矯正線之臨床應用

在固定式動態齒顎矯正治療中，牙弓線(arch wire)及矯正器 (bracket) 是治療中的主體裝置，因應不同的治療需求，則必須搭配 如 Kobayashi hook、crimpable stopper、crimpable hook、coil spring、

orthodontic elastomer 等輔助裝置，來做進一步的調整與治療。

矯正器依其材質可分為metal bracket、plastic bracket及ceramic / crystal bracket。金屬材質的矯正器具有方便好操作的特性，但其美觀

性並不好。透明矯正器中，塑膠製品有易染色的缺點，臨床使用時 易破損；而陶瓷材質矯正器美觀上最好，但卻因硬度高，易磨耗對 咬牙，且其摩擦力大，易阻礙牙弓線的滑動，再加上單價高，所以 並不常使用。一般而言，我們大都採取前牙用plastic bracket，後牙用 metal bracket 的組合方式，兼具實用性與美觀性。

牙弓線依其材質可分為傳統不銹鋼線SSW (stainless steel wire)，

鎳鈦合金線(Ni-Ti，例如Nitinol)，β鈦牙弓線(Beta-titanium，例如TMA) 等等。不銹鋼線SSW是最普遍使用的牙弓線材料，它單價相當便宜，

而且被製成各種粗細的規格供挑選。鎳鈦合金線不像不銹鋼線那麼 硬，它具有超彈性(super-elasticity) 與形狀記憶(shape memory) 的特 性，一般都使用於治療初期，它的價格較昂貴，而且臨床使用上較

圖1-6 擁擠

圖1-8 阻生牙

1.3 鎳鈦矯正線的文獻回顧

1971年Dr. George Andresen¹¹首度將此線材引進矯正界，由 Unitek公司以Nitinol的商品名問世。其組成為52%鎳、45%鈦及3%

鈷。此鎳鈦線材由固態的鎳鈦合金塊經由冷加工而成型，其形狀記

憶效應在冷加工抽絲的製造過程中，因8%~10%的延展而受到抑制，

所以是一種晶相穩定的金屬¹²，為麻田散鐵穩定型鎳鈦合金線，即為 M- NiTi。它具有低彈性模數(約3.3×10¹⁰Pa，將此數值除以6.9×10³即 可轉換單位為psi)、低勁度、良好的彈性及相當好的回彈能力(spring back)，可以在高度變形下釋放出相當低的力量¹³。然而它的成形性極 差，相當難彎出牙弓形狀，故不適用於在線材上彎出線圈。此外，

它與矯正托架的磨擦力相當大，不適合矯正托架在其上滑動。

Andresen與Morrow¹³指出Nitinol具有減少矯正線置換的頻度，減 少臨床看診時間，使平整期與改正旋轉牙的時間縮短並減少病人不 適等優點。

1985年Burstone²發表的Chinese NiTi及Miura^3-7在1986年發表的 Japanese NiTi皆是沃斯田鐵活動型鎳鈦合金線即為A-NiTi。它的應力 遲滯(hysteresis)。因為麻田散鐵型晶相的彈性模數¹⁴約為3.1×10¹⁰~ 3.5×10¹⁰Pa，最大強度約為1.4×10⁹~1.7×10⁹ Pa，而沃斯田鐵型晶相的

常溫下，它為麻田散鐵型晶相，而在口溫下則轉為沃斯田鐵型晶相。

最近市場上出現的Copper NiTi^10,14則因其不同的相轉溫度範圍 (transition temperature range，TTR)而分別屬於不同類型的鎳鈦合金矯 正線。例如，27℃的Copper NiTi^10,14，其相轉溫度範圍為27℃，便屬 於沃斯田鐵活動型鎳鈦合金線矯正線，它的組成加入5%~6%銅來減 少遲滯(hysteresis)的現象，但是會使相轉溫度範圍升高，故加入0.5%

鉻來降低相轉溫度範圍成27℃。當將Copper NiTi的鉻減為0.2%時，

便可生產出相轉溫度範圍為35℃及40℃的Copper Ni-Ti^10,14，此則為麻 田散鐵活動型鎳鈦合金矯正線或稱為熱感應鎳鈦合金矯正線(thermo -elastic Ni-Ti)。在常溫下，它為麻田散鐵型晶相，相當容易被綁入矯 正托架，而在口溫下則轉為沃斯田鐵型晶相，並因晶相轉換而恢復 原來的牙弓形狀。

2000年日本東京醫科齒科大學Miura¹⁶發表一篇『Comparative examination of damping capacities with laser displacement apparatus in orthodontic wires』，證實改良型超彈性矯正線(ISW)擁有良好的震盪 吸收效果，在各家都還著重於超彈性之爭時，已經進一步研發出最 合乎生理並且不造成牙齒副作用的矯正線，正因如此我們對此線有 更進一步的認識是刻不容緩的事，藉由深入的理解矯正醫師也才能 將其作用發揮至極致。

2. 形狀記憶合金理論

2.1 形狀記憶合金介紹

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，SMA)是一種能夠記憶原有 形狀的機能性材料。當它在低溫麻田散體相受到有限度的塑性變形 後(變形量小於8%)，再將此材料加熱到母相的溫度範圍Af 以上時，

就 會 回 復 到 變 形 前 的 形 狀 ， 此 種 特 性 稱 為 形 狀 記 憶 效 應(shape memory effect，SME)。形狀記憶合金通常具有超彈性和高震盪吸收 能力(high damping capacity)等特殊機能，可以廣泛應用於工業、能 源、醫療及軍事等方面，是一種極重要的機能性材料，且利用形狀

Face-centred cubic)。如表1-2所示，非鐵系合金包括Ag-Cd、Cu-Zn、

Fe-Ni-C 33%Ni,4%C FCC-BCT Fe-Mn-Si 30%Mn,5%Si FCC-HCP

表1-2 具有形狀記憶效應的非鐵系合金

合金 成分 結晶結構變化

Ag-Cd 44~49%Cd B2-2H

Au-Cd 50%Cd B2-2H Cu-Zn 41%Zn B2-R

Ti-Ni 49~51%Ni B2-R

In-Tl 21%Tl FCC-FCT

表1-3 Ni-Ti合金與Cu-Zn-Al合金比較表

分類 Ni-Ti合金 Cu-Zn-Al 合金 回復應力 最大40kgf/mm² 最大20kgf/mm²

回復應變 最大8% 最大4%

疲勞壽命 107 104

耐蝕性 良好 不好

加工性 不容易 容易

形狀記憶處理 比較容易 困難

2.3 形狀記憶合金的相轉換

(1) 一般鋼鐵麻田散相變態

麻田散鐵相變態通常只發生在溫度低於Ms以下，在鋼鐵的麻 田散鐵相變態裡，麻田散鐵相量的增加並非由原來生成的M (martensite)晶繼續成長，而是由殘餘母相中生成M晶。各個M晶 非常快速生成，於瞬間成長至最終大小，即使降低溫度或經長 時間之後，原已成核的M晶也不再進一步成長，而是另外生成新 的M晶，此種變態稱為”非熱彈性型”麻田散相變態，鋼鐵的麻田 散相變態即屬此類。

(2) SMA的麻田散鐵相變態

SMA的麻田散鐵相變屬於『熱彈性型』，所謂的熱彈性麻田

散鐵相轉換，即是原來生成的M晶將隨溫度的下降或外加應力施 加而成長，也會隨著加熱或外加應力消除而沿原來成長路徑收 縮，如圖1-10所示，母相(沃斯田鐵相)以方形表示，而麻田散鐵 則以菱形表示。

圖1-10 晶格形狀之轉變示意圖

Ni-Ti合金依照其特性可分為低溫相和高溫相，經過外在環境 的改變，可使Ni-Ti合金在低溫相和高溫相之間作轉換，如圖1-11 所示，內部晶格結構隨著相變換而改變。在低溫相為麻田散鐵，

具有雙晶結構；在高溫相為沃斯田鐵，為體心立方結構。

圖1-11 內部晶格結構變換圖

在相轉換之間的臨界溫度有四點，Ms、Mf、As、Af。其中 M_s表示麻田散鐵開始轉換的溫度，M_f表示麻田散鐵轉換結束的 溫度，As表示沃斯田鐵開始轉換的溫度，Af表示沃斯田鐵轉換結 束的溫度，ξ表示麻田散鐵的含量，ξ=1表示麻田散鐵含量百分 之百，在ξ=1線上溫度增加直到A_s點，當溫度接近A_f點時，ξ的值 會開始減少，當到達Af 點時ξ=0，ξ=0表示麻田散鐵含量為零，

當溫度低於M_s點時，ξ的值又開始增加直到ξ=1，可看出藉由溫 度轉變會使麻田散鐵含量也改變(圖1-12)。

圖1-12 麻田散鐵分量與溫度曲線圖

(3) 熱彈性型麻田散鐵相變態和非熱彈性型麻田散鐵相變態不同之 處，在一般鋼鐵中變態遲滯達數百度之多，但在SMA中，變態 遲滯僅有20℃左右。其中主要之原因，乃在鋼鐵中之麻田散鐵 相變態所謂之非化學自由能相當大，但在SMA而言，此種非化 學自由能幾乎小到可以忽略，亦即由於SMA的此種特色，才能 使其變態具有可逆性造成SMA的形狀回復特性。

2.4 形狀記憶效應

具有形狀記憶效應的合金，原理為於低溫下受力變形之後，再 將其升溫至較高溫度，即可回復未變形前的形狀。對於這種現象是 由於麻田散鐵相變態(martensitic transformation)之形成及其後續逆變 態的結果，此種說法目前已被普遍接受。簡單地說，合金在低溫麻 田散鐵狀態受力變形，然後加熱使之達到麻田散鐵相(martensitic)逆 變態至沃斯田鐵相(austenite)的溫度後，所產生的形狀回復現象，即 為形狀記憶效應。

形狀記憶合金的記憶行為也可以從一些簡單的實例視察得到。

例如，將一條記憶合金線加以彎曲，再用打火機點火加熱後，可以 立刻變直而回復原狀，或者，將一已被伸長的彈簧放入熱水中，也 可立即使其回復原狀等等皆是。

如果由材料科學觀點以及應力-溫度圖(圖1-13)加以解釋，本質上 是由材料內部的變化而造成。簡單地說，這是由於合金結構中，發 生固態間相變態所產生的現象，而這種高溫母相-沃斯田鐵相與低溫 麻田散鐵相間之相轉換，正是造成這種特殊形狀記憶行為之原因。

圖1-13 溫度-應力圖(路徑12341)說明形狀記憶效應

當此種合金在熱處理時，從高溫母相可急冷形成麻田散鐵相，

變形時可由雙晶變形(twinning deformation)或晶體方向之改變來進行 可逆性的塑性變形，所以當溫度上升時，給予其驅動力，達到某臨 界溫度後即可從變形的麻田散相逆變態而回復成原來母相，因此，

也就同時產生了形狀記憶效應。(M_s溫度點:麻田散鐵變態開始的溫 度，Mf:麻田散體變態結束的溫度，As:沃斯田鐵開始產生的溫度，Af: 麻田散鐵逆變態結束的溫度)。一般來說，麻田散鐵相介於M_s與M_f間 之變態過程而母相則是介於As與A f之逆變態過程。

進一步由圖1-14晶格變化圖顯示，形狀記憶效應的發生，包括以 下四個階段：

(a) 冷卻降溫(M _f以下)→麻田散鐵變態。

(b) 施加外力→有限度變形。

(c) 除去外力→存留塑性變形。

(d) 加熱升溫→逆變態至母相與形狀回復。

圖1-14 形狀記憶效應:晶格表現示意圖

(a) twinned 麻田散鐵 (b)(c) de-twinned 麻田散鐵 (d) 沃斯田鐵

由母相(沃斯田鐵相)冷卻降溫至Mf之過程，為母相進行熱彈性麻 田散鐵變態，形成自我調適的麻田散鐵，使整體形狀的改變在巨觀 上近乎於零。第二階段對自我調適的麻田散體維持穩定狀態，原先 變形依然存在。最後將其加熱升溫，給予一驅動力，當達到臨界溫 度A_f後即可由變形的麻田散體相逆變態回復至母相。

藉由應力-應變-溫度曲線圖及形狀記憶效應之晶格變化圖(圖 1-15)，可進一步從微觀的角度說明形狀記憶效應的機制，將形狀記 憶由高溫母相狀態，冷卻下來，當溫度降至Ms以下母相開始轉換為 低溫之麻田散鐵相，圖1-15(1-2)示，此時施加外力，將如普通金屬產 生降伏現象，但非一般金屬的滑動變形，而是一種雙晶移動所造成

藉由應力-應變-溫度曲線圖及形狀記憶效應之晶格變化圖(圖 1-15)，可進一步從微觀的角度說明形狀記憶效應的機制，將形狀記 憶由高溫母相狀態，冷卻下來，當溫度降至Ms以下母相開始轉換為 低溫之麻田散鐵相，圖1-15(1-2)示，此時施加外力，將如普通金屬產 生降伏現象，但非一般金屬的滑動變形，而是一種雙晶移動所造成