خلائط التيتانيوم في صناعة الأسلاك التقويمية

د.سفيان

خلائط التيتانيوم Titanium Alloy
يتوفر حالياً عدد من خلائط التيتانيوم للإستعمال في المجال التقويمي والتي تتمتع ببعض المزايا بالإضافة إلى بعض المساوئ وتشمل هذه الخلائط :
1- النيكل تيتانيوم
2-البيتا تيتانيوم

1- خلائط النيكل تيتانيوم
Nickel Titanium Alloy
اكتشف ال NITI صدفة في Maryland في الولايات المتحدة الأمريكية (مخبر المدفعية البحرية)
ثم تم تعديله للأغراض التقويمية من قبل الدكتور George Andreasen من جامعة Iowa
تأخذ هذه الخلائط عدة تسميات :
الخلائط ذات الذاكرة : SMA
Shape Memory Alloys(SMAs)
خلائط النيكل تيتانيوم
Nitinol
تركيب الخليطة :
52% نيكل
45% تيتان
3% كوبالت
يلعب التيتان دوراً أساسياً في إكساب الخليطة المرونة المطلوبة .
في حين يلعب النيكل دوراً موازن لعنصر التيتان في الخليطة بحيث يكسبها شيء من المتانة والصلابة .
هذا وإن الخواص الفيزيائية لخلائط الNiTi هي خواص فريدة أهمها :
الذاكرة الشكلية
المرونة الفائقة
إلى جانب ذلك فإن ال NiTi يمكن أن يظهر في أكثر من بنية بلورية, فالبنية المارتنسيتية (بلورات متراصة وسداسية الأضلاع ) تظهر في درجات حرارة منخفضة بينما تظهر البنية الأوستنيتية (بلورات مكعبة ) في درجات الحرارة المرتفعة.
الذاكرة الشكلية : هي قدرة الخليطة على العودة إلى شكلها الأصلي عندما تسخن الى درجة حرارة انتقالية مناسبة بعد أن تم تغير شكلها بتعريضها لحرارة منخفضة ( الأسلاك المنشطة بالحرارة ).
Shape memory effect observed in 1951
المرونة الفائقة : هي قدرة الخليطة على العودة إلى شكلها الأصلي بعد تعرضها لدرجات عالية من التوتر دون حدوث تشوه دائم فيها ( الأسلاك المنشطة بالإجهاد )
كلتا الصفتين أي الذاكرة الشكلية والمرونة الفائقة في خليطة ال NiTi تعودان لعملية الانتقال بين طوري المارتنسيت (طور منخفض القساوة ) و الأوستنيت (طور مرتفع القساوة ذو معامل مرونة أعلى ) وذلك في درجة حرارة انتقالية منخفضة .
فلقد وجد أن Nitinol تمتلك طور من التغير بينما لاتزال بحالة صلبة solid .
بالخضوع لحرارة متغيرة فإن Nitinol يكون في طور martensite , و في طور martensite يمكن لخليطة Nitinol الإنحناء في أشكال مختلفة للحفاظ على الشكل الأصلي لها parent shape فيجب على المعدن أن يسخن إلى درجة حرارة 500 درجة مئوية .
درجة الحرارة العالية تسبب تنظيم الذرات نفسها بنفسها في نموذج أكثر انتظاماً و تكثفاً compact مما ينتج عنه تنظيم المكعب الصلب rigid cubic المعروف بطورaustenite
وفوق هذه الحرارة الإنتقالية يعود Nitinol من طور martensite إلى طورaustenite والذي يعود بالخليطة لشكلها الأصلي .
هذه الدورة من التغيرات يمكن أن تتكرر و تعاد ملايين المرات .
الميزة الأساسية للخلائط ذات الذاكرة هي قابلية الانكماش لدى تعرضها للحرارة ويعود ذلك إلى الطور الإنتقالي للتركيب البلوري .
البلورات في الشبكة إما تتوضع بشكل عال من التنسيق و هو طور austenite أو بشكل بلوري مجتزأ منه و يدعى هذا طور martensite الثنائي في غياب الجهد الخارجي يكون طور martensite مستقر عند درجة حرارة منخفضة و كذلك طور austenite عند درجة الحرارة المرتفعة .
وتلعب كل من درجة الحرارة والإجهاد دوراً أساسياً في الانتقال بين البنيتين (الطورين) .
لذلك فإن التحول مابين طور المارتنسيت والاوستنيت يلعب به أمرين
الجهد الخارجي
درجة الحرارة
يمكن أن يشكل النايتينول بشكل قوس مثلاً عندما يكون في حالة martensite و يبرد أو يسخن حسب الخليطة كي نحصل على شكل austenite . يشوه السلك عند ربطه مع الأسنان غير المرتصفة و يعود إلى شكله الأصلي بسبب مرونته (الرجوع النابضي ) و ذلك بعودة انتقال الحرارة فيه .
الاشكال السريرية لخلائط التيتان التقويمية
خليطة النيتينول المستقرأو المثبتة خليطة النيتينول النشيطة
النشيطة : اوستنيت بالاجهاد مارتنسيت
مارتنسيت بالحرارة اوستنيت

خليطة النيتينول المستقرة أو المثبتة Stablized
تتألف الخليطة من معدني النيكل والتيتان وتكون ذات تركيب ثابت غير قادر على الخضوع للتحولات المذكورة سابقا على مستوى بنيته البلورية (Austenite – Martensite ) .
الخواص المرنة لهذه الخليطة التيتانية تكون نتيجة لبنيتها المستقرة بالإضافة إلى أنها قوية بشكل جيد و لكنه كان سيء بالنسبة لقابلية التشكيل formability.
سريرياً :
لاتختلف بنية هذه الأسلاك سواء وجدت داخل الفم أو خارجه إذ تحافظ على بنيتها المارتنسيتية دون تحول .
تكون ذات قساوة منخفضة أي أن شدة القوة الناتجة عن التنشيط تكون منخفضة مقارنة مع الخلائط الفولاذية لذلك تنتج قوى خفيفة ومستمرة
الآن تعرف طائفة خلائط ال NiTi ذات الطور المارتنسيتي المستقر تجارياً ب M-NiTi.


الخليطة التيتانية النشيطة Active
تتميز هذه الخليطة على خلاف السابقة بقابليتها للخضوع لعملية التحول الشكلي أو التحول على مستوى بنيتها البللورية تحت تأثير الإجهاد الميكانيكي أو درجة الحرارة المؤثرة عليها.
لذلك تضم هذه الخليطة التيتانية النشطة نموذجين أساسين من الاسلاك التقويمية التي تنتمي إلى إحدى الخليطتين التاليتين:
1- الخليطة التيتانية النشيطة Austenite
2- الخليطة التيتانية النشيطة Martensite

1- الخليطة التيتانية النشيطة الأوستنيتية (Chinese , Japanese Nitinol ) :
تتميز الأسلاك التقويمية التي تصنع من هذه الخليطة بقابليتها للتحول على مستوى بنيتها البللورية من الشكل Austenite إلىMartensite تحت تأثير الإجهاد الميكانيكي Stressالمطبق عليه (تحول محرض ميكانيكياً).
في نهاية الثمانينات تم طرح أسلاك نيكل تيتانيوم جديدة ذات بنية أوستنيتية نشطة, و قد أظهرت هذه الأسلاك الصفة الأخرى المميزة لل NiTi و هي المرونة الفائقة .
لقد تم تسمية هذه الطائفة من الأسلاك والأسلاك الصينية ب A-NiTi .

يمكن استخلاص الصفات التالية لسلك النايتنول الصيني:
يطبق قوة مستمرة و ثابتة مهما زاد الانحراف.
مقدار القوة المطبقة سيكون خفيف.
تبقى القوى مستمرة و ثابتة نسبياً رغم انخفاض الانحراف و ارتصاف الأسنان.
القوة التي يطبقها على الأسنان أخفض من القوة المستخدمة لإدخاله ضمن شق الحاصرة.
أقواس A-NiTi تطلق قوى ضئيلة جداً إذا تم حرفها لمسافة كبيرة أو صغيرة وهذه الصفة تعتبر مميزة و مرغوبة بشدة في مجال التقويم.
تظهر هذه الصفة المميزة في الA-NiTi بسبب الإنتقال من طور الأوستنيت لطور المارتنسيت كرد فعل على التغير في القوة المطبقة و ليس التغير في درجة الحرارة ( إذاً التحول هو تحول ميكانيكي بشكل مماثل لتأثير الذاكرة الشكلية المحدثة حرارياً ) ويطلق على هذه الظاهرة تشكل المارتنسيت المحرض بالإجهادstress inducit Martensite
و بمعنى آخر فإن الخليطة الأوستنيتية تخضع لتحول في البنية الداخلية كرد فعل على الجهد stress المطبق من دون الحاجة لتغيير واضح في درجة الحرارة .
من وجهة نظر سريرية يمكن استخدام هذه الأسلاك التقويمية لرصف الأسنان أو إغلاق المسافات بين السنية بالإستفادة من القوة الثابتة التي تتولد عنها .
التأثيرات على السلك تظهر بالاعتماد على الوقت المنقضي على تركيب السلك .
بالنسبة للمقوم تعتبر عملية إحداث طية في سلك A-NiTi شبه مستحيلة لأنه لا يخضع لعملية التشوه اللدن Plastic deformation إلا في حالة تطبيق قوة عالية جداً عليه .
أثناء إختفاء التنشيط الذي يطرأ على السلك المصنوع من هذه الخليطة تحدث عملية معاكسة حيث يحدث تحول تدريجي للمادة من مرحلة المارتنسيت إلى مرحلة الأوستينيت .
2- الخليطة التيتانية النشيطة Martensite :
عند تطبيق حرارة معينة على السلك التيتاني المارتينسيتي النشط فان هذا السلك يخضع لظاهرة التحول أو التبدل على مستوى البنية البللورية حيث يتحول من الشكل المارتنسيت إلى الشكل الأوستينيت
فإذا أخضع السلك المصنوع من هذه الخليطة المميزة لتشوه بدرجة معينة وطبق على الحاصرات الموجودة في فم المريض فإنه سوف يتنشط تحت تأثير حرارة الوسط الفموي ويعود لشكله المحدد مسبقاً .
يدعى النايتينول ذو المرونة الحرارية Thermo elastic Nitinol أي يتمتع بصفة مميزة هي الذاكرة الشكلية المحرضة حرارياً .
فإذا أخضع السلك المصنوع من هذه الخليطة المميزة لتشوه بدرجة معينة وطبق على الحاصرات الموجودة في فم المريض فإنه سوف يتنشط تحت تأثير حرارة الوسط الفموي ويعود لشكله المحدد مسبقاً .
درجة الحرارة الانتقالية Transition Tempreature:
بالنسبة للمواد النقية يمكننا تحديد درجة محددة لدرجة الإنصهار ولكن بالنسبة لTTR فإنها تأخذ قيم عديدة ذات مدى قد يصل لعشرات الدرجات.
لو اعتبرنا أن درجة حرارة الجسم هي الدرجة المرجعية لنا فإن TTR فوق هذه الدرجة تؤدي لأن تصبح الخليطة أوستنيتية أي تصبح أكثر صلابة .
بينما لو انخفضت ال TTR عن هذه الدرجة سنحصل على البنية المارتنسيتية أي تصبح فائقة المرونة
لقد تم تصميم الخلائط التي تتأثر بالحرارة بحيث تقرب درجة التحول إلى طور بداية المارتنسيت من درجة حرارة الجسم البشري.
في دراسة أجريت على 7 أقواس (منشطة حرارياً) من 7 شركات مختلفة وجد أن ال TTR تتراوح بين 28إلى 52ْ C .
الأسلاك المنشطة حراريا تقدم سيطرة أكبر وبشكل مبكر لتورك الأسنان بسبب القوة الخفيفة والمستمرة المطبقة حتى ولو استخدمنا أسلاك أكبر قطرا أو أسلاك مضلعة وتملك مدى أكبر من الرجوعية بدون تشوه دائم .
على اعتبار أن درجة حرارة جسم الإنسان 37 درجة يصبح السلك بالكامل من البنية الاوستينيتية .
في درجة حرارة الغرفة يكون السلك طريا والقوى المقدمة منه ضعيفة ثم نبرد السلك و نشكله وعند رفع درجة حرارة داخل الفم يبدأ بالتحول من بنيته المارتنسيتية إلى البنية الأوستينيتية مقدما بذلك قوى خفيفة ومستمرة ( القوى المختزنة ) بشكل مريح للمريض .
فوائد الأسلاك المنشطة حراريا :
تؤمن راحة المريض عن طريق قوى خفيفة ومستمرة وتنقص من خطر امتصاص الجذر .
توفير زمن العمل .
وقت معالجة أقصرحيث ينقص الزمن الكلي للمعالجة .
زيارات أقل للعيادة السنية .
يجب ملاحظة مايلي :
1- زيادة في طول السلك خلال الانتقال من الطور الأوستنيتي إلى الطور المارتنسيتي تحت تأثير التبريد والتشويه
2- عودة السلك إلى الطول الأصلي خلال الانتقال من الطور المارتنسيتي إلى الطور الأوستنيتي تحت تأثير زوال التشوه وارتفاع الحرارة ، الأمر الذي يسمح للسلك بالانزلاق ( الزحف ) .
ولا يمكن إيقاف هذا الإنزلاق لكن نستطيع تدارك آثاره من خلال منع السلك من الزحف (الانزلاق) وذلك بتثبيته في موقعه الذي ربط فيه من خلال استخدام حبسات معدنية ( ستوبات ) تحصر على السلك في مواقع مناسبة (أنسي ووحشي حاصرة أمامية مثلاً ....)
3- TTRأقل من درجة حرارة العيادة بالنسبة لأسلاك Superelastic ، TTR قريب من درجة حرارة الفم بالنسبة لأسلاك Thermoelastic الأمر الذي يجعل درجة حرارة الوسط ( العيادة )وما يطرأ عليها من تغيرات بين الليل والنهار والصيف والشتاء ، تلعب دور أساسي في تحديد الطور التي توجد فيه الأسلاك خارج الفم
بالنسبة لأسلاك Superelastic ذات البنية الأوستنيتة النشطة التي تتحول مع البرودة إلى بنية مارتنسيتية توأمية مرنة يسهل معها تطبيق السلك في الفم في حين تحافظ الحرارة على هذه البنية دون تغير ، لذلك يمكن تخزين هذه الأسلاك في العيادة .
بينما يظهر أثر هذه المشكلة واضحاً مع الأسلاك الحرارية ذات البنية المارتنسيتية النشطة التي تتحول مع الحرارة (التي تتجاوز TTR في الصيف) إلى بنية أوستنيتية أقل مرونة يصعب معها تطبيق السلك في الفم في حين تحافظ البرودة (في الشتاء ) على هذه البنية دون تغير ، لذلك يجب حفظها في الثلاجة في الصيف لتجنب التحول السابق .

خلائط البيتا تيتانيوم Beta Titanium Alloy

خليطة البيتا تيتانيوم أو كما تسمى تجارياً TMA
قد تم إشتقاق اسم ال TMA من المكونين الرئيسيين للخليطة و هما التيتانيوم و المولبيدن (Titanium-Molybednum alloy)
طورت هذه الخلائط في عام 1980 بفضل دراسات Burstone
عند مقارنة هذه الخليطة مع النيتينول التقليدي تكون :أكثر نعومة , قابلة للحام , تتمتع بقابلية تشكيل جيدة .

تتألف الخليطة من :
77.8%تيتانيوم
11.3% مولبيدينيوم
6.6% زيركونيوم
4.3%قصدير
وجود المولبيدينيوم في تركيب الخليطة يعطيها قابلية تشكيل كبيرة وقابلية للتشوه الدائم, بينما وجود القصدير والزيركونيوم يزيد من قوة وقساوة الخليطة ويمنع تشكل طور هش من الخليطة أثناء معالجة الأسلاك في درجات حرارة مرتفعة
معامل مرونة الخليطة أكبر بمرتين من النايتنول و أقل بنصف مرة من الستيل
لل TMA قدرة عالية لإيصال القوى المرنة elastic force delivery بدرجة أقل من سلك الs.s بمقدار 1/2 .
و قد وجد أنه يمتلك قابلية لأن يلحم عليه باستخدام التيار الكهربائي من دون استخدام رابط لحام solders كما هو الحال عند لحم قطع مصنوعة من الs.s و خلائط النيكل-كروم-كوبالت, و لكنه من غيرالمنصوح به للمقوم أن يعالج أسلاك الTMA بالحرارة بنفسه.
أشارت الدراسات أن أسلاك الTMA لديها سطح عالي الخشونة و الذي يؤدي إلى قيم عالية من الإحتكاك بين الأقواس و الحاصرات و للتغلب على هذه المشكلة تم تعديل الخواص السطحية لل TMA بعملية التشريد ion-implantation و ذلك من خلال غرس بعض الشوارد كالنتروجين أو الكربون على الأجزاء السطحية للمعدن التي قد قل فيها الاحتكاك بين الحاصرات و الأسلاك بشكل كبير
تستخدم هذه الخليطة لصنع النوابض المساعده (مثل نوابض التعميد) وتستخدم بصورة خاصة في مراحل التسوية النهائية ولا سيما بإجراء حركات التورك
و قد نصح profit عام 1986 باستخدام TMA لتأمين توازي الجذور في نهاية المعالجة حيث أنها مناسبة للحصول على حركات سنية أكثر دقة
فوائد البيتا تيتانيوم :
قابلية تشكيل ممتازة ونابضية عالية يستخدم لصنع النوابض ( مثل نوابض التعميد )
يستخدم بصورة خاصة في مرحلة التسوية النهائية ولاسيما بإجراء حركات التورك .
خالي من النيكل لتجنب الحساسية .
قابل للحام .
مساوئ البيتا تيتانيوم :
غالي الثمن.
درجة احتكاك عالية بين السلك و الحاصرة ( تفوق جميع الخلائط التقويمية الأخرى )
استخداماته السريرية :
المراحل المبكرة : من أجل رصف وغرز الأسنان وإغلاق الفراغات وتصحيح قوس سبي حيث أن وضع سلك بيتا تيتانيوم مضلع سوف يقدم سيطرة على موضع الجذر.
المراحل المتوسطة : من أجل إكمال السيطرة على تورك الأسنان والغرز وتصحيح قوس سبي باستخدام قوى معتدلة . قابلية السلك لتشكيل العرى تجعله ممتازا في إرجاع القوس والذي يعطي قوة مستمرة ويبقى فعالا لفترة أطول من الستيل .
اجراءات الإنهاء : إن البيتا تيتانيوم قاس بشكل كاف ليقوم بالتصحيح النهائي ولكنه بنفس الوقت مرن كفاية ليسمح بالاستقرار .
يتمتع بما يلي:
يجمع بين المتانة والمرونة وقابلية التشكيل الجيدة .
قابل للحام كهربائيا وليس حراريا و تعتبر الخليطة التقويمية الوحيدة التي تتمتع بقابلية لحام حقيقية ويكون دائما معالج بالحرارة .
لا يحوي على النيكل ( متقبل حيوياً )
يفيد في حركات التورك وفي مراحل التسوية النهائية.
نابضية رجوعية ممتازة.
توصل قوى متوسطة بين s.s و الألجيلوي و بين NiTi.
متوفر على شكل أسلاك مستقيمة وأسلاك مسبقة التشكيل .
الأسلاك التقويمية التجميلية ( غير المعدنية )
هي طريقة واعدة تبشر بالحصول على أسلاك تقويمية تجميلية بالإضافة الى بقية الصفات الواجب توفرها فيه , هذه التقنية تعتمد على استخدام الكومبوزت وهي عبارة عن مواد حديثة مكونة من المعدن والخزف والبولمير الصناعي
النماذج الأولية تكون بألوان مشابهة للميناء وصلابتها تتراوح بين صلابة الأسلاك المجدولة وخليطة البيتا تيتان .
هي أقواس سلكية غير معدنية شفافة تتألف من قلب من السيليكا و طبقة متوسطة من السيليكون و طبقة خارجية مقاومة للإصطباغ.
تم طرح هذه الأسلاك مؤخراً في الأسواق للإستخدام السريري .
لكن هذه الأسلاك لا يمكن عمل طيات حادة بها بسبب وجود قالب السيليكا القصف فيها .
و لكن هذه الأسلاك الخزفية المتبلمرة Ceramic-polymer تمتع بنابضية و مرونة عالية ولا تتشوه إلا بمقدار بسيط عند استخدامها سريرياً.
تم تقوية هذه الأسلاك مؤخراً بألياف زجاجية.
مازال البحث جارياً على هذه الأسلاك لتطويرها و يبدو أن المستقبل سيكون لهذه الأسلاك.