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Nitinol

 Dieses Markenzeichen von 3M Unitek ist gut bekannt.
 Was genau ist Nitinol?

NITINOL - meist kurz NiTi genannt, bezeichnet eine Gruppe von sogenannten Formgedächtnis-Legierungen (memory-alloys). Während NiTi die wesentlichen Legierungebestandteile, nämlich 55 % Nickel1 und 45 % Titan, widerspiegelt, weist der Begriff Nitinol als Abkürzung für Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory auf den Ursprung der Legierung hin. Entwickelt wurde diese 1962 vom U.S. Naval Ordnance Laboratory eher für .Waffen und Werkzeuge. Das Besondere an diesem Material ist, dass die Martensit - Austenit - Umwandlung und mit ihr der Formgedächtnis-Effekt, bei Temperaturen unter 50oC stattfindet und damit biologisch nutzbar ist. Es dauerte nicht lange, bis man erkannt hatte, dass sich daraus hervorragende orthodontische Bögen herstellen lassen (Andreasen, Hillemann, 1971)

In der Kieferorthopädie unterscheiden wir aufgrund ihrer Eigenschaften:

NiTi Bögen (Syn.: NiTi Standard, NiTi Classic, NiTi Superelastisch2)
NiTi Themo-Bögen (Syn: NiTi Themoaktiv / Heat Activ., Martensitic)

Eigenschaften
Martensit und Austenit sind temperaturabhängige Phasen einer Legierung mit unterschiedlichem Gefüge und daraus resultierenden mechanischen Eigenschaften.
In der martensitischen Phase (bei niedrigen Temperaturen) ist Nitinol plastisch verformbar.
In der austenitischen Phase (bei höheren Temperaturen) ist es elastisch und verhält sich so, wie wir es von einem nahezu idealen Bogenmaterial erwarten.
Der Schlüssel ist also die Aktivierungstemperatur, oberhalb derer wir ein reines austenisches Gefüge vorfinden und bei der das Formgedächtnis "aktiviert" wird.

Was unterscheidet normales von thermoaktivem Nitinol?
Ganz einfach: Die Aktivierungstemperatur, die technologisch verändert, bzw. eingestellt werden kann.
Liegt sie z.B. bei 3oC, befindet sich das Material stets in der austenitischen Phase und wir haben einen gewöhnlichen (superelastischen) NiTi-Bogen.
Liegt sie bei 30oC, ist der Bogen bei Raumtemperatur verformbar und erst im Mund superelastisch und wir reden von thermoaktiven NiTi-Bögen.
Allerdings gibt einen Übergangsbereich/ eine Übergangsphase. Thermoaktives Nitinol verliert erst bei etwa 5oC seine Elastizität völlig und oberhalb der Aktivierungstemperatur hat es "superelastische" Eigenschaften. Dazwischen ist es bedingt verformbar bzw. bedingt elastisch, wiss.: pseudoplastisch/ pseudoelastisch. Da wir in diesem Falle die martensitischen Eigenschaften nutzen, wird mitunter auch die Bezeichnung "Martensitische Bögen" verwendet.

Vergleich Stahl - NiTi - NiTi-Thermoaktiv (am Beispiel eines 17x25er Querschnittes)

* 1 cN entspricht der anschaulicheren Gewichtseinheit 1 g

Das Diagramm zeigt folgendes: Nitinol ...

  • erzeugt bei gleicher Auslenkung wesentlich geringere Kräfte als Stahl,
  • ermöglicht eine höhere Auslenkung - also grössere Biegewinkel,
  • zeichnet sich durch einen moderaten Karftzuwachs bei wachsender Auslenkung aus, der bei thermoaktivem Material nahezu konstant ist.
Welchen Vorteile haben thermoaktive Bögen?
Thermoaktive NiTi-Bögen sind bei Raumtemperatur plastisch verformbar. Dies ermöglicht ein "spannungsärmeres" Einligieren, insbesondere bei großen Stufen und kann beim ersten Bogen die Schmerzbelastung für den Patienten reduzieren. Das gelingt besonders gut, wenn die Aktivierungstemperatur knapp über der Körpertemperatur liegt, um den oben erwähnten Übergangsbereich zu nutzen.
Von noch größerer Bedeutung ist allerdings die hervorragende, beinahe konstante Elastizität in einem weiten Verformungsbereich. Diese ermöglicht sanfte und kontinuierliche3 Zahnbewegungen.


1... 55% Nickel und 45% Titan war die ursprüngliche Zusammensetzung. Die deutsche Dentalindustrie hat für Nickel-Titan Legierungen die Werkstoffkennziffer 3.200 vergeben (Copper NiTi: 3.201) und definiert die Legierung wie folgt: 50-60% Nickel, Rest Titan + Spuren von Kohlenstoff, Aluminium, Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff.
2
... Das Attribut superelastisch wird im Zusammenhang mit Nitinol willkürlich vergeben und hat eher einen verkaufsfördernden Wert. Einige Hersteller nennen ihre Nitinol-Bögen grundsätzlich "superelastisch", währen andere unterschiedliche Elastizitätsklassen anbieten und mit "superelastisch" diejenigen mit dem geringsten Kraftniveau bezeichnen. Im Vergleich mit Stahl ist Nitinol allerdings durchaus stets superelastisch (Diagramm).
3... Nur der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass die in Verbindung mit superelastischen Drähten, insbesondere durch selbstlegierende Brackets, erreichbaren "schnellen" und kontinuierlichen Zahnbewegungen zum Erzielen immer kürzerer Behandlungszeiten durchaus umstritten sind, da sie vom betroffenen Gewebe nicht unbedingt schadlos hingenommen werden. Größere Kräfte mit degressivem Kraftverlauf, wie sie für Stahlbögen charakteristisch sind, können also physiologisch vorteilhafter sein.
Siehe auch: Weiland, F.: „Kontinuierliche versus nicht-kontinuierliche Kräfte in der Kieferorthopädie, die Wirkung auf initiale Zahnbewegung und Wurzelresorption“, 2001, A 880, Qintessenz Verlag, Berlin.

 Nickel-Titan-Bögen bei KFO kompakt. 

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