本发明通过提供由超弹性合金构成的牙科器械和器具而克服了现有技术 的上述问题。所述牙科器械和器具由于其高抗拉强度而表现出韧性和耐久性。 牙科器械和器具还具有优异的弹性，赋予其独特的特性并减少冷加工导致的断 裂。
在本发明一个示例性实施方式中，提供了用于磨蚀牙齿的牙科切削器械。 牙科切削器械包括杆部，杆部具有一外外周表面(periphery surface)。所述外周 表面的一部分形成磨蚀区段。磨蚀区段被构造成磨蚀牙齿材料，如牙釉质、牙 本质、牙髓等。杆部包括金属合金，金属合金包含至少一种第IVB族的过渡金 属、至少一种第VB族的过渡金属以及氧。金属合金经冷加工，从而提高金属 合金的抗拉强度并降低其弹性模量。
在一个实施方式中，本发明牙科器械和器具通过以下方法形成：将适当摩 尔比的纯钛粉末与如锆、钒、铌和钽之类的其它合金元素粉末混合。金属粉末 的至少一些或其它的添加成分中包含有氧。将掺混的粉末在冷态等压压力机中 压制并真空烧结。然后将烧结的材料进行热锻造、热轧制、在惰性气体中进行 溶解处理(solution treated)并在卤水中淬火。最后，将金属合金冷加工以提高其 强度和柔性。
可采用额外的处理步骤来形成各种不同类型的牙科切削器械和器具。例 如，牙髓锉的制备过程是：冷加工金属合金以形成细长杆轴，然后研磨杆轴而 产生锉。在另一示例性实施方式中，通过冷型锻过程和/或进一步研磨，形成正 畸托架、支柱和成型片(matrix band)。
本发明牙科切削器械和器具具有优于现有技术牙齿切削器械和器具的优 点。例如，本发明牙髓锉具有优异的弹性和硬度，这使操作人员能更好地制备 牙根管。超弹性合金的硬度允许制备更薄更精巧的锉而不损失强度和耐磨性。 或者，如果需要较厚的锉，可制备弹性更好的较厚的锉。
由于合金材料优异的强度，可将其它牙科器械或器具，例如成型片、正畸 托架、牙弓线和橡皮障夹制成更薄更轻的形式。此外，合金的超弹性也有助于 防止冷加工所导致的断裂。
本发明的这些和其它特征从以下描述和附加权利要求变得更加明显。
附图说明
为进一步阐明本发明的上述及其它优点和特征，将参考附图所示具体实施 方式更具体地描述本发明。应理解，这些附图仅仅描绘了本发明的典型实施方 式，因而不应认为是限制本发明的范围。通过采用附图，本发明将以附加的特 异性和细节进行描述和解释，图中：
图1是牙齿的截面视图，描绘了采用现有技术的牙齿切削器械清洁牙根管 期间所形成的凸缘；
图2是本发明的示例性牙髓锉的正视图；
图3是图2所示牙髓锉的截面视图；
图4是牙齿的纵截面视图，其中，权利要求2的牙髓锉插入牙根管到达顶 端；
图5是本发明示例性圆形磨石的正视图；
图6是牙齿的纵截面视图，其中，采用图4的圆形磨石来去除牙根上方的 牙釉质和牙本质；
图7是本发明的示例性精加工锉的正视图；
图8是本发明的示例性钻孔器的正视图；
图9是本发明的示例性磨蚀盘的正视图；
图10是本发明的示例性支柱的正视图；
图11是本发明的示例性邻间防护器的正视图；
图12是本发明的示例性橡皮障夹的正视图；
图13是本发明的示例性成型片的正视图；以及
图14是本发明的示例性正畸系统的正视图。

本发明总的涉及改良的牙科器械和器具，例如牙科切削器械。在一个示例 性实施方式中，本发明的牙科切削器械包括牙钻、锉、磨石和磨轮。牙科切削 器械被构造成能够在如骨、牙釉质、牙本质和牙髓之类的牙组织中切削或钻孔。 牙科切削器械的至少一部分由本发明的合金形成。本发明的牙科器械和器具可 被构造成手动或与其它牙科器械如往复运动工具联用。
在另一个实施方式中，本发明的牙科器械和器具的构型不是为了切削。例 如，诸如成型片、正畸托架、牙弓线、橡皮障夹等的器械和器具也可由本发明 柔性合金制成。
I.超弹性合金
本发明牙科器械和器具可由超弹性合金制成，该超弹性合金赋予器械强度 和柔性。超弹性合金包括选自第IV族和第V族过渡金属的金属和氧。在一个 优选的实施方式中，合金基本上不含镍，因为镍是非生物相容的。在又一个示 例性实施方式中，基本上所有的金属合金包含第IVB族和第VB族过渡金属和 氧。适用于制造本发明范围内的牙科器械和器具的示例性超弹性钛合金的描述 参见美国专利公开2004/0115083。
在一个实施方式中，超弹性合金包含钛(Ti)、锆(Zr)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒 (V)和铪(Hf)的组合。在一个优选的实施方式中，所包含的钛的摩尔浓度小于约 35摩尔百分比，更优选小于约15摩尔百分比，最优选小于约5摩尔百分比。
所包含的氧(O)的浓度约为0.1到约15摩尔百分比。更优选地，氧浓度约 为0.5到约10摩尔百分比，甚至更优选约为0.7到约4摩尔百分比。认为氧对 于结合锆来形成Zr-O族以防止错位活性是重要的，从而在冷加工金属中产生 可塑性。
构成本发明牙科器械的超弹性金属合金包含特定摩尔比的第IVB族和第 VB族过渡金属和氧的组合，从而使金属具有所需的性质。选择摩尔浓度来使金 属合金具有以下特征：(i)成分平均价电子数约为4.24；(ii)键级约为2.87；和(iii) “d”电子轨道能量水平约为2.45eV。满足上述性质的合金组合物的例子包括 具有以下通式的合金：1Ti-12Ta-9Nb-3V-6Zr-1O和1Ti-23Nb-0.7Ta-2Zr-1O(摩 尔百分比)。
本发明的超弹性合金也可冷加工以提高强度和柔性。和大多数金属一样， 通过如型锻等的冷加工，本发明的超弹性合金将变得更强。然而，和大多数其 它金属不同，通过冷加工，本发明超弹性合金还将变得更加柔性。冷加工本发 明合金可防止加工硬化和弹性模量的降低。在一个实施方式中，本发明超弹性 合金通过型锻冷加工而使面积减小约25％。在一个更优选的实施方式中，通过 冷锻，面积减小约50％。甚至更优选的，冷锻使面积减小约75％，最优选的， 冷锻使面积减小约90％。
在一个实施方式中，本发明牙科器械通过以下形成方法形成：首先混合适 当摩尔比的合金元素粉末，如钛、锆、钒、铌和钽。至少一些金属粉末或其它 添加的组分含有氧。
然后，将掺混的粉末在冷态等压压力机中压制并真空烧结。然后，将烧结 的材料进行热锻造、热轧制、在惰性气体中进行溶解处理并在卤水中淬火。最 后，对金属合金冷加工以提高其强度和柔性。
作为具体的例子，本发明的牙科器械由合金形成，其中，所述合金的形成 过程如下：将一定量摩尔比为1Ti-12Ta-9Nb-3V-6Zr-1.5O的合金粉末在研磨混 合机中混合30分钟。使用4摩尔百分比的高氧含量钛粉末来控制氧含量。将 混合的粉末在冷态常压压力机中以约400MPa的压力压制，在10-3Pa的真空 中以1300℃烧结4小时。将烧结锭在1150℃下热锻造，800℃下热轧制，形 成棒。然后在1000℃下，在氩气中对棒进行溶解处理1小时。最后，在卤水 中对棒进行淬火，以型锻的方式冷加工形成为具体形状的冷加工金属合金。可 采用型锻工艺来赋予金属合金初步的所需形状。例如，当需要如锉、磨石或牙 弓线之类的杆状牙科器械或器具时，金属合金可通过旋转型锻成形。在其它例 子，如磨蚀盘中，盘的背部通过扁平孔型轧制成形。
一旦金属合金形成具体形状，可采用额外的加工步骤来形成各种不同类型 的牙科器械和器具。例如，牙髓锉可通过辗磨、切割或化学蚀刻金属合金杆而 形成。可与本发明方法联用来制造牙髓锉的化学蚀刻方法参见2003年5月13 日提交的题为“制造牙髓器械的方法”的美国申请序列第10/436,938号和2004 年11月17日提交的题为“制造牙髓器械的方法”的美国申请序列第10/991,178 号。
II.牙齿切削器械
现在参考图2，在一个实施方式中，本发明牙齿切削器械是牙髓锉210。 牙髓锉210具有手柄218和杆轴212。杆轴212在远端214和近端216间延伸， 并具有一外周表面。
杆轴212典型地直径约为0.5到约1.6mm，长度约为30mm。杆轴212可 成形为具有所需形状。杆轴212可以是圆柱形或者可以向远端214稍微成锥形， 如图2所示。锥度可以是所需的任意程度，但通常约为0.02mm/mm到约0.06 mm/mm。牙髓锉210的具体锥度将取决于指定应用和牙科操作人员的喜好。或 者，杆轴可具有从近端到远端的均一宽度。
杆轴212的长度应足以在牙齿的牙根管内延伸所需的距离。杆轴212可伸 入整个牙根管长度，如图4所示。
在近端216处，手柄218有助于使用者握持牙髓锉210。手柄218可被构 造成手动使用或者与如往复运动的手持件之类的牙科手持件联用。
杆轴212外周表面的一部分形成磨蚀区段220，该区段位于远端214和近 端216之间。磨蚀区段220的长度约为从2mm一直到整个杆轴212的长度。 应理解，磨蚀区段220可在到达远端214之前就结束，如牙冠锉那样，或者可 以是远端214附近的较小长度，如牙槽锉那样。
如图3所示，在一个示例性实施方式中，磨蚀区段220的截面构型为三角 形。顶点222形成螺旋切削刃224。磨蚀区段220可具有任意多边形截面，从 而当杆轴212研磨或扭转时，形成螺旋切削刃224。在一个实施方式中，磨蚀 区段220中形成的一个或多个沟槽形成螺旋切削刃224。在另一个实施方式中， 杆轴具有不同的多边形截面和不同的切削刃。例如，具有方形截面的杆轴形成 四个螺旋切削刃。
杆轴212由本发明超弹性合金构成。如上所述，超弹性合金可包含钛、锆、 一种或多种VB金属以及氧。构成杆轴212的超弹性金属通过型锻冷加工以提 高其强度和弹性。
在一个实施方式中，为形成杆轴212，对金属合金旋转型锻，以形成直径 约7mm的薄杆或线。然后用传统技术研磨杆或线以形成磨蚀区段220。也可采 用其它方法、如切割、扭转、化学蚀刻等或其组合来形成磨蚀区段。
根据所需的作用，杆轴212的一部分或全部由本发明的超弹性合金构成。 在一个示例性实施方式中，整个杆轴212、包括磨蚀区段220由充分冷加工的 本发明合金构成。
由本发明合金制造杆轴212将提供非常柔性的牙髓锉210。低弹性模量和 高抗拉强度的特征都有助于杆轴212的柔性。显然，杆轴212的弹性模量越低， 柔性就越高。此外，由于杆轴212的强度，杆轴212可以非常薄。在大多数情 况下，较薄的杆轴212使牙髓锉具有更高的柔性。即使在需要直径较大的锉的 情况下，杆轴212的柔性将使直径较大的锉具有与现有技术的锉相当的给定柔 性。此外，由于杆轴212如此坚固，磨蚀区段220将更好地保持切削刃224， 从而显著增加牙髓锉210的耐久性。
图4显示了位于牙齿226内的牙髓锉210。去除牙髓腔232上方的牙釉质 228和牙本质230，形成通往牙根管234a和234b。所示牙根管234b仍然具有 牙髓236。牙髓锉210位于牙根管234a内。牙根管234a的牙髓已被去除并由 牙髓锉210对壁整形。为去除牙髓和对壁整形，牙髓锉212在牙根管234a内纵 向移动和旋转。去除牙髓和修整牙根管234a的壁使其准备好接受如杜仲胶的填 充材料。
如图4所示，牙髓锉210的弹性允许牙髓锉210随牙根管234a天然曲率 弯曲。杆轴212的低弹性模量允许其感应相对较小的力即发生弯曲。因为使杆 轴212弯曲所需的力较小，杆轴212抵靠牙根管234a的恢复力相应地较小。此 外，恢复力较小又能使杆轴212更均匀地磨蚀牙根管234a并降低杆轴212形成 凸缘或错误整形牙根管234a的风险。此外，杆轴212的弹性使得牙髓锉210 不太可能断裂或永久变形而需要替换。
现在参考图5，在一个替换实施方式中，本发明的牙科切削器械是牙磨石 310。牙磨石310包括杆轴312，杆轴312在远端314和近端316间延伸，并具 有一外周表面。远端314处的外周表面形成球形磨蚀区段318。牙磨石310可 被构造成手动使用或者与如往复运动手持件之类的手持件联用。
磨蚀区段318上具有粒子320，用于切削如牙釉质或牙本质之类的牙齿材 料。在一个示例性的实施方式中，使用粘合剂将粒子320固定于磨蚀区段318。 粒子320通常是十分坚硬的物质，如金刚石或碳化物。磨蚀区段320的形状可 以是圆形、圆锥形、钝圆、尖锐或任何其它被构造成用于切削牙齿材料的所需 形状。
牙磨石310的杆轴312由本发明的超弹性合金构成。如上所述，本发明的 合金包含第IVB族和第VB族过渡金属的原子以及氧。杆轴312被冷加工以提高 抗拉强度和弹性。本发明的合金可用于制备整个杆轴312。或者，一部分杆轴 312、例如磨蚀区段318可采用本发明合金制备。
图6显示牙磨石310在切削牙齿324。磨蚀区段318的粒子320被构造成 切削穿过牙齿324的牙釉质321和牙本质322。牙磨石310可用于打开牙齿以 提供通往髓腔326的通道。通过选择杆轴312的厚度和形状来控制牙磨石310 的柔性程度。虽然所示牙磨石310为牙髓器械，可根据本发明将牙磨石310设 计成用于牙齿之外。
牙磨石310由本发明的合金构成，使得牙磨石310可弯曲而不会有加工硬 化。采用牙磨石310来切削牙齿320的操作人员常常必需在牙磨石310上施加 力，这个力会使牙磨石310弯曲。牙磨石310的独特性质允许牙磨石310弯曲 而不会有加工硬化或永久变形。
现在转到图7，在另一个可选的实施方式中，本发明牙齿切削器械是精加 工锉410。精加工锉410包括杆轴412，杆轴412在远端414和近端416间延 伸，并具有一外周表面。远端414和近端416间的外周表面形成磨蚀区段418。 精加工锉410可被构造成手动使用或者与如往复运动的手持件之类的手持件联 用。
精加工锉410的杆轴412由本发明的超弹性合金构成。如上所述，本发明 的合金包含来自第IVB族和第VB族的过渡金属的原子以及氧。杆轴412经冷加 工以提高抗拉强度和弹性。本发明的合金可用于制备整个杆轴412。或者，一 部分杆轴412，例如磨蚀区段418可由本发明合金制成。
磨蚀区段418具有沟槽420，沟槽420形成切削刃。磨蚀区段418的形状 和沟槽420的设计可被构造用于特定的牙科操作。磨蚀区段418可以是圆形、 圆锥形、钝圆、尖锐或任何其它所需的形状，该形状使操作人员能够到达特定 牙齿材料或提供切削牙齿材料所需的切削表面。类似地，沟槽420可具有任何 所需的构型。例如，在一替换实施方式中，磨蚀区段具有螺旋围绕杆轴412的 沟槽，使得当精加工锉410在往复运动或上下移动时能进行切削。
杆轴412由本发明的合金构成，因而精加工锉410非常坚硬且柔性。杆轴 412的硬度允许磨蚀区段418维持优良的切削刃。因此，精加工锉410非常耐 用。精加工锉410的柔性可防止加工硬化并赋予精加工锉410使其能到达和接 触各种牙齿表面的机动性。
如图8所示，在另一替换实施方式中，本发明的牙科切削器械是钻孔器510。 钻孔器510包括杆轴512，杆轴512在远端514和近端516间延伸，并具有一 外周表面。外周表面形成磨蚀区段518。钻孔器510典型地被构造成与往复运 动手持件联用。
钻孔器510的杆轴512由本发明的超弹性合金构成。如上所述，本发明的 合金包含来自第IVB族和第VB族的过渡金属原子以及氧。杆轴512经冷加工以 提高抗拉强度和弹性。
磨蚀区段518具有螺旋沟槽520，沟槽520形成切削刃。前刃522被构造 成切削或钻孔穿过牙齿材料。杆轴512的柔性和硬度赋予钻孔器510异常的耐 久性并降低加工硬化所产生的副作用。
现在参考图9，在又一替换实施方式中，本发明牙科切削器械是磨蚀盘610。 磨蚀盘610包括杆轴612，杆轴612在远端614和近端616间延伸，并具有一 外周表面。在远端614处，一轮状背衬形成磨蚀区段620。磨蚀区段620通过 螺钉固定于磨蚀盘610。
磨蚀区段620上具有粒子622，用于切削牙齿材料。在一示例性实施方式 中，粒子622通过粘合剂固定于磨蚀区段620。粒子622通常是非常坚硬的物 质，如金刚石或碳化物。
在一示例性实施方式中，形成磨蚀区段620的砂轮由本发明合金构成。由 本发明的合金构成磨蚀区段620，从而使磨蚀区段620可以非常薄。较薄的磨 蚀区段620使磨蚀盘610能够在一些不可能到达的间隙内磨蚀牙齿材料。此外， 磨蚀区段可弯曲而不会在使用期间有加工硬化或受力断裂。杆轴612也可由本 发明的合金构成。
用于制造牙髓器械、如牙髓锉的示例性方法参见美国专利4,934,934、美国 专利5,653,590、美国专利5,762,541、2005年2月23日提交的美国申请序列第 11/063,354号，2005年2月23日提交的美国申请序列第11/063,757号。
III.非切削的牙科器械和器具
本发明的牙科器械和器具并不限于牙齿切削器械。图10-15显示了采用本 发明合金的本发明可选的非切削实施方式。非切削的牙科器械具有一由本发明 的超弹性合金构成的主体。如上所述，本发明的合金包含来自第IVB族和第VB 族的过渡金属原子以及氧。形成非切削牙科器械和器具的合金经冷加工以提高 抗拉强度和弹性。
图10显示了由本发明的合金构成的一示例性牙科植入物，如支柱710。支 柱710具有头部712和杆部714。杆部714具有水平槽716，提供用于将支柱 710固定于骨的握持表面。
支柱710被构造成嵌入或粘附于骨，例如颌骨。支柱710作为锚件，用于 附连如牙冠、托牙、部分托牙或牙桥之类的牙科假体器具。本发明的其它示例 性牙科植入物包括植入物螺钉等。
本发明的牙科植入物，例如支柱710由本发明的合金构成。由于上文所述 本发明的合金的有益特征，所述牙科植入物可被设计成非常坚固且细小。由于 必需植入牙科植入物的区域较小以及牙科植入物必需承受的巨大压力，本发明 牙科植入物的细小和坚固的特征非常有益。
在一个本发明实施方式中，本发明牙科植入物不含镍。本发明牙科植入物 比现有技术先进，因为其非常坚固和细小，而且不含镍，已知镍在某种程度上 与生物系统不相容。
图11显示了邻间防护器720。邻间防护器720位于牙齿之间，在用如磨石 或锉之类的磨蚀器械加工相邻牙齿时保护相邻牙齿免受损伤。防护末端722a 和722b卷曲形成弹簧样末端，防护端邻接相邻牙齿并施加摩擦以防止防护器 720脱落。
防护器720由上文所述合金构成。因此，防护器720可以非常薄，使其更 容易地在齿间定位。此外，防护器720由于本发明的合金而具有的弹性使防护 器720更好地啮合和脱离相邻牙齿。
现在参考图12，橡皮障夹730啮合牙齿732以保持橡皮障734。橡皮障夹 730保持橡皮障734，橡皮障734用作牙齿732与其它牙齿和/或口腔中其它组 织之间的屏障。
橡皮障夹730由本发明的合金构成。因此，橡皮障夹730非常薄，从而赋 予操作人员围绕牙齿732进行加工更多的空间。橡皮障夹730的超弹性还使橡 皮障夹730更容易啮合和脱离牙齿732。橡皮障夹730的非线性弹性模量还使 橡皮障夹730在不同的分离幅度具有类似的啮合力。因此，橡皮障夹730能够 以更加相似程度的力啮合不同尺寸的牙齿，从而消除配备许多不同尺寸橡皮障 夹的需要。
图13显示了本发明的成型片740。成型片740包裹牙齿742形成浇注填充 剂的模具。成型片740由本发明的超弹性合金构成。因为本发明合金具有非常 大的抗拉强度，成型片740可以非常薄，从而较容易匹配在相邻牙齿之间。较 薄的成型片740使操作人员能够在填充剂和相邻牙齿间几乎没有间隙地形成填 充。而且，成型片740的弹性赋予成型片740一定程度的弹簧性质，从而较容 易地从牙齿742取出成型片740。此外，成型片740基本上不含镍，从而提供 生物相容性较高的牙科器械。虽然在成型片的内容中描述了成型片740，应理 解本发明包括其它成型片，如正畸带。
现在参考图14，在另一实施方式中，本发明的牙科装置是牙托和牙弓线。 图14显示了部分正畸托架系统。在一示例性实施方式中，牙托750a和750b分 别固定于牙齿752a和752b。牙弓线754穿过牙托750a和750b分别附连于结 扎线756a和756b。牙弓线754锚定于正畸带并对牙托750a和750b施加张力。 牙托750a和750b上的张力分别在较长的时间段内使牙齿移动。
牙托750a和750b和/或牙弓线754由本发明的超弹性合金构成。牙托750a 和750b非常耐久并且抗变形或断裂。由于牙弓线754由本发明的合金构成， 牙弓线754也非常薄但仍然保持移动牙齿所需的抗拉强度。而且，由于牙弓线 754是弹性的，它不太可能发生永久性纽结。
在一替换实施方式中，牙弓线的一部分环绕成环，以形成将两个牙托互连 的线状弹簧。弹簧样牙弓线沿除平行于牙弓之外的方向对互连的牙托施加力。
本发明可以体现在其它具体形式中而不背离本发明的精神或必要特征。所 述实施方式在所有方面应理解为示例性而非限制性的。因此，本发明的范围由 所附权利要求而非上述说明来限定。权利要求的涵义及等价范围内的所有改变 都包括在本发明的范围内。