Microhardness Analysis of Chosen Orthodontic Archwires. Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej 3

Transkrypt

1 PRACE ORYGINALNE Dent. Med. Probl. 2006, 43, 1, ISSN X Copyright by Silesian Piasts University of Medicine in Wrocław and Polish Stomatological Association MARCIN MIKULEWICZ 1, JANUSZ SZYMKOWSKI 2, WOJCIECH STÓS 3 Analiza mikrotwardości wybranych drutów ortodontycznych Microhardness Analysis of Chosen Orthodontic Archwires 1 Samodzielna Pracownia Wad Rozwojowych Twarzy Katedry Ortopedii Szczękowej i Ortodoncji AM we Wrocławiu 2 Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Politechniki Wrocławskiej 3 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 HV 0,2, 403,22 HV 0,2, 419,78 HV 0,2, 400,22 HV 0,2, 444,22 HV 0,2 ), druty stali nierdzewnej: (odpowiednio 578,56 HV 0,2, 555,67 HV 0,2, 609,78 HV 0,2, 579,33 HV 0,2, 555,33 HV 0,2 ), stop β tytanowy: 340,22 HV 0,2. 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 ) and β titan alloy TMA Ormco (diameter ). Stainless steel alloys: GAC, Ortho Organizers, Ormco, Dentaurum, 3M Unitek (diameter ). For microhardness evaluation LECO M400 A apparatus was used. Results. Microhardness values of chosen orthodontic alloys were obtained. Nickel titan alloys: (respectively 316,33 HV 0,2, 403,22 HV 0,2, 419,78 HV 0,2, 400,22 HV 0,2, 444,22 HV 0,2 ), stainless steel alloys (respectively 578,56 HV 0,2, 555,67 HV 0,2, 609,78 HV 0,2, 579,33 HV 0,2, 555,33 HV 0,2 ), β titan alloy: 340,22 HV 0,2. 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

2 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= d 1 + d 2 średnia wartość przekątnej, µm, 2 gdzie: d 1, d 2 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 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 Al 2 O 3 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 HV 0,2 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)

3 Analiza mikrotwardości wybranych drutów ortodontycznych 81 Ryc. 2. Aparat LECO M400 A Fig. 2. LECO M400 A appara tus urządzenie pomiarowe (measurement device) monitor (monitor) panel kontrolny (control panel) F 136 o wgłębnik diamentowy (diamond indenter) materiał badany (tested material) powierzchnia drutu (wire surface) 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) powierzch nia drutu (wire surface) punkty pomiaru (measurement points) 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) Każdorazowo dla poszczególnych próbek ma teriałów wykonano po 9 (punkty a i w trzech po ziomach A C) pomiarów mikrotwardości, na ich podstawie obliczano średnią arytmetyczną, co przedstawiono na rycinie 5. Wyniki poddano ana lizie statystycznej za pomocą testów: Manna Whitneya i testu ANOVA z wykorzystaniem testu Scheffégo w badaniu retrospektywnym. Przyjęto poziom istotności p > 0,05. Wyniki Wyniki pomiarów zestawiono w tabeli 1. War tość mikrotwardości dla stopów niklowo tytano wych wynosiła się od 316,33 HV 0,2 dla Neo Sen talloy do 444,22 dla Nitinol. Stopy wykonane ze stali nierdzewnej charakteryzowały wartości więk

4 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 Poziom A Poziom B Poziom C Średnia (Probe) (Level A) (Level B) (Level C) arytmetyczna pomiar średnia pomiar średnia pomiar średnia z A, B, C (measurement) arytme (measurement) arytme (measurement) arytme (arithmetic HV 0,2 tyczna HV 0,2 tyczna HV 0,2 tyczna mean from (arithme (arithme (arithme A, B, C) tic mean) tic mean) tic mean) HV 0,2 HV 0,2 HV 0,2 a b c d e f g h i Neo Sentalloy (GAC) , , ,33 Ni Ti (Ormco) , ,22 Nitanium (Ortho , ,78 Organizers) Remetitan , ,22 (Dentaurum) Nitinol (3M Unitek) , ,33 444,22 TMA (Ormco) , , ,22 SS (GAC) , ,56 SS (Ortho , , ,67 Organizers) SS (Ormco) , , ,78 SS (Dentaurum) , , ,33 SS (3M Unitek) ,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 NiTi Nita Reme TMA SS SS Or SS SS Den SS 3M Nitinol Sen nium titan GAC tho Or Ormco taurum Unitek talloy ganizers Neo 0,005 0,005 0,005 NS 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 Sentalloy NiTi 0,005 ns. ns. 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 ns. Nitanium 0,005 ns. ns. 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 ns. Reme 0,005 ns. ns. 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 ns. titan TMA ns. 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 SS GAC 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 ns. ns. ns. ns. 0,005 SS Or 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 ns. 0,005 ns. ns. 0,005 tho Or ganizers SS 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 ns. 0,005 ns. 0,005 0,005 Ormco SS Den 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 ns. ns. ns. ns. 0,005 taurum SS 3M 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 ns. ns. 0,005 ns. 0,005 Unitek Nitinol 0,005 ns. ns. ns. 0,005 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.

5 Analiza mikrotwardości wybranych drutów ortodontycznych 83 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 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 ( 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, [2] KUSY R. P.: A review of contemporary archwires: their properties and characteristics. Angle Orthod. 1997, 67, [3] GROOVER P. M.: Fundamental of modern manufacturing. John Wiley & Sons Inc. New York, USA, 52 53, [4] FELLERS O. W.: Manufacturing processes for technology. Prentice Hall. Inc New Jersey, USA, 30 31, [5] Polska Norma Pn ISO [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, [7] KUSY R. P.: Ongoing innovations in biomechanics and material for new millennium. Angle Orthod. 2000, 70, Adres do korespondencji: Marcin Mikulewicz Katedra i Zakład Ortopedii Szczękowej i Ortodoncji AM ul. Krakowska Wrocław tel.: e mail: mmikulewicz@poczta.onet.pl Praca wpłynęła do Redakcji: r. Po recenzji: r. Zaakceptowano do druku: r. Received: Revised: Accepted: