Remetitan® (Den− taurum), Nitinol Classic® (3M Unitek), (wymiar 0,016 × 0,022 cala) oraz stop β−tytanowy TMA® (Ormco), (wymiar 0,017 × 0,025 cala). Druty wy− konane ze stali nierdzewnej firm GAC, Ortho− −Organizers, Ormco, Dentaurum, 3M Unitek (wy− miar 0,019 × 0,025 cala). Przygotowanie próbek: odcinki długości 0,5 mm zatopiono w żywicy epo− ksydowej z dodatkiem utwardzacza (Epidian 5, utwardzacz Z1, zmieszane w stosunku 10 : 1) (ryc. 1). Próbki poddano następnie szlifowaniu na mokro za pomocą papieru ściernego o malejącej ziarnistości od 180 do 2200. Podczas szlifowania zapewniono stały dopływ wody do miejsca obrób− ki. Krzyżową fakturę powierzchni zgładów uzys− kano, stosując dwa, wzajemnie prostopadłe, kie− runki obróbki. W końcowej fazie przygotowania zgładów próbki polerowano na tarczy filcowej zwilżanej zawiesiną tlenku aluminium Al2O3 o granulacji 0,3 µm i wody. Ostatecznie po− wierzchnie zgładów przemywano pod bieżącą wo− dą i suszono w strumieniu sprężonego powietrza. Do oceny mikrotwardości drutów użyto aparatu LECO M400−A (ryc. 2.). Na pomiar mikrotwardo− ści składały się: wybór miejsca pomiaru, wykona− nie odcisku piramidką diamentową o rozwartości 136° pod wpływem wybranego obciążenia (F = = 200 G) oraz czasu pomiaru 15 s (ryc. 3, 4), po− miar długości przekątnych odcisku w dwóch wza− jemnie prostopadłych kierunkach w µm, odczyta− nie wartości mikrotwardości HV0,2 na urządzeniu rejestrującym.

żywica (resin)

drut (wire)

Ryc. 1. Fotografia zgładów drutów ortodon− tycznych zatopionych w żywicy epoksydowej (powierzchnia drutu, żywica – strzałki) Fig. 1. Photo of archwires surfaces sealed in epoxy resin (wire surface, resin – arrows)

81

Analiza mikrotwardości wybranych drutów ortodontycznych

Ryc. 2. Aparat LECO M400−A Fig. 2. LECO M400−A appara− tus

urządzenie pomiarowe (measurement device)

monitor (monitor) panel kontrolny (control panel)

F

136o

wgłębnik diamentowy (diamond indenter)

powierzchnia drutu (wire surface)

materiał badany (tested material)

Ryc. 3. Schemat pomiaru mikrotwardości metodą Vic− kersa Fig. 3. Schema of microhardness measurement (Vic− kers test)

Ryc. 4. Powiększenie odcisku piramidki diamentowej – fotografia wykonana w SEM (elektrony wtórne) Fig. 4. Trace magnification of diamond pyramid – shaped indenter made of diamond – SEM photography (secondary electrons)

Każdorazowo dla poszczególnych próbek ma− teriałów wykonano po 9 (punkty a–i w trzech po− powierzch− ziomach A–C) pomiarów mikrotwardości, na ich podstawie obliczano średnią arytmetyczną, co nia drutu (wire przedstawiono na rycinie 5. Wyniki poddano ana− surface) lizie statystycznej za pomocą testów: Manna− −Whitneya i testu ANOVA z wykorzystaniem testu Scheffégo w badaniu retrospektywnym. Przyjęto punkty pomiaru poziom istotności p > 0,05. (measurement points)

Wyniki Ryc. 5. Punkty pomiarowe na powierzchni stopu – fo− tografia wykonana w SEM (elektrony wtórne), punkty pomiarowe (strzałki) Fig. 5. Measurement points on alloy surface – SEM photography (secondary electrons) – measurement po− ints (arrows)

Wyniki pomiarów zestawiono w tabeli 1. War− tość mikrotwardości dla stopów niklowo−tytano− wych wynosiła się od 316,33 HV0,2 dla Neo−Sen− talloy do 444,22 dla Nitinol. Stopy wykonane ze stali nierdzewnej charakteryzowały wartości więk−

82

M. MIKULEWICZ, J. SZYMKOWSKI, W. STÓS

Tabela 1. Zestawienie otrzymanych wartości mikrotwardości (metodą Vickersa) wybranych drutów ortodontycznych Table 1. Composition of obtain values of microhardness (Vickers method) of chosen orthodontic archwires Próbka (Probe)

Poziom A (Level A)

Poziom B (Level B)

Poziom C (Level C)

pomiar średnia pomiar (measurement) arytme− (measurement) HV0,2 tyczna HV0,2 (arithme− tic mean) HV0,2 a

b

c

d

e

Średnia arytmetyczna z A, B, C średnia pomiar średnia (arithmetic arytme− (measurement) arytme− mean from tyczna HV0,2 tyczna (arithme− (arithme− A, B, C) tic mean) tic mean) HV0,2 HV0,2

f

g

h

i

Neo−Sentalloy (GAC) 313 323 310 315,33

304 309 316 309,66

332 325 315 324

316,33

Ni−Ti (Ormco)

425 377 397 399,67

387 382 428 399

422 405 406 411

403,22

Nitanium (Ortho− −Organizers)

399 426 420 415

408 413 422 414,33

435 433 422 430

419,78

Remetitan (Dentaurum)

397 413 377 395,67

420 390 432 414

386 391 396 391

400,22

Nitinol (3M Unitek) 463 426 429 439,33

413 524 404 447

446 455 438 446,33

444,22

TMA (Ormco)

344 337 340 340,33

346 348 330 341,33

337 360 320 339

340,22

SS (GAC)

572 586 579 579

593 638 532 587,67

593 572 542 569

578,56

SS (Ortho− −Organizers)

557 540 546 547,67

544 586 575 568,33

566 551 536 551

555,67

SS (Ormco)

646 605 593 614,67

615 613 610 612,67

591 615 600 602

609,78

SS (Dentaurum)

577 591 465 544,33

589 641 557 595,67

593 633 568 598

579,33

SS (3M Unitek)

546 584 568 566

561 593 544 566

538 542 540 540

555,33

SS – stopy stali nierdzewnej (stainless steel alloys). Neo−Sentalloy, Ni−Ti, Nitanium, Remetitan, Nitinol – stopy niklowo−tytanowe (nickel – titan alloys). TMA – stop β−tytanowy (β−titan alloy). Tabela 2. Zestawienie różnic w mikrotwardości badanych drutów ortodontycznych (test Manna−Whitneya, ANOVA) Table 2. Composition of differences in the microhardness of examined orthodontic archwives (Mann−Whitney test, ANOVA) Neo Sen− talloy Neo 0,005 Sentalloy NiTi

NiTi

Nita− nium

Reme− titan

TMA

SS GAC

SS – Or− SS tho−Or− Ormco ganizers

SS Den− SS 3M taurum Unitek

0,005

0,005

NS

0,005

0,005

0,005

0,005

0,005

0,005

ns.

ns.

0,005

0,005

0,005

0,005

0,005

0,005

ns.

ns.

0,005

0,005

0,005

0,005

0,005

0,005

ns.

0,005

0,005

0,005

0,005

0,005

0,005

ns.

0,005

0,005

0,005

0,005

0,005

0,005

ns.

ns.

ns.

ns.

0,005

0,005

ns.

ns.

0,005

ns.

0,005

0,005

ns.

0,005

0,005

Nitanium 0,005

ns.

Reme− titan

0,005

ns.

ns.

TMA

ns.

0,005

0,005

0,005

SS GAC 0,005

0,005

0,005

0,005

0,005

SS Or− 0,005 tho−Or− ganizers

0,005

0,005

0,005

0,005

ns.

SS Ormco

0,005

0,005

0,005

0,005

0,005

ns.

0,005

SS Den− 0,005 taurum

0,005

0,005

0,005

0,005

ns.

ns.

ns.

SS 3M Unitek

0,005

0,005

0,005

0,005

0,005

ns.

ns.

0,005

ns.

Nitinol

0,005

ns.

ns.

ns.

0,005

0,005

0,005

0,005

0,005

ns. – brak różnic statystycznie istotnych, p > 0,05. ns. – no significant difference, p > 0.05.

Nitinol

0,005 0,005

Analiza mikrotwardości wybranych drutów ortodontycznych

sze – od 555,33 dla SS 3M Unitek do 609,78 dla SS Ormco. Wartość mikrotwardości dla stopu β− −tytanowego wyniosła 340,22. Wyniki analizy róż− nic statystycznych w mikrotwardości badanych drutów ortodontycznych zestawiono w tabeli 2.

Omówienie W piśmiennictwie znajduje się niewiele donie− sień zajmujących się zagadnieniem mikrotwardoś− ci stopów stosowanych w ortodoncji. Hunt et al. [6] wykazali, że mikrotwardość drutu ortodon− tycznego dla stopu stali nierdzewnej wyniosła – 601,8 HV1, stopu niklowo−tytanowego – 438,6 HV1, dla stopu kobaltowo−chromowego – 435,0 HV1, dla β−tytanu – 355,9 HV1. W badaniach włas− nych otrzymane wyniki są zbliżone do otrzyma− nych przez Hunta et al. Największa wartość mi− krotwardości dla stopu niklowo−tytanowego wy− niosła 444,22 (Nitinol, 3M Unitek), a dla stali nierdzewnej 609,78 (Ormco). Z przeprowadzonej

83 analizy statystycznej wynika, że w grupie stopów wykonanych ze stali nierdzewnej i stopów niklo− wo−tytanowych występują różnice istotne staty− stycznie w mikrotwardości między niektórymi sto− pami (tab. 2). Inni autorzy podkreślili, że duża twardość sto− pu zapewnia odporność na mechaniczne uszko− dzenia, jakie mogą wystąpić podczas niektórych procedur w leczeniu ortodontycznym [7]. Podczas określania wartości mikrotwardości należy pamię− tać o najważniejszych czynnikach wpływających na wyniki: wartości obciążenia (1–1000 G), gład− kości powierzchni próbek, prędkości wnikania wgłębnika, czasu obciążenia, grubości mierzonej powłoki, drgań. Większa wartość twardości stopów wykona− nych ze stali nierdzewnej powoduje, że są bardziej odporne na zużycie i powstawanie rys podczas pracy, co pozwala na zastosowanie wyżej wymie− nionych stopów np. do zamykania luk poekstrak− cyjnych, dystalizacji zębów.

Piśmiennictwo [1] KUSY R. P.: Orthodontic biomaterials from the past to the present. Angle Orthod. 2002, 72, 501–512. [2] KUSY R. P.: A review of contemporary archwires: their properties and characteristics. Angle Orthod. 1997, 67, 197–208. [3] GROOVER P. M.: Fundamental of modern manufacturing. John Wiley & Sons Inc. New York, USA, 52–53, 2002. [4] FELLERS O. W.: Manufacturing processes for technology. Prentice – Hall. Inc New Jersey, USA, 30–31, 2001. [5] Polska Norma Pn−ISO – 6507–3. [6] HUNT N. P., CUNNINGHAM S. J., GOLDEN C. G., SHERIFF M.: An investigation into the effects of polishing on sur− face hardness and corrosion of orthodontic archwires. Angle Orthod. 1999, 69, 433–440. [7] KUSY R. P.: Ongoing innovations in biomechanics and material for new millennium. Angle Orthod. 2000, 70, 366–376.

Adres do korespondencji: Marcin Mikulewicz Katedra i Zakład Ortopedii Szczękowej i Ortodoncji AM ul. Krakowska 26 54−425 Wrocław tel.: +48 71 7840299 e−mail: [email protected] Praca wpłynęła do Redakcji: 9.08.2005 r. Po recenzji: 27.02.2006 r. Zaakceptowano do druku: 15.03.2006 r. Received: 9.08.2005 Revised: 27.02.2006 Accepted: 15.03.2006