Có nhiều thành phần vật liệu chỉnh nha khác nhau cấu thành nên một khí cụ chỉnh nha. Bắt đầu từ mắc cài, được gắn hoặc được dán lên các răng, các lực thực sự được sinh ra từ dây cung, lò xo đàn hồi và chun. Mỗi thành phần có đặc tính cấu trúc và vật liệu rất khác nhau.
Các nguồn năng lượng được sử dụng cho di chuyển răng trong chỉnh nha là các lực xuất phát từ sự đàn hồi của dây cung và chun. Lực nhẹ liên tục được yêu cầu để di chuyển răng chỉnh nha tối ưu.
Khi cường độ lực được duy trì trong suốt quá trình điều trị, quá trình di chuyển răng sẽ diễn ra thuận lợi do tiêu xương trực tiếp và có thể tránh được những tác dụng phụ không mong muốn như mất neo chặn hoặc làm tốn thương vùng nha chu.
Khi các răng di chuyển, cường độ lực giảm dần do những đặc tính về cấu trúc của dây cung và chun. Trong thực hành chỉnh nha, người ta mong muốn lực luôn ở mức tối ưu trong suốt giai đoạn di chuyển răng. Để đạt được mục tiêu này, các dây siêu đàn hồi được ưa dùng bởi chúng duy trì được trạng thái kích hoạt trong một khoảng thời gian dài và phân phối lực ở mức độ sinh lý.
Bởi các dây cung và chun chính là nơi sinh ra lực tác động trong chỉnh nha nên biết được đặc tính vật lý của chúng là rất quan trọng.
Các đặc tính vật lý của vật liệu được sử dụng trong chỉnh nha
Các vật liệu được cấu thành bởi các nguyên tử và phân tử. Khoảng cách giữa các hạt (phần tử) và lực kết nối giữa chúng xác định nên độ cứng của vật liệu. Khi lực được đặt lên vật liệu, khoảng cách giữa các nguyên tử thay đối, phụ thuộc vào bản chất của lực, điều này được gọi là sự nén ép. Vật liệu bị nén (stress) do di chuyển của lực – lực nén ép – cho tới khi nó thay đổi về kích thước và trở nên biến dạng.
Khi lực tác dụng lên vật liệu là lực kéo, khoảng cách giữa các nguyên tử tăng lên và vật liệu giãn ra, quá trình này gọi là sự căng.
Khi lực tác dụng là lực đẩy, khoảng cách giữa các nguyên tử giảm xuống và kích thước của vật liệu giảm xuống. Quá trình này gọi là sự nén.
Khi có một cặp lực bằng và ngược chiều nhau, được gọi là ngẫu lực, được đặt lên vật liệu từ những mặt phẳng khác nhau, một dạng biến đổi hình dạng thứ ba xuất hiện.
Quá trình này được gọi là sự xé. Lực căng, lực nén và lực xé là những dạng của lực có thể được đặt lên vật liệu.
Cao su bị kéo căng khi đặt lực kéo, trong khi dây thép sẽ không thay đổi hình dạng đáng kể với cùng cường độ lực như vậy. Với cùng một lực nén ép, độ giãn trên các vật liệu chỉnh nha là khác nhau. Ví dụ, sự biến dạng của dây thép không thể nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng sự thay đổi của nó có thể đo đạc được ở mức độ hiển vi.
Trạng thái đàn hồi của các vật liệu
Vật liệu bị tác động sẽ hấp thụ năng lượng từ lực và trả lại nó khi lực tác động bị lấy đi. Các vật liệu có thể trả lại hoàn toàn năng lượng đã được hấp thụ, phục hồi lại kích thước ban đầu của chúng khi không còn tác dụng lực được gọi là các vật liệu đàn hồi. Những vật liệu không có khả năng trở lại hình dạng ban đầu của chúng được gọi là các vật liệu dẻo.
Ví dụ, lò xo co giãn là những vật liệu đàn hồi, trong khi những dây chỉ thép mềm là vật liệu dẻo.
Khái niệm về sự đàn hồi có vị trí đáng kể trong chỉnh nha bởi tính đàn hồi của các vật liệu là nguồn lực quan trọng nhất được sử dụng trong các hệ thống khí cụ. Một khí cụ chỉnh nha bao gồm các thành phần chủ động và thụ động. Các yếu tố trước nhất hình thành nên các thành phần chủ động là nguồn gốc của lực như dây cung, lò xo đàn hồi và chun.
Kích hoạt khí cụ chỉnh nha
Việc kích hoạt một khí cụ chỉnh nha hoặc các thành phần chủ động của nó có thể được ước tính bằng cách đo độ lớn của lực với thước đo lực hoặc đơn giản là quan sát sự thay đổi hình dạng của các thành phần chủ động.
Dây cung
Khi một đoạn dây bị uốn tới một điểm xác định và thả ra, nó trở lại vị trí ban đầu của mình. Nhưng nếu lực được tăng lên một cách quá mức, và đoạn dây bị uốn quá điểm xác định này, nó sẽ không thể trở lại vị trí ban đầu đó. Điều này dẫn tới sự biến dạng dẻo của dây cung. Hình trên cho thấy sự căng của dây cung khi có lực tác dụng. Khi sự nén ép (lực) được tăng lên, sự biến dạng của dây cung cũng tăng lên tương ứng; điều này tạo ra phần đường thẳng của đường đồ thị cong.
Phần thẳng này lên tới giới hạn đàn hồi của dây cung, nghĩa là dây cung sẽ trở lại vị trí ban đầu của nó khi loại bỏ lực.
Giá trị này thể hiện độ cứng, hay tỉ lệ tải/thoái lực (độ đàn hồi), của vật liệu chỉnh nha cứng và đàn hồi, được gọi là tính chất tương hỗ; do đó, độ cứng là tỉ lệ thuận và độ co giãn là tỉ lệ nghịch với hệ số đàn hồi.
Khi giới hạn đàn hồi bị vượt qua, dây cung không thể trở lại được hình dạng bạn đầu khi ngừng tác dụng lực vì đã xuất hiện sự biến dạng dẻo.
Khi đặt thêm lực vào thì sự biến dạng vĩnh viễn của dây cung cũng nhiều lên, chạm tới giới hạn cuối cùng của sức bền vật liệu. Vượt quá điểm này, cầu trúc phân tử của dây cung bị phá vỡ và nó gãy tại điểm gãy hỏng (failure point).
Chun – vật liệu vô định
Chun, hoặc polymeric, những vật liệu chỉnh nha có cấu trúc vô định hình, như cao su, lại cho thấy một đường cong nén-giãn khác so với kim loại, như dậy cung ở ví dụ trước đây, có cấu trúc tinh thể. Khi đặt lực lên chun, đầu tiên sẽ có sự thay đổi ở dạng đường thẳng giống như với kim loại, nhưng đoạn thẳng này ngắn hơn nhiều so với kim loại.
Ở các chun, giới hạn đàn hồi của vật liệu được đạt tới sớm hơn so với kim loại, do vậy sự biến dạng vĩnh viễn xuất hiện dễ dàng. Cũng như với kim loại, khi giới hạn sức bền cuối cùng của chun bị vượt qua, vật liệu sẽ hỏng.
Sứ – vật liệu không có tính co giãn
Về sứ – loại vật liệu không có bất cứ tính co giãn nào, thể hiện bằng một đường thẳng cho tới điểm gãy hỏng. Những vật liệu có những đặc tính này được gọi là giòn.
Ở đồ thị nén-giãn, khu vực dưới đường dốc tới giới hạn đàn hồi cho thấy hệ số đàn hồi của vật liệu. Đàn hồi là phần năng lượng của vật liệu được tích trữ lại từ hoạt động cơ học, từ khi ở trạng thái thụ động lúc đầu tới khi đạt giới hạn đàn hồi. Cũng ở trong đồ thị đó, khu vực giữa những điểm A, B, D và C thể hiện khả năng tạo hình của dây cung, và toàn bộ khu vực dưới điểm bắt đầu tới điểm gãy hỏng thể hiện hệ số độ bền. Độ bền là tổng năng lượng có thể được dự trữ từ hoạt động cơ học của vật liệu, từ điểm xuất phát thụ động cho tới điểm gãy hỏng.
