矯正用ワイヤー

歯列矯正におけるアーチワイヤーは、歯槽骨または歯列弓に沿うワイヤーであり、歯の位置の不規則性を矯正するための力の源として歯科矯正器具とともに使用される。アーチワイヤーは、既存の歯の位置を維持するためにも使用される。この場合、アーチワイヤーは保持目的を持つ。^[1]

歯列矯正用アーチワイヤーは、いくつかの合金から製造されますが、最も一般的なのはステンレス鋼、ニッケルチタン合金(NiTi)、およびベータチタン合金 (主にチタンとモリブデンで構成) です。

金、プラチナ、イリジウム、銀などの貴金属やそれらの合金は、耐腐食性に優れていることから、歯列矯正の分野では早くから使用されていました。これらの合金が持つその他の特性としては、延性が高く、剛性が熱によって変化し、復元力が高く、はんだ付けが容易であるなどがありました。これらの合金の欠点は、弾性が低く、引張強度が低く、コストが高いことです。プラチナとパラジウムの両方を配合することで、合金の融点が上がり、耐腐食性が高まりました。銅素材は、冷間加工により合金の強度が増しました。貴金属で作られたワイヤーの合金組成は、金(55%～65%)、プラチナ(5～10%)、パラジウム(5～10%)、銅(11～18%)、ニッケル(1～2%) です。これらの組成は、タイプ IV の金鋳造合金の組成と似ています。エドワード・アングルは1887年に歯科矯正で貴金属を置き換えようとしたときに、初めてドイツ銀を導入しました。当時、ジョン・ナッティング・ファラーは、口の中で変色を引き起こす材料を使用しているとしてアングルを非難しました。その後、1888年にドイツ銀の合金組成を変更し始めました。しかし、アングルの組成は再現が非常に困難であったため、銀ベースの合金は歯科矯正では普及しませんでした。アングルはゴム、加硫ゴム、ピアノ線、絹糸などの材料を使用していたことでも知られています。^[2]

1929 年、器具の製造にステンレス鋼が導入されました。これは、歯科矯正における貴金属合金の使用を実際に置き換えた最初の材料でした。貴金属と比較すると、鋼線合金は比較的安価でした。また、成形性に優れており、複雑な歯科矯正器具の製造に簡単にはんだ付けや溶接に使用できます。 ^[3]ステンレス鋼合金は「18-8」オーステナイト型で、クロム(17-25%)、ニッケル(8-25%)、炭素(1-2%) が含まれています。^{[4] [5]このステンレス鋼合金の} クロムは薄い酸化物層を形成し、合金への酸素の拡散をブロックし、この合金の耐腐食性を実現します。アングルは歯科矯正の最後の年にステンレス鋼を使用しました。彼は患者の口の中で結紮用ワイヤーとして使用しました。当時、エミール・ハーブストはステンレス鋼ベースの合金の主な反対者でした。彼によると、彼はステンレス鋼よりもノーブル合金の使用を好んだ。1950 年までに、ヨーロッパの矯正歯科医は患者の不正咬合にアクティベーター装置などの機能的な装置を使用することを信じていたため、米国の矯正歯科医の大多数は300 シリーズのステンレス鋼合金を使用していた。 ^{[引用が必要]}

ステンレス スチール アーチワイヤーは、剛性が高く、弾力性が低く、耐腐食性があり、範囲が狭く、成形性に優れています。これらのワイヤーは他のアーチワイヤーよりも安価であることが多く、歯列矯正治療で「作業用」アーチワイヤーとして簡単に使用できます。抜歯後のスペースの閉鎖は、多くの場合、これらのアーチワイヤーを口内に配置することによるものです。

このタイプのステンレス鋼アーチワイヤーは、0.008 インチの SS ワイヤーを複数巻き付けて作られています。同軸、編組、またはねじりの 3 種類があります。同軸タイプのアーチワイヤーには、0.008 インチのストランドが 6 本巻き付けられています。編組アーチワイヤーには 8 本、ねじりアーチワイヤーには 3 本含まれています。これらのワイヤーは、円形または長方形のステンレス鋼ワイヤーを提供できます。これらのワイヤーの特性は、従来のステンレス鋼アーチワイヤーとは大幅に異なります。剛性が低く、矯正歯科の初期レベル調整および位置合わせの段階で使用できます。ただし、弾性限界が低いため、食べ物などの他の力がかかると簡単に変形する可能性があります。^[6]

アーサー・J・ウィルコックは、レイモンド・ベッグとともに、1940年代にオーストラリアで「オーストラリアン・アーチワイヤー」を開発しました。彼はオーストラリアのビクトリア州出身の冶金学者でした。このアーチワイヤーは、ベッグテクニックとして知られる技法で広く使用されていました。ベッグは、口の中で長時間作用し続ける軽量で柔軟性のあるステンレス鋼ワイヤーを求めていました。このワイヤーは弾力性と靭性が高く、熱処理されていました。最初に製造されたワイヤーの寸法は0.018インチでした。^[7]これらのワイヤーは、永久変形に対する耐性が高いため、深咬合の治療によく使用されます。^[8]ワイヤーは、鉄 (64%)、クロム (17%)、ニッケル (12%) などで構成されています。

1950年代に、コバルトクロム合金が歯列矯正に使用され始めました。ロッキーマウンテン矯正歯科は、1950年代にコバルトクロム合金をエルジロイとして初めて販売し始めました。コバルト（40％）、クロム（20％）、鉄（16％）、ニッケル（15％）で構成されるこの合金を導入したのはエルジンナショナルウォッチカンパニーでした。エルジロイは弾力性と強度が向上しましたが、剛性が弱かったです。これらのタイプのワイヤーは、レマロイ、フォレスタロイ、バイオロイ、マセル、エルジロイとして知られる合金として今でも販売されています。しかし、今日の治療ではワイヤーを複雑に曲げる必要がないため、歯列矯正の分野全体でその使用は減少しています。^[9]

エルジロイには、弾力性のレベルが 4 つあります。ブルー エルジロイ (柔らかい)、イエロー エルジロイ (延性がある)、グリーン エルジロイ (半弾力性がある)、レッド エルジロイ (弾力性がある)。

NiTi合金は、1960年にメリーランド州シルバースプリングスの海軍兵器研究所で働いていたウィリアム F. ビューラーによって開発されました。ニチノールという名前は、ニッケル (Ni)、チタン (Ti)、海軍兵器研究所 (nol) に由来しています。アンドレソンによって導入された最初のニッケルチタン (NiTi) 矯正用合金です。この合金はビューラーの研究に基づいています。導入以来、ニチ合金製のワイヤーは矯正治療の重要な部分となっています。ワイヤーの成分は、ニッケル 55% とチタン 45% です。最初のニッケルチタン矯正用ワイヤー合金は、現在 3M Unitek として知られている Unitek Corporation によって販売されました。これらの合金は、剛性が低く、超弾性、高いスプリングバック、広い弾性範囲を持ち、脆いものでした。初期のニチワイヤーは、ワイヤーの冷間加工により形状記憶効果がありませんでした。したがって、これらのワイヤは受動的であり、マルテンサイト安定化合金と見なされました。

擬弾性 NiTi アーチワイヤーは 1986 年に商業的に発売され、日本製 NiTiおよび中国製 NiTiとして知られていました。日本製 Niti アーチワイヤーは、 1978 年に古河電気工業によって初めて製造されました。矯正歯科での使用が初めて報告されたのは、三浦らです。^{[10]この日本製合金は}Sentalloyとして販売されていました。熱活性化 NiTi 合金は 1990 年代に人気が出て商業的に利用できるようになりました。^{[11]中国製 Niti ワイヤーも 1978 年に}中国北京の研究機関の Hua Cheng Tien 博士によって開発されました。このワイヤーは、Charles Burstone博士によって矯正歯科の文献で初めて報告されました。これらの合金はオーステナイト活性合金であり、ワイヤーが力と接触することでオーステナイト相からマルテンサイト相への転移が起こります。

1994年にOrmco Corporationがこの合金を発表しました。この合金はRohit SachdevaとSuchio Miyasakiの協力を得て開発されました。当初は、超弾性（CuNiTi 27 °C）、熱活性化（CuNiTi 35 °C）、（CuNiTi 40 °C）の3つの温度遷移形式で利用可能でした。この合金は、ニッケル、チタン、銅（5％）、クロム（0.2％-0.5％）で構成されています。^[12]銅を追加すると、この合金の遷移温度がより明確になります。^[13]

ニチワイヤは、形状記憶というユニークな特性を持つことが知られています。ニチワイヤは、オーステナイトとマルテンサイトと呼ばれる 2 つの形態で存在することができます。温度遷移範囲 (TTR)と呼ばれる温度相は、ニチワイヤのこれらの初期相を定義するのに役立ちます。TTR 温度より低い場合、ニチワイヤの結晶はマルテンサイト形態で存在し、TTR より高い場合、結晶はオーステナイト形態で存在します。オーステナイト形態は高温、低応力で発生し、マルテンサイト相は低温、高応力で発生します。オーステナイト形態は体心立方 (BCC) 構造を持ち、マルテンサイトは歪んだ単斜晶、三斜晶、または六方晶構造を持ちます。ワイヤは、TTR を超える温度で製造および加工されます。ワイヤがこの温度以上に温められると、元の形状を記憶し、それに従います。したがって、ワイヤのこの特性は形状記憶合金として知られています。^[14]

段階的熱力学アーチワイヤは、アーチワイヤの異なるセグメント（前頭、小臼歯、大臼歯）で異なるTTRを持ち、それぞれ歯列の前頭、小臼歯、大臼歯領域に対応しています。前頭セグメントは最も高い転移温度を持ち、次に小臼歯セグメントが続きます。最も低い転移温度は大臼歯セグメントで報告されています。^[15]

Niti ワイヤーは、超弾性と呼ばれる別のユニークな特性を持つことが知られています。これは、Niti 形状記憶合金に存在する「ゴムのような」動作です。超弾性 Niti ワイヤーは、他の Niti ワイヤーと比較して優れたスプリングバックを備えています。また、大きなワイヤーたわみに対して一定の力を伝えることもできます。^[16]

純チタンは、アルファ相とベータ相の2つの相で存在できます。アルファ相は低温（885℃未満）を表し、ベータ相は高温（885℃以上）を表します。チャールズ・J・バーストンとゴールドバーグ博士は、モリブデンと純チタンを組み合わせてβチタンを開発しました。^[17]彼らは、ステンレス鋼やコバルト・クロム・ニッケルのワイヤと比較して、これらのワイヤがより低い生体力学的力を生成できるようにこの合金を考案しました。ステンレス鋼ワイヤよりも成形性とスプリングバック性に優れています。そのため、この合金はベータチタン合金として知られるようになりました。チタン（79％）、モリブデン（11％）、ジルコニウム（6％）、スズ（4％）で構成されています。この合金は、商業的にはTMAまたはチタンモリブデン合金という名前で知られています。^[18]この合金にはニッケルが含まれておらず、ニッケルアレルギーのある患者に使用できます。 TMAワイヤーは表面が粗く、矯正歯科で使用されるワイヤーの中で最も摩擦が大きいことが、1989年にKusyらが行った研究で明らかになった。^[19]

このタイプのアーチワイヤーはベータチタンのブランドです。

矯正治療の初期段階で使用されるワイヤーは、剛性が低く、強度が高く、作業範囲が長いことが求められます。この治療段階で使用する理想的なワイヤーは、ニッケルチタンアーチワイヤーです。剛性が低いと、ワイヤーが歯のブラケットスロットに噛み合ったときに発生する力が小さくなります。強度が高いと、ワイヤーがひどく歯が密集している歯に噛み合ったときに永久的な変形を防ぐことができます。^[20]

超弾性 NiTi ワイヤー、単線超弾性ワイヤー、熱弾性 NiTi ワイヤー、同軸超弾性 NiTi ワイヤーを比較した場合の有効性 (およびその他の利点) と潜在的な害をテストする臨床試験の形での証拠は弱く、特定のワイヤーまたはワイヤーのサイズが他のワイヤーまたはワイヤーのサイズよりも優れているという証拠はありません。^[21]異なるワイヤーの選択は、矯正歯科医の臨床判断に依存します。^[21]熱弾性 NiTi ワイヤーと比較した場合、超弾性 NiTi ワイヤーは初日以降にわずかに痛みを伴う可能性があることを示唆する弱い証拠があります。^[21]さらに、多弾性超弾性 NiTi ワイヤーと単線超弾性 NiTi ワイヤーを同軸超弾性 NiTi ワイヤーと比較すると、超弾性 NiTi ワイヤーの整列率が低くなる可能性があります。^[21]

• 応力- 荷重の内部分布
• ひずみ- 荷重によって生じる内部歪み
• 比例限界- 最初の永久変形が観察される点
• 降伏強度- この時点では、矯正用ワイヤーは元の形状に戻らない。
• 極限引張強度- ワイヤーが耐えられる最大荷重
• 故障点 - ワイヤーが破損する点
• 弾性係数- 応力とひずみの比率です。弾性領域の傾斜によって測定されます。材料の硬さまたは剛性を表します。
• 荷重たわみ率 - 与えられた荷重/力に対して、観測されるたわみの量は荷重たわみ率として知られています。
• 剛性- 矯正用ワイヤーの応力/ひずみグラフの傾きは、ワイヤーの剛性に比例します。傾きが大きいほど、剛性が高くなります。これは弾性係数と同じです。ワイヤーの剛性はワイヤーの直径に比例しますが、ワイヤーの長さまたはスパンに反比例します。ステンレス鋼ワイヤーはベータチタン合金よりも剛性が高く、ベータチタン合金はニッケルチタン合金よりも剛性が高くなっています。
• 範囲 - 永久変形が発生するまで曲がる矯正用ワイヤーの範囲です。
• スプリングバック- ワイヤーが永久的に変形することなく大きなたわみを経験する能力です。
• 弾力性（材料科学） - ワイヤのエネルギーを表します。
• 成形性- ワイヤーが破断するまでに許容される永久曲げの量です。
• 延性- 破断することなく大きな永久変形に耐えるワイヤの能力です。
• 生体適合性- 生体適合性ワイヤは腐食に耐性があり、口腔粘膜の組織に対して耐性がある。
• 形状記憶合金- 塑性変形した後も元の形状を記憶するワイヤーの能力。
• 双晶形成- 金属の特性の 1 つで、格子を 2 つの対称部分に分割する動きを指します。特定の構造の変形は双晶形成によって発生します。ニティ合金は、金属全体に単一ではなく複数の双晶形成があることが特徴です。
• ヒステリシス- 歯科矯正におけるヒステリシスはニッケルチタンワイヤーに関連しています。これは、ニッケルチタンワイヤーの開始段階の温度と終了段階の温度の差です。また、ニッケルチタンワイヤーがオーステナイト (高温) 状態からマルテンサイト (低温) 状態に移行するときの温度差としても知られています。
• 焼入れ- 材料を焼鈍した後、急速に冷却すること。材料の強度は失われますが、延性は増します。
• 焼鈍（冶金） - 材料を加熱して強度を増し、延性を失うプロセス