Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft einen zahnmedizinischen Artikel wie
zum Beispiel eine kieferorthopädische Klammer oder einen
Zahnregulierungsdraht, die bzw. der auf einer oder mehreren
Seiten mit einem harten, relativ dünnen Kohlenstoffüberzug
versehen ist.
2. Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
-
Metallegierungen sind für die Herstellung von Gegenständen
zur Zahnbehandlung weit verbreitet. Nichtrostender Stahl wird
beispielsweise allgemein für die Herstellung von
Zahnklammern, Mundröhrchen, Zahnregulierungsdrähten und Bändern für
die kieferorthopädische Behandlung verwendet. Andere
Legierungen werden für Substrate verwendet, die als Basis oder
Abdruckkappe für Porzellan bei der Herstellung einer Krone
dienen.
-
Für zahnmedizinische Gegenstände verwendete Metallegierungen
liegen in der Mundhöhle oft frei und kommen über längere Zeit
mit der Mundschleimhaut und dem Speichel in Kontakt.
Kieferorthopädische Klammern werden beispielsweise über die
Zahnaußenseiten aufgesetzt und stehen während der Behandlung im
allgemeinen ständig in Kontakt mit dem Speichel. Derartige
Klammern können auch hin und wieder mit der Zunge des
Patienten oder den Innenseiten der Wangen oder Lippen des Patienten
in Kontakt kommen. Kieferorthopädische Mundröhrchen,
Zahnregulierungsdrähte und Bänder liegen in ähnlicher Weise frei.
Die metallene Basis von Zahnkronen und Brücken ist im
wesentlichen mit Porzellan bedeckt, liegt aber am Rand, direkt am
Zahnfleisch frei und kommt demzufolge in Kontakt mit dem
Speichel und manchmal auch dem Zahnfleisch oder einem anderen
Gewebe im Mund.
-
Es wurde häufig berichtet, daß bestimmte Metalle bei einem
gewissen Prozentsatz der Bevölkerung eine allergische
Reaktion herbeiführen. Diese Metalle sind bei zahnmedizinischen
Gegenständen weit verbreitet, und man nimmt an, daß die Metalle
aus diesen zahnmedizinischen Gegenständen in den Patienten
diffundieren und bei einigen Patienten eine allergische
Reaktion herbeiführen. Berichte in der Literatur deuten
beispielsweise darauf hin, daß Nickel in Verdacht steht, eine
Entzündung (und manchmal Ausschläge oder Bläschen) des
Mundgewebes zu verursachen. Ein rascher Abbau des
Alveolarknochens ist Berichten zufolge auf die Verwendung von Kronen aus
einer Metallegierung bei Patienten mit einer
Überempfindlichkeit gegen Nickel zurückzuführen.
-
Der Nickelanteil in zahnmedizinischen Gegenständen schwankt
oft von Hersteller zu Hersteller und kann auch bei
verschiedenen Artikeln unterschiedlich sein. Kieferorthopädische
Vorrichtungen wie Klammern, Mundröhrchen, Bänder und
Zahnregulierungsdrähte bestehen häufig aus nichtrostendem Stahl mit
einem Nickelgehalt im Bereich von 8 bis 17 Gew.-%.
Metallsubstrate für Zahnkronen und Brücken werden oft aus einer
Legierung mit einem Nickelgehalt von etwa 70 Gew.-% gegossen.
Einige Zahnregulierungsdrähte bestehen aus einer Nickel-
Titan-Legierung mit einem Nickelgehalt von 50 bis 55 Gew. -%.
-
Chrom in Metallegierungen von zahnmedizinischen Gegenständen
steht ebenfalls unter Verdacht, bei einigen Patienten eine
allergische Reaktion herbeizuführen. Der Chromgehalt von
kieferorthopädischen Artikeln aus nichtrostendem Stahl liegt oft
im Bereich von 17 bis 20 Gew.-%. Der Chromgehalt von
Legierungen für Kronen- und Brückensubstrate liegt oft im Bereich
von 12 bis 30 Gew.-%.
-
Die Korrosion wird auch als großes Problem bei herkömmlichen
zahnmedizinischen Gegenständen aus Metallegierungen genannt.
Durch Korrosion aufgrund von Salzen und Säuren in der
Mundhöhle kann die Oberfläche von zahnmedizinischen Gegenständen
aus Metall korrodieren und Löcher bekommen, so daß es Stellen
gibt, wo sich Bakterien ansammeln können. Die Ansammlung von
Bakterien ist vor allem ein Problem in Bereichen, die mit
einer Zahnbürste nicht zugänglich sind.
-
Zahnmedizinische Gegenstände werden manchmal aus anderen
Materialien als nickel- und chromhaltigen Metallegierungen
hergestellt und können für Patienten verwendet werden, die gegen
diese Elemente empfindlich sind. Kieferorthopädische Klammern
können beispielsweise aus monokristallinem oder
polykristallinem Aluminiumoxid hergestellt werden. Klammern aus
nichtrostendem Stahl sind jedoch im allgemeinen
kostengünstiger als Klammern aus Keramik und werden von vielen
Kieferorthopäden bevorzugt. Klammern aus Keramik üben bekanntlich
gegen Zahnregulierungsdrähte auch einen höheren
Reibungswiderstand aus, was ein Nachteil ist, da die erhöhte Reibung die
Bewegung der Zähne verlangsamt und die Behandlungsdauer
hinauszögern kann.
-
Die Beschichtung von zahnmedizinischen Gegenständen mit einem
Kunstharzmaterial wurde bereits vorgeschlagen. In dem US-
Patent Nr. 4,050,156 werden beispielsweise Gegenstände
beschrieben, die mit einer Schicht para-Oxybenzoylhomopolyester
und Polytetrafluorethylen und einem Pigment zur Anfärbung des
Zahnes überzogen sind. Weitere optisch ansprechende Überzüge
aus polymeren Werkstoffen sind in den US-Patenten Nr.
3,504,438; 4,722,689 und 4,946,347 beschrieben.
-
Das US-Patent Nr. 4,626,209 beschreibt außerdem eine
kieferorthopädische Klammer mit einer Verbindungsbasis, die mit
einem korrosionsbeständigen Metallpulver beschichtet ist, das
ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend nichtrostenden Stahl,
Nickellegierungen, Cobaltlegierungen, Titan und Titancarbid,
um die Verbindung der Basis mit dem Zahn zu verbessern. Das
US-Patent Nr. 4,902,224 beschreibt eine Basis für
kieferorthopädische Klammern, die mit einem siliciumdioxidhaltigen
Material beschichtet ist, um die Verklebung mit dem
Zahnzement zu verbessern. Ein in dem US-Patent Nr. 4,780,079
beschriebener Zahnartikulator ist zwecks Abtötung von Bakterien
mit einem Cobaltüberzug versehen.
-
Weitere Vorveröffentlichungen sind die JP-A-1 256 949, die
einen aus Harz bestehenden künstlichen Zahn betrifft, der auf
seiner Außenseite eine transparente Schicht aus hartem
Kohlenstoff aufweist; und die JP-A-5 982 851, die die Verwendung
von mit Diamant oder diamantartigem Kohlenstoff beschichtetem
Stelite, Titan oder Aluminium zur Verwendung bei künstlichen
Nieren, künstlichen Herzen, künstlichen Zähnen etc. betrifft,
wobei dieses Material angeblich eine hohe Abriebbeständigkeit
besitzt und das Blut nicht gerinnen läßt.
-
Während die oben aufgeführten Patente beschichtete
zahnmedizinische Gegenstände betreffen, wird das Problem der
Diffusion von Nickel oder Chrom aus der Legierung nicht
angesprochen. Im Stand der Technik besteht nach wie vor ein Bedarf an
einem beschichteten zahnmedizinischen Gegenstand, der aus
Materialien besteht, die relativ kostengünstig sind, und der
dennoch die Wahrscheinlichkeit allergischer Reaktionen
vermindert, die Berichten zufolge von herkömmlichen
zahnmedizinischen Artikeln hervorgerufen werden.
Zusamenfassung der Erfindung
-
Gemäß der Erfindung wird ein kieferorthopädischer Gegenstand
gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
-
Bei der vorliegenden Erfindung ist ein zahnmedizinischer
Gegenstand mit einem harten Kohlenstoffüberzug versehen.
Vorzugsweise
besteht der Überzug im wesentlichen aus einem
polykristallinen Diamantüberzug, einem diamantartigen amorphen
wasserstofffreien Kohlenstoffüberzug, einem diamantartigen
hydrierten amorphen Kohlenstoffüberzug oder aus Kombinationen
derselben.
-
Man hat festgestellt, daß ein durchgehender harter
Kohlenstoffüberzug gemäß der Erfindung eine Sperre bildet, die im
wesentlichen die Diffusion von Nickel und Chrom aus einer
darunterliegenden Metallegierung an die Oberfläche des
Überzugs verhindert. Infolgedessen eignet sich die Erfindung für
zahnmedizinische Gegenstände, die Patienten eingesetzt
werden, die gegen Nickel und Chrom empfindlich sind. Außerdem
hat sich gezeigt, daß der auf kieferorthopädische Klammern
und Zahnregulierungsdrähte aufgebrachte harte
Kohlenstoffüberzug die Gleitmechanik zwischen Klammern und
Zahnregulierungsdrähten verbessert, indem er den
Reibungskoeffizienten herabsetzt. Der Überzug führt auch zur
Korrosionsbeständigkeit eines darunterliegenden Metallsubstrats, das
andernfalls beim Gebrauch in der Mundhöhle korrodieren könnte.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
-
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines
zahnmedizinischen Gegenstandes gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
wobei der Gegenstand eine kieferorthopädische Klammer umfaßt;
-
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines
zahnmedizinischen Gegenstandes gemäß einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung, wobei der Gegenstand ein kieferorthopädisches
Mundröhrchen umfaßt;
-
Fig. 3 ist eine Querschnittsansicht eines zahnmedizinischen
Gegenstandes gemäß einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung, wobei der Gegenstand einen kieferorthopädischen
Zahnregulierungsdraht umfaßt;
-
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines
zahnmedizinischen Gegenstandes gemäß einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung, wobei der Gegenstand ein Zahnband umfaßt;
-
Fig. 5 ist ein zahnmedizinischer Gegenstand, der keine
Ausführungsform der Erfindung darstellt, wobei der Gegenstand
ein Kronen- oder Brückensubstrat umfaßt; und
-
Fig. 6-7 sind graphische Darstellungen des relativen Gehalts
an Kohlenstoff, Nickel und Chrom im Vergleich zur
Zerstäubungszeit für nicht erwärmte und erwärmte Proben mit einem
harten Kohlenstoffüberzug.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
-
Beschichtete zahnmedizinische Gegenstände gemäß verschiedenen
Ausführungsformen der Erfindung sind in Fig. 1-4 dargestellt.
In jedem Fall umfaßt der Gegenstand ein Substrat, das mit
einem dünnen Überzug aus hartem Kohlenstoff versehen ist, der
im wesentlichen durchgehend ist, und der vorzugsweise
durchgehend ist.
-
Fig. 1 veranschaulicht einen Gegenstand gemäß der Erfindung,
der in diesem Fall eine bei kieferorthopädischen Behandlungen
verwendete Klammer 10 umfaßt. Die Klammer 10 umfaßt eine
Basis 12, die direkt mit einer Zahnoberfläche verklebt werden
kann, und doppelte Halteflügel 14, 16, die jeweils mit der
Basis 12 verbunden sind. Jeder der Halteflügel 14, 16 hat
einen Schlitz 18 zur Aufnahme eines Zahnregulierungsdrahtes.
Die Ausnehmungen 20 hinter jeder Seite der Halteflügel 14, 16
können eine elastomere Ligatur oder eine Ligatur aus Draht
aufnehmen, die sich auch über den Zahnregulierungsdraht
erstreckt, um den Zahnregulierungsdraht in den Schlitzen 18 zu
halten.
-
Die Klammer 10 besitzt einen inneren Körper bzw. ein
Substrat, bei dem es sich um ein Gußteil oder ein
spanabhebend hergestelltes Element handeln kann, das aber
vorzugsweise nach einem Sinterverfahren hergestellt wird, bei dem das
gesamte Substrat zunächst als gepreßter Sinterrohling aus
Edelstahlpulver hergestellt und dann auf eine
Sintertemperatur erwärmt wird, um das endgültige Produkt zu erhalten. Die
gesamte Außenseite der Klammer 10 ist mit einem harten
Kohlenstoffüberzug 22 bedeckt, der im folgenden näher
beschrieben wird.
-
In Fig. 2 umfaßt ein zahnmedizinischer Gegenstand gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung ein Mundröhrchen 30,
das mit einem harten Kohlenstoffüberzug 40 bedeckt ist. Das
Mundröhrchen 30 kann an den Backenzähnen befestigt werden und
besitzt einen Kanal 32, der die Enden eines
Zahnregulierungsdrahtes aufnimmt. Ein runder Kanal 34 in der Nähe des Kanals
32 dient zur Aufnahme eines Kopfdrahtes oder eines
Lippenpufferdrahtes, während ein rechteckiger Kanal 36 auf der anderen
Seite des Kanals 32 einen segmentierten Zahnregulierungsdraht
aufnehmen kann. Außerdem ist ein Haken 38 zur wahlweisen
Verwendung eines elastomeren Kraftmoduls zwischen den Zahnbögen
zur Korrektur von Bißanomalien vorgesehen.
-
Das Mundröhrchen 30 besitzt einen Metallkörper bzw. ein
Metallsubstrat unter dem äußeren Überzug 40. Das Substrat wird
vorzugsweise nach dem oben beschriebenen Sinterverfahren
hergestellt. Das Substrat des Mundröhrchens ähnelt etwas dem in
dem US-Patent Nr. 4,927,362 beschriebenen Mundröhrchen.
-
Ein beschichteter zahnmedizinischer Gegenstand gemäß Fig. 3
umfaßt einen Zahnregulierungsdraht 50, der bei
kieferorthopädischen Behandlungen in Verbindung mit Klammern und
Mundröhrchen wie zum Beispiel der Klammer 10 und dem Mundröhrchen
30 verwendet wird. Der Zahnregulierungsdraht 50 besitzt einen
Metallkern bzw. ein Metallsubstra.t 52, der/das im Querschnitt
rund ist und von einem relativ dünnen harten
Kohlenstoffüberzug 54 umgeben ist. Das Substrat 52 besteht aus
nichtrostendem Stahl oder einer Nickel-Titan-Legierung.
-
Fig. 4 veranschaulicht einen beschichteten zahnmedizinischen
Gegenstand, der ein kieferorthopädisches Band 60 gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt. Das Band 60
umfaßt ein Substrat aus nichtrostendem Stahl, das im
wesentlichen das gleiche ist wie die handelsüblichen Bänder. Das
Substrat ist mit einem harten Kohlenstoffüberzug 62 versehen.
Bänder wie das Band 60 können die Zähne umschließen und
festgeklebt werden, und sie bieten Halt für kieferorthopädische
Klammern, die nicht direkt mit den Zähnen verklebt sind.
-
Ein beschichteter zahnmedizinischer Gegenstand gemäß Fig. 5
umfaßt ein metallenes Kronensubstrat 70, das mit einem harten
Kohlenstoffüberzug 72 bedeckt ist. Wie dargestellt, ist das
Substrat so geformt, daß es einen vorbereiteten Zahn 74
aufnehmen kann. Eine optisch ansprechende Porzellanschicht 76
ist mit dem Überzug 72 verklebt, um eine Krone herzustellen.
Das Substrat 70 kann auch für eine Brücke verwendet werden.
-
Wenngleich der Hauptteil des Überzugs 72 von der
Porzellanschicht 76 bedeckt ist, ist ein am Zahnfleisch liegender Rand
der porzellanschicht 76 verjüngt und endet kurz vor dem am
Zahnfleisch liegenden Rand des Überzugs 72, der die
darunterliegenden Teile des Substrats 70 bedeckt, damit der Zahnarzt
die Krone anbringen kann, ohne das Zahnfleisch besonders zu
verletzen. Der Überzug 72 bedeckt den am Zahnfleisch
liegenden Rand des Substrats 70 und stellt eine Sperre aus Nickel
und Chrom zwischen dem Substrat 70 und dem Speichel bzw. dem
Zahnfleisch 78 her.
-
Der harte Kohlenstoffüberzug des Gegenstands der vorliegenden
Erfindung stellt einen polykristallinen Diamantüberzug, einen
diamantartigen amorphen wasserstofffreien Kohlenstoffüberzug,
einen diamantartigen hydrierten amorphen Kohlenstoffüberzug
oder Kombinationen derselben dar. Die harten
Kohlenstoffüberzüge der vorliegenden Erfindung zeigen bei Verwendung der
Raman-Spektroskopie im allgemeinen eine Intensität im Bereich
von etwa 1300-1500 cm&supmin;¹, wenn der Überzug eine Dicke von
mindestens 0,15 µm besitzt.
-
Herkömmlicherweise ist Diamant durch eine SP³-Bindung
zwischen den Atomen gekennzeichnet, und Graphit ist durch eine
SP²-Bindung zwischen den Atomen gekennzeichnet. Diamantartige
Stoffe zeigen sowohl SP²- als auch SP³-Bindung. Die harten
Kohlenstoffüberzüge der vorliegenden Erfindung zeigen
wenigstens etwas SP³-Bindung.
-
Zum Beschichten eines Substrates kann eine Reihe von
Abscheidungsverfahren verwendet werden, und diese sind näher
beschrieben in einem Artikel mit dem Titel "Diamond and
diamondlike films: Deposition processes and properties", verfaßt
von C. V. Deshpandey und R. F. Bunshah (J. Vac. Sci. Technol.
A, Bd. 7, Nr. 3, Mai/Juni 1989). Diese Verfahren umfassen
chemische Aufdampfverfahren wie zum Beispiel das chemische
Transportverfahren, chemische Aufdampfverfahren (CVD-
Verfahren) mit Glühdraht und das elektronenunterstützte
chemische Aufdampfen (EACVD) sowie das plasmaunterstützte
chemische Aufdampfen und das ionenstrahlunterstützte Aufdampfen.
-
Ein derzeit bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines
polykristallinen Diamantüberzugs für die Herstellung eines
zahnmedizinischen Gegenstandes gemäß der Erfindung ist das
plasmaunterstützte chemische Aufdampfen. Vorzugsweise werden
diamantartige amorphe wasserstofffreie Kohlenstoffüberzüge über
ein kathodisches Lichtbogenverfahren oder ein
Ionenstrahlbedampfungsverfahren auf ein Substrat aufgebracht, während
diamantartige hydrierte amorphe Kohlenstoffüberzüge über ein
plasmaunterstütztes chemisches Aufdampfverf ahren aufgebracht
werden.
-
Vorzugsweise haben die diamantartigen Überzüge der Erfindung
eine Dicke im Bereich von etwa 0,05-30 µm, mehr bevorzugt im
Bereich von etwa 0,1-3 µm und am meisten bevorzugt im Bereich
von etwa 0,1-0,3 µm. Polykristalline Diamantüberzüge der
erfindungsgemäßen Gegenstände haben vorzugsweise eine Dicke im
Bereich von etwa 0,1-50 µm, mehr bevorzugt im Bereich von
etwa 1-10 µm, und am meisten bevorzugt im Bereich von etwa 2-3
µm. Gegenwärtig hat die am meisten bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung eine Überzugsdicke von 0,2 µm und besteht im
wesentlichen aus diamantartigem amorphem wasserstofffreiem
Kohlenstoff.
-
Relativ dünne diamantartige Überzüge sind insoweit von
Vorteil als diese Überzüge kostengünstiger sind als
polykristalline Diamantüberzüge Außerdem können dickere Überzüge
den Gegenstand nachteilig beeinflussen; ein auf das Substrat
eines kieferorthopädischen Zahnregulierungsdrahtes
aufgebrachter relativ dicker Überzug kann beispielsweise die
verfügbare Kraft beeinträchtigen, mit der die Zähne bei einem
Draht mit einer vorgegebenen Gesamtquerschnittsfläche
verschoben werden können.
-
Oberflächenverunreinigungen wie zum Beispiel Oxide oder
Nitride auf dem Substrat werden vorzugsweise durch ein
Reinigungsverfahren entfernt, bevor das
Kohlenstoffaufdampfverfahren in Gang gesetzt wird. Für das Reinigungsverfahren können
Ionenzerstäubungsverfahren verwendet werden. Wenn
Oberflächenoxide von Metallsubstraten entfernt werden, kann der
auftreffende Kohlenstoff mit dem blanken Metall reagieren und
einen carbidartigen Stoff zwischen dem Substrat und dem
entstehenden reinen Kohlenstoffüberzug bilden. Der carbidartige
Stoff bildet eine Übergangsschicht, die die Haftung zwischen
einem harten Kohlenstoffüberzug und dem Substrat verbessern
kann. Außerdem kann eine Grundierung wie zum Beispiel eine
Titanschicht die Bindung zwischen dem Überzug und dem
Substrat verbessern.
-
Der harte Kohlenstoffüberzug des zahnmedizinischen
Gegenstands der Erfindung stellt eine diffusionsbeständige Sperre
dar, die ein Entweichen von Chrom und Nickel aus
nichtrostendem Stahl und anderen Legierungen stark herabsetzt. Außerdem
bietet der Überzug eine bessere Beständigkeit gegen die
Korrosion metallischer Substrate beim Kontakt mit dem
Mundmilieu. Des weiteren sind harte Kohlenstoffüberzüge im
wesentlichen durchsichtig und infolgedessen optisch ansprechender
als ein harter Überzug, der beispielsweise aus Carbid oder
Nitrid besteht.
-
Die mit hartem Kohlenstoff beschichteten zahnmedizinischen
Gegenstände besitzen einen relativ niedrigen
Reibungskoeffizienten, was einen besonderen Vorteil darstellt, wenn der
Gegenstand bei der kieferorthopädischen Behandlung mit einer
Gleitmechanik versehen ist. Wenn beispielsweise der Überzug
54 auf dem Zahnregulierungsdraht 50 mit den Schlitzen 18 der
Klammer 10 in Eingriff steht, erfährt die längsgerichtete
Gleitbewegung des Zahnregulierungsdrahtes 50 in bezug auf die
Klammer 10 eine verminderte Reibung im Vergleich zu ähnlichen
unbeschichteten Gegenständen. Aufgrund der verminderten
Reibung kann sich der zu der Klammer 10 gehörige Zahn unter der
Einwirkung der von dem Kieferorthopäden gewählten induzierten
Kräfte leichter über die Länge des Zahnregulierungsdrahtes 50
bewegen.
HERSTELLUNG VON PROBEN
-
Es wurden Testproben hergestellt unter Verwendung eines
kathodischen Lichtbogenaufdampfverfahrens, mit dem ein
diamantartiger amorpher wasserstofffreier Kohlenstoffüberzug auf
Substrate aufgebracht wurde. Das verwendete Aufdampfverfahren
war im wesentlichen das gleiche wie das in einem Artikel mit
dem Titel "Properties of the Diamond-like Carbon Film
Produced by the Condensation of a Plasma Stream with an RF
Potential", verfaßt von V. E. Strelnitskii et al (Sov. Phys. Tech.
Phys. 23 (2), Februar 1978). Am Probenhalter wurde eine
Gleichstromvorspannung von -25 bis -35 Volt gemessen. Die
Lichtbogenentladung wurde mit einer mechanischen
Zündvorrichtung ausgelöst und mit einer Schweißstromquelle von Miller
(Intelliweld 650), die im Stromregelungsmodus arbeitete, auf
100 A gehalten. Die Lichtbogenspannung schwankte zwischen 40
und 50 Volt und erzeugte ein Kohlenstoffplasma, das die
Kohlenstoffquelle für den Überzug darstellte. Das Plasma wurde
mit Hilfe eines Magnetfeldes mit einer Stärke im Bereich von
25 bis 100 Gauß zu den Substraten befördert.
-
Es wurden flache Proben hergestellt, indem ein flaches
Substrat in einer Vakuumkammer der Aufdampfvorrichtung in
einer solchen Ausrichtung angebracht wurde, daß eine
Testoberfläche der Probe der Kohlenstoffkathode gegenüberlag. Für die
Herstellung von Klammerproben verwendete Substrate für
kieferorthopädische Klammern wurden in der Testkammer
angebracht, indem die zum Zahn hinweisende Seite der Klammerbasis
in einer Richtung weg von der Kohlenstoffkathode angeordnet
wurde, so daß die Halteflügel und die Schlitze für den
Zahnregulierungsdraht der Kathode gegenüberlagen. Zur Herstellung
beschichteter Zahnregulierungsdrahtproben verwendete
Substrate für kieferorthopädische Zahnregulierungsdrähte wurden in
der Vakuumkammer befestigt, indem man die Enden gerader
Abschnitte der Zahnregulierungsdrähte in einer solchen
Ausrichtung einspannte, daß die Längsachse des
Zahnregulierungsdrahtes senkrecht zu der Kammerachse verlief (die in einer
Richtung vom Mittelpunkt des Substrates des
Zahnregulierungsdrahtes zu der Kathode verlief). Die Substrate der
Zahnregulierungsdrähte wurden an einer Platte befestigt, die um die
Kammerachse gedreht wurde.
-
Vor dem Beschichten eines jeden Substrates wurde eine
Kauffman-Argonionenstrahlquelle (Commonwealth Scientific
Corporation, 3 cm Ionenstrahlquelle) ungefähr 5 Minuten auf jedes
Substrat gerichtet, um jedes Substrat durch Zerstäuben zu
reinigen und Oxide und andere Verunreinigungen von der
Oberfläche zu entfernen. Dazu wurde einen Ionenenergie von 1000
Volt und eine Stromstärke des Ionenstrahls von 30 bis 40 mA
verwendet. Der Abstand zwischen der Ionenstrahlquelle und der
Probe betrug ungefähr 15 cm. Wenn nicht anders angegeben,
wurde jedes Substrat dann 12 mal für jeweils 5 Sekunden dem
Kohlenstoffplasma ausgesetzt bei einer Aufdampfzeit von
insgesamt 60 Sekunden.
BEISPIEL 1
-
Ein 0,2 mm dünnes Metallblech aus einer Legierung mit einem
relativ hohen Nickelgehalt (ähnlich wie Legierungen, die
unter dem Warenzeichen "Permaloy" verkauft werden) wurde zu
einem quadratischen Substrat von etwa 10 cm x 10 cm geschnitten
und nach dem in dem Kapitel HERSTELLUNG VON PROBEN
beschriebenen Verfahren beschichtet. Die beschichtete Probe wurde
dann zu zwei quadratischen Testproben von etwa 1,3 x 1,3 cm
geschnitten.
-
Ein Perkin-Elmer Auger System (PHI Modell Nr. 595) wurde
verwendet, um von jeder Probe in verschiedenen Tiefen des
Überzugs ein Auger-Spektrum zu erhalten. Zu Beginn wurde die
Elementzusammensetzung des oberflächennahen Bereichs ermittelt.
Als nächstes wurde der oberflächennahe Bereich abgetragen
durch Zerstäuben mit einem Argonionenstrahl von 3000 Volt, 75
µ A/cm² für die Dauer von 30 Sekunden. Die
Elementzusammensetzung des neu freigelegten oberflächennahen Bereichs wurde
anhand eines weiteren Auger-Spektrums ermittelt und
aufgezeichnet. Das Zerstäuben und die Auger-Analyse wurde
wiederholt, bis der Überzug von dem Substrat entfernt war.
-
Die Kurven für die Konzentration vs. Zerstäubungszeit (mit
einem Spline-Anschlußalgorithmus) für eine Kontrollprobe sind
in Fig. 6 dargestellt, wobei A eine Kohlenstoff darstellende
Kurve ist, B eine Nickel darstellende Kurve ist und C eine
Chrom darstellende Kurve ist. Da jedes Zeitintervall beim
Zerstäuben zusätzliche Oberflächenbereiche abtrug, korreliert
die gesamte Zerstäubungszeit in gewisser Weise mit der Tiefe
der abgetragenen Oberfläche der Probe. Fig. 6 ist daher in
gewisser Weise repräsentativ für die relativen
Konzentrationen von Kohlenstoff, Nickel und Chrom in verschiedenen Tiefen
der Probe.
-
Eine weitere Probe wurde 24 Stunden bei 250ºC in einem
Schwerkraftofen (Stabil-Therm, Modell OV-12A, von Blue-M)
geglüht. Ein Quecksilberthermometer ragte oben aus dem Ofen und
wurde zur Überwachung der Temperatur verwendet. Das Auger-
Spektrum wurde für den oberflächennahen Bereich der Probe
ermittelt und dann wieder nach dem Ionenstrahlzerstäuben, wie
es oben in Verbindung mit der Kontrollprobe beschrieben ist,
und die Ergebnisse sind in Fig. 7 dargestellt (wo die Kurven
D, E, F Kohlenstoff, Nickel und Chrom darstellen).
-
Die Daten in Fig. 6 und 7 zeigen, daß die Konzentration von
Nickel und Chrom bei der geglühten Probe nach einer
bestimmten Zerstäubungszeit nicht größer ist als die Konzentration
von Nickel und Chrom in der nichtgeglühten Probe nach Ablauf
der gleichen Zerstäubungszeit. Dies zeigt, daß der Überzug
eine beachtliche Sperre gegen die Diffusion von Nickel und
Chrom darstellte. Da es sich bei der Diffusion um einen
thermisch aktivierten Vorgang handelt, wird angenommen, daß der
harte Kohlenstoffüberzug eines zahnmedizinischen Gegenstandes
im wesentlichen verhindern würde, daß Chrom und Nickel zur
Oberfläche diffundieren und mit dem Speichel oder Mundgewebe
des Patienten in Berührung kommen, wenn sie den normalerweise
in der Mundhöhle auftretenden Temperaturen ausgesetzt sind.
BEISPIEL 2
-
Die Gleitreibung wurde zwischen verschiedenen Kombinationen
von unbeschichteten und beschichteten kieferorthopädischen
Klammern und Zahnregulierungsdrähten verglichen. Beschichtete
Klammern wurden hergestellt wie in dem Kapitel HERSTELLUNG
VON PROBEN beschrieben, wobei eine für die Mitte des
Oberkiefers verwendete Keramikklammer (Klammern der Marke
"Transcend", Kat. Nr. 2001-801, 3M Unitek) aus Aluminiumoxid
und eine spritzgegossene winzige metallene Doppelklammer für
den rechten oberen Eckzahn (Kat. Nr. 017-206, 3M Unitek) aus
nichtrostendem Stahl ASTM Typ 630 (17Cr-4Ni) verwendet wurde.
Proben von beschichtetem Zahnregulierungsdraht wurden
hergestellt nach dem Kapitel HERSTELLUNG VON PROBEN aus einem 0,43
mm x 0,63 mm (0,017 Zoll x 0,025 Zoll) messenden 18 cm langen
Stück Zahnregulierungsdraht aus nichtrostendem Stahl
(Zahnregulierungsdraht der Marke "Hi-T II Twist Flex"; Kat.
Nr. 256-725; 3M Unitek) und einem Zahnregulierungsdraht aus
Nickel-Titan (Zahnregulierungsdraht der Marke Nitinol SE,
Kat. Nr. 297-002, 3M Unitek).
-
Elastomere Ligaturen (Ligaturen der Marke "Alastic", Kat. Nr.
406-011; 3M Unitek) wurden verwendet, um die
Zahnregulierungsdrähte in die Zahnregulierungsdrahtschlitze der Klammern
einzubinden. Ein Ende jedes Zahnregulierungsdrahtes wurde
wiederum an einem Zugprüfgerät der Marke Instron Typ 1123
befestigt. Die Klammer wurde in einer solchen Ausrichtung
angebracht, daß der Zahnregulierungsdraht in einer Richtung
gezogen wurde, die mit dem Teil des mit der Klammer verbundenen
Drahtes ausgerichtet war.
-
Jeder Zahnregulierungsdraht wurde von der Instron-Vorrichtung
durch den Zahnregulierungsdrahtschlitz der entsprechenden
Klammer mit einer Geschwindigkeit von 0,5 mm pro Minute
gezogen. Die zum Ziehen des Zahnregulierungsdrahtes über eine
Gesamtstrecke von 0,152 mm erforderliche Kraft in Gramm wurde
auf einem Streifenschreiber mit einer Vorschubgeschwindigkeit
von 25,4 cm pro Minute aufgezeichnet. Die zum Überwinden der
Reibung geleistete Arbeit wurde ermittelt und ist in Tabbelle
I für die verschiedenen Kombinationen von Klammer und
Zahnregulierungsdraht angegeben.
TABELLE I
ZUR ÜBERWINDUNG DER REIBUNG GELEISTETE ARBEIT, IN g/cm
-
Die Daten zeigen, daß zwischen Keramikklammern und
Zahnregulierungsdraht aus nichtrostendem Stahl oder Nickel-Titan
wesentlich weniger Reibungskraft auftritt, wenn entweder die
Klammer oder der Zahnregulierungsdraht mit einem harten
Kohlenstoffüberzug versehen ist. Eine leichte Verbesserung der
relativen Reibungskraft zwischen der Metallklammer und dem
Zahnregulierungsdraht aus Nickel-Titan wurde festgestellt,
wenn einer von beiden beschichtet war. Keine wesentliche
Verbesserung der Reibungskraft zwischen einer Metallklammer und
einem Zahnregulierungsdraht aus nichtrostendem Stahl wurde
festgestellt, wenn einer von beiden oder beide beschichtet
waren. Für die gemäß Tabelle I bestehende höhere
Reibungskraft zwischen einer beschichteten Metallklammer und einem
unbeschichteten Zahnregulierungsdraht aus nichtrostendem
Stahl ist keine Erklärung bekannt.
BEISPIEL 3
-
Potentiodynamische Messungen des Polarisationswiderstandes
wurden durchgeführt, um die Korrosionsbeständigkeit von
Proben aus nichtrostendem Stahl gegenüber mit hartem Kohlenstoff
beschichteten Proben aus nichtrostendem Stahl zu vergleichen.
Ein Blech aus nichtrostendem Stahl, Typ SS430, wurde zu drei
flachen Proben von etwa 1,9 cm x 1,9 cm x 1,9 cm geschnitten.
Eine Probe wurde unbeschichtet gelassen, und zwei Proben
wurden nach den in dem Kapitel HERSTELLUNG VON PROBEN
beschriebenen Verfahren beschichtet.
-
Das Testverfahren wurde nach den üblichen ASTM-Methoden G3-
89, G59-78 (1984) und G102-89 durchgeführt, mit der Ausnahme,
daß kein Wasserstoffstrom verwendet wurde. Die Fläche des
Kontakts der Probe mit der Elektrolytlösung wurde durch einen
O-Ring aus Polytetrafluorethylen auf eine Kreisfläche von 1,0
cm² begrenzt.
-
Unter Verwendung einer flachen Elektrodenzelle (EG&G PARC)
wurden Experimente durchgeführt mit einer Vergleichsprobe aus
Silber/Silbernitrat und einer Brückenlösung aus 1,0 N
Schwefelsäure. Unter dem Warenzeichen "Soft Corr" (EG&G PARC M342)
vertriebene Software wurde auf einem Rechner IBM PS/2 Typ 70
zur Steuerung eines Potentiostats (EG&G PARC M273) verwendet.
-
Die Testergebnisse zeigten eine Stromdichte von 0,28 µm/cm²
für die unbeschichtete Probe, 0,05 µm/cm² für die 17 Sekunden
lang beschichtete Probe, und 0,02 µ/cm² fur die 30 Sekunden
lang beschichtete Probe. Die Daten zeigen, daß die
beschichteten Proben eine bedeutend höhere Korrosionsbeständigkeit
besaßen als die unbeschichtete Probe, und daß die
Korrosionsbeständigkeit mit zunehmender Dicke des Überzugs zunehmen
kann.
BEISPIEL 4
-
Eine Verschleißprüfung wurde durchgeführt, um die
Verschleißeigenschaften von mit hartem Kohlenstoff beschichteten
und unbeschichteten Proben zusammen mit den
Verschleißeigenschaften von gegenüberliegendem Zahnschmelz in einer das
Mundmilieu simulierenden Vorrichtung zu bestimmen.
-
Es wurden zwei flache Proben aus polykristallinem
Aluminiumoxid (Ceralloy Nr. 514F) hergestellt, und eine Probe wurde
mit einem harten Kohlenstoffüberzug gemäß dem Kapitel
HERSTELLUNG VON PROBEN versehen.
-
Eine Verschleißprüfung wurde durchgeführt mit der Vorrichtung
und dem Verfahren laut dem Artikel mit dem Titel "An
Artificial Oral Environment for Testing Dental Materials" von R.
DeLong und W. Douglas (IEEE Transactions on Biomedical
Engineering, Bd. 38, Nr. 4, April 1991, S. 339-345). Die
Vorrichtung wurde für 3000 Zyklen verwendet.
-
Weder auf der mit hartem Kohlenstoff beschichteten
Keramikprobe noch auf der unbeschichteten Probe wurde Verschleiß
festgestellt. Jedoch wurde eine Volumenverminderung des
Zahnschmelzes von 0,0402 ± 0,0075 mm³ festgestellt, wenn dieser
der unbeschichteten Probe gegenüberlag, und eine
Volumenverminderung von 0,0308 ± 0,0062 mm³, wenn dieser der mit hartem
Kohlenstoff beschichteten Probe gegenüberlag. Die
Volumenänderung wurde mit einem dreidimensionalen digitalisierenden
Profilometer mit Kontaktstift ermittelt.
-
Die Daten zeigen, daß der Verschleiß auf dem
gegenüberliegenden Zahnschmelz bei der mit hartem Kohlenstoff beschichteten
Probe etwas geringer war als bei der unbeschichteten Probe,
wenngleich der Unterschied gering war und unter Umständen
nicht entscheidend ist.