Vers une amélioration du glissement sur le fil de titane-molybdène ?

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� 2010 CEOPublished by / Edite par Elsevier Masson SAS

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Towards slide enhancement with thetitanium-molybdenum wire?

Vers une am�elioration du glissement sur le fil detitane-molybd�ene ?

Pol THIRYa,*, St�ephane BARTH�EL�EMIb

a77 bis, cours A.-Briand, 08000 Charleville-M�ezi�eres, FrancebUFR d’odontologie de Reims, 2, rue du G�en�eral-Koenig, 51100 Reims, France

Available online: 20 November 2010 / Disponible en ligne : 20 novembre 2010

SummaryThis study aims to improve the tribological properties of tita-nium-molybdenum wire. Following an analysis of the wire/bracket/ligation friction parameters and an overview of thetechnological research into means of reducing such friction,we set up several types of surface treatment in the laboratoryby physical deposition in the vapor phase and using cold plasmatechnology. The specimens obtained underwent two types oftribological tests and were then subjected to traction and bend-ing tests in order to determine the variations in their mechanicalproperties induced by the different types of treatment. For pur-poses of comparison, all the tests were conducted on untreatedwire, TMA� Low-friction�wire and stainless steel wire and withtwo types of elastomeric ties. We were able to demonstrate someremarkable slide performances obtained using cold plasmanitriding while preserving the mechanical properties. A signifi-cant difference was observed relative to the other surfacetreatments.

� 2010 CEO. Published by Elsevier Masson SAS. All rightsreserved

Key-words

·Orthodontic wire.
·Ionisation. ·Biomedical and dental materials.
·Nitriding.
·Orthodontics.
International Orthodontics 2010 ; 8 : 319-341doi:10.1016/j.ortho.2010.09.004

R�esum�e

Ce travail propose d’am�eliorer les propri�et�es tribologiquesdu fil de titane-molybd�ene. Apr�es une analyse des para-m�etres du frottement fil/attache/ligature, ainsi qu’un pano-rama des recherches technologiques pr�ec�edemmenteffectu�ees pour le r�eduire, nous avons d�evelopp�e en labora-toire plusieurs traitements de surface par d�epots physiquesen phase vapeur et par utilisation de la technologie duplasma froid. Les �echantillons obtenus subissent deux typesde tests tribologiques, puis sont test�es en traction et enflexion afin de caract�eriser les variations de leurs propri�et�esm�ecaniques induites par les diff�erents traitements. Tous lestests sont �egalement effectu�es sur fil non trait�e, fil TMA�

Low-friction� et fil d’acier inoxydable a des fins compara-tives, ainsi qu’avec deux types de ligatures �elastom�eriques.Des performances remarquables en glissement obtenuesgrace a la nitruration par plasma froid sont alors mises en�evidence, avec conservation des propri�et�es m�ecaniques,faisant ici toute la diff�erence avec les autres traitementsde surface.� 2010 CEO. Edite par Elsevier Masson SAS. Tous droitsreserves

Mots-cl�es

·Fil orthodontique.
·Ionisation. ·Mat�eriaux biom�edicaux et dentaires.
·Nitruration.
·Orthodontie.
*Correspondence and reprints / Correspondance et tir�es a part.

e-mail address / Adresse e-mail : [email protected] (Pol Thiry)

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mailto: [email protected]

http://dx.doi.org/10.1016/j.ortho.2010.09.004

Pol THIRY et al.

·Titanium.
·Tribology (technology). ·Surface treatments.Introduction
Titanium-molybdenum (or beta-titanium) offers extremelyuseful properties for orthodontic purposes. It provides a qual-ity solution for numerous indications, with the exception ofslide mechanics. Among the commercially available wires,titanium-mobyldenum orthodontic wires present a majordrawback due to their high level of friction. Enhancement oftheir tribological properties (tribology is the study of frictionand its effects) would enable their use and application of theirexcellent performances in other indications. A number ofstudies have demonstrated possible improvement of the slid-ing properties but at the price of a severe deterioration of theirmechanical characteristics [1,2]. Our research aimed toimprove the tribological behavior of titanium-molybdenumwithout loss of its mechanical properties. To this end, we usedsurface treatment methods specially developed for titanium-molybdenum orthodontic wires. The different surface treat-ment techniques were assessed and quantified for both thetribological and mechanical properties achieved.

The original nature of this research earned financial supportfrom the Champagne-Ardennes region of France in the frame-work of its program for sponsoring technological innovation.

Update on titanium-molybdenum wire

Titanium has been used in the metallurgy industry since 1952.In 1960, a new high temperature titanium alloy was devel-oped. Transformation of the cold stable phase to the hot stablebeta phase occurs at approximately 885�. Since 1960, metal-lurgists have mastered the stabilization of the centered cubicstructure (beta phase) at ambient temperature by addingmolybdenum, thus ensuring an elastic limit compatible withorthodontic applications. This alloy is termed titanium-molyb-denum, or beta-titanium. Titanium-molybdenum was firstused in orthodontics by Burstone for the Ormco firm(TMA�) following collaborative work with the metallurgistGoldberg [3] in 1979.

Advantages of titanium-molybdenum

The main advantage lies in its mechanical performances. Thelevel of force developed by this alloy is situated between thoseof steel and nickel-titanium. Titanium-molybdenum allowsgreater elastic deformation than stainless steel.Consequently, the force exerted by the wire is lower, moreregular and more long-lasting, in initial alignment as withfinishing archwires [4]. Its field of application is scarcely

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·Titane.
·Tribologie (technologie).
·Traitements de surface.

Introduction

Le titane-molybd�ene (ou b-titane) offre des propri�et�es tr�esint�eressantes pour l’orthodontiste. Il repr�esente une solutionde choix dans de nombreuses indications, en excluant lesm�ecaniques de glissement. Parmi les fils disponibles sur lemarch�e, le titane-molybd�ene est un fil orthodontique souffrantdu d�efaut majeur d’offrir un frottement �elev�e. Une am�eliorationde ses caract�eristiques tribologiques (la tribologie est l’�etudedu frottement et de ses effets) permettra une extension de sesindications, afin de profiter au mieux de ses performances.Certaines �etudes ont montr�e la possibilit�e d’am�eliorer le glis-sement, mais au prix parfois d’une d�egradation sensible despropri�et�es m�ecaniques [1,2]. En se fixant pour objectifl’am�elioration du comportement tribologique du titane-molybd�ene, sans d�egradation de son comportementm�ecanique, notre recherche aborde les traitements de surfacemis au point sp�ecifiquement pour des fils orthodontiquesen titane-molybd�ene. Ces diff�erents traitements de surfaceseront �evalu�es et quantifi�es, tant dans le domaine tribologiqueque dans le domaine m�ecanique.Le caract�ere innovant de cette �etude lui a permis de b�en�eficierd’une participation financi�ere de la part de la r�egionChampagne-Ardenne, dans le cadre de son programmed’aide a l’innovation technologique.

Le point sur le fil de titane-molybd�ene

Le titane est utilis�e enm�etallurgie depuis 1952 et c’est en 1960qu’une forme particuli�ere d’alliage du titane haute temp�era-ture a �et�e mise au point. La transformation de la phase stablea froid en phase b stable a chaud s’effectue vers 885 �C.Depuis 1960, les m�etallurgistes maıtrisent la stabilisation dela structure cubique centr�ee (phase b) a la temp�eratureambiante grace a l’addition de molybd�ene. Cela permetd’assurer une limite �elastique compatible avec une utilisationorthodontique ; on parle alors de titane-molybd�ene, oub-titane. Le titane-molybd�ene fut introduit en orthodontie parBurstone pour la soci�et�e Ormco (TMA�), apr�es une collabora-tion avec le m�etallurgiste Goldberg [3] en 1979.

Avantages du titane-molybd�ene

Son avantage premier r�eside dans ses performancesm�ecaniques. Le niveau de force que d�eveloppe cet alliagese situe entre celui de l’acier et celui du nickel-titane. Letitane-molybd�ene permet une d�eformation �elastique de plusgrande amplitude que l’acier inoxydable ; de ce fait, la forcerestitu�ee par le fil reste plus faible, plus constante et durable,dans l’alignement initial, comme dans les arcs de finition [4].

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Towards slide enhancement with the titanium-molybdenum wire?Vers une am�elioration du glissement sur le fil de titane-molybd�ene ?

affected by its diameter [5]. Titanium-molybdenum can beused in large diameter wires at a much earlier stage oftreatment.As early as 1980, Burstone and Farzin-Nia [6] described thisalloy in the following terms: “Titanium-molybdenum wirepossesses a unique balance of low rigidity, high maximumflexion, and a certain formability combined with low rigidity,thus making it perfectly reliable for use in a large number oftreatment modalities”. This concept of an ideal balance wastaken up by numerous other authors such as Barrowes whoquotes Thurow [5], or like Hilgers and Farzin-Nia [7], Wilcock[8] and Deblock.For Kusy and Whitley [4], “TMA� is virtually the perfect wirebecause its characteristics are so well-balanced”. It is, headded, “the Swiss pen-knife among orthodontic wires” [9].In addition it offers excellent biocompatibility [10]. Titanium-molybdenum contains no nickel, an element which is cur-rently under attack among orthodontists on account of theallergic reactions it can trigger such as dermatosis, urticaria,gingival hypertrophy, glossitis, etc.

Drawbacks

The main disadvantage lies in the fact that it generates muchhigher frictional forces than stainless steel, thus hinderingdental displacement in sliding mechanics (Kusy); as, forexample, during canine retraction or space closure.

It should be noted that there is another form of “LowFriction”� titanium-molybdenum (Ormco), which is obtainedby a surface ion implantation process. Following various stud-ies, Kusy et al. [1] claim that a 54% reduction in kineticfriction can be achieved. However, we will see below thatthese results, at best, need to be read with some circumspec-tion [4].

Parameters controling slide at the wire-bracket-tie interface

Physical parameters

Brackets

MaterialsBrackets can be classified by increasing level of friction:

— brackets in sintered stainless steel;— brackets in cast and milled stainless steel; friction is 40 to45% higher than with sintered steel [11];— ceramic brackets: friction is 30 to 50% higher than withsintered steel.Various advances in manufacturing have of course helped toimprove these poor performances [12].


Son champ de travail est peu sensible a sa section [5]. Letitane-molybd�ene peut etre utilis�e dans des sections impor-tantes, a un stade beaucoup plus pr�ecoce du traitement.Burstone et Farzin-Nia [6], d�es 1980, ont qualifi�e cet alliage ences termes : « le fil titane-molybd�ene poss�ede un �equilibreunique de rigidit�e faible, de flexion maximale �elev�ee, de mal-l�eabilit�e certaine avec une faible rigidit�e, le rendant particu-li�erement fiable dans un grand nombre de modalit�es detraitement ». Cette notion d’�equilibre id�eal est suivie par denombreux auteurs, comme Barrowes qui cite Thurow [5], oucomme Hilgers et Farzin-Nia [7], Wilcock [8] ou Deblock.

Pour Kusy et Whitley [4], « Le TMA� est presque le fil parfait,avec des caract�eristiques si �equilibr�ees ». C’est le « couteausuisse du fil orthodontique » [9].Par ailleurs, il pr�esente une excellente biocompatibilit�e [10]. Letitane-molybd�ene ne contient pas de nickel, �el�ement couram-ment incrimin�e en orthodontie pour les r�eactions allergiquesqu’il provoque : dermatoses, urticaire, hypertrophie gingivale,glossite, etc.

Inconv�enients

Son plus gros d�efaut r�eside dans le fait qu’il g�en�ere desforces de frottement nettement plus �elev�ees que l’acierinoxydable, ce qui est un frein au d�eplacement dentairedans les m�ecaniques de glissement (Kusy), comme parexemple lors de r�etractions de canines ou de fermeturesd’espaces.Il convient d’indiquer qu’il existe une autre forme de titane-molybd�ene, le TMA� « Low Friction »� (Ormco), obtenuegrace a un proc�ed�e d’implantation ionique de surface. Selonles �etudes de Kusy et al. [1], une diminution de 54 % de lafriction cin�etique serait obtenue. Cependant, nous verronsplus loin que ces r�esultats sont, pour le moins, sujets a caution[4].

Param�etres controlant le glissement del’interface fil/attache/ligature

Param�etres physiques

Attaches

Mat�eriau constitutifOn peut classer les attaches dans un ordre croissant defrottement :— attaches en acier inoxydable fritt�e ;— attaches en acier coul�e puis usin�e ; le frottement est de 40a 45 % sup�erieur par rapport aux pr�ec�edentes [11] ;— attaches en c�eramique ; le frottement est de 30 a 50 %sup�erieur aux premi�eres [1].�Evidemment, certaines am�eliorations des processus de fab-rication tendent a att�enuer ces contre-performances [12].

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Pol THIRY et al.

Size of the slotMost studies have shown a reduction in friction when thedepth of the slot is increased [13–16]. The height of the slot(0.018 or 0.022 inches) has not been shown to have a signif-icant influence. The same studies also showed similar levels offriction in slots of different heights.

Wires

MaterialsThe stainless steel wire remains the reference in the majorityof studies [17]. However, a small number of studies disputethis claim and demonstrate the lack of significant differencebetween stainless steel and nickel-titanium [12] or betweenstainless steel and titanium-molybdenum [18]!

SizeThe impact of wire size on sliding is highly controversial.

For Bednar et al. [13], friction increases with wire thickness.Other studies found the same result [11,19–21].

For other authors, there is no connection between wire thick-ness and friction. Studies such as Peterson’s, quoted by Cuinetet al. [22], found no significant relationship between wire sizeand friction. On the basis of these experimental findings, Tidy[21] concluded that archwire size has little impact on frictionthus rallying to the theoretical analysis whereby the extent ofsurface contact has no effect on friction, unlike the pressurewhich is exerted on contact. It should be noted that under-sizing the wire only delays the slot/wire contact [23]. Frankand Nikolai consider that friction decreases when contactsurface increases [24].

Cross-sectionThe same kind of conclusions are also found under this head-ing, as well as the same contradictions. According to certainauthors [25], rectangular wires create more friction than roundwires.In contrast, other authors claim that when wire and bracket areparallel, there is no difference in friction between rectangularand round wires. Drescher et al. [14], for instance, state that“the two shapes of wire have identical frictional values”.

RigidityStainless steel wires have less friction than wires in nickel-titanium when there are neither bends nor wire/bracket angu-lations [24]. However, as soon as angulation increases and thewire bends, the reverse occurs and a flexible wire is morebeneficial [16]. This kind of situation can be encounteredduring canine retraction into an extraction space in whichthe increase in the inter-bracket distance in this area inducesdecreased stiffness in the wire cross-section.

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Dimensions de la gorgeLa plupart des �etudes ontmontr�e une diminution de frottementavec une augmentation de la profondeur de la gorge [13–16].En ce qui concerne la hauteur de la gorge (0,018 ou0,022 pouces), son influence n’a pu etre prouv�ee de mani�eresignificative : les memes �etudes ont r�ev�el�e des niveaux defrottement voisins pour des hauteurs de gorges diff�erentes.

Fils

Mat�eriau constitutifLe fil en acier inoxydable reste la r�ef�erence dans l’ensembledes �etudes [17]. Toutefois, quelques �etudes plus rares sont encontradiction avec cette information, ne notant pas de diff�e-rence significative entre acier et nickel-titane [12], ou entreacier et titane-molybd�ene [18] !

TailleL’influence de la taille du fil sur le glissement est tr�es discut�ee,avec des opinions diverses.Pour Bednar et al. [13], le frottement augmente avecl’�epaisseur du fil. D’autres �etudes ont �egalement retrouv�e cer�esultat [11,19–21].Pour d’autres, il n’y a pas de corr�elation entre �epaisseur du filet frottement : des �etudes comme celle de Peterson cit�e parCuinet et al. [22] n’observent pas de relation significative entrela taille du fil et le frottement. A partir de ces r�esultats exp�eri-mentaux, Tidy [21] pense que la dimension de l’arc influencepeu le frottement. Cet auteur rejoint d’ailleurs l’analyseth�eorique selon laquelle l’importance de la surface de contactn’influence pas le frottement, contrairement a la pression quis’exerce a ce contact. Notons que le sous-dimensionnementdu fil ne fait que retarder le contact gorge/fil [23]. Frank etNikolai pensent que le frottement d�ecroıt si la surface decontact augmente [24].

SectionNous retrouvons ici les memes contradictions. Pour certainsauteurs [25], les fils de section rectangulaire provoquent plusde frottement que les fils de section ronde.

En revanche, pour d’autres, lorsque le fil et l’attache sontparall�eles, il n’y a pas de diff�erence de frottement entre les filsrectangulaires et les fils ronds. Ainsi, Drescher et al. [14]annoncent que « les fils des deux formes de section ont unevaleur frictionnelle identique. »

Rigidit�eL’acier inoxydable a moins de frottement que le nickel-titanequand il n’y a ni pliures, ni angulations fil/attache [24], mais d�esque l’angulation augmente et que l’arc se courbe, l’inverse seproduit et le fil souple devient avantageux [16]. Il est possibleque cette situation soit rencontr�ee au cours de la r�etractiond’une canine dans un espace d’extraction, ou la distance inter-attaches augment�ee dans cette portion induit une diminutionde la rigidit�e de la section de fil.



Ligatures

Ligatures play an essential role [20,26] which can evenbecome major [27,28] in the sliding mechanics between wireand bracket, exerting a force which increases the pressurebetween wire and bracket. This force can reach up to 750 gand will have a significant effect on the friction within thewire/bracket system. There is no general agreement regardingthe difference of performance between metal and elastomerties [16,22,24,29]. The real debate should center on two otherparameters, namely, the application force and its durabilityover time. Elastomer ties are affected by the oral environmentand tend to lose their elastic properties with time, thus makingit difficult to control the force on this type of tie. With wire ties,on the other hand, the practitioner can adjust the applicationforce, making it easier to control movement.

Surface characteristics

Hardness and roughness of the surface, shear strength andtemperature are all major factors in friction [10]. Seen under amicroscope, the two surfaces are covered with asperities andthe relationship between them governs movement. Moreover,highly-polished surfaces produce adhesion phenomena.Lowest friction seems to be achieved between smooth mattsurfaces.

Three-dimensional relationships between wire andbracket

Consequent to the physical properties of friction, the anglebetween the wire and the bracket has a major impact onfrictional force. Several studies have demonstrated that anincrease in this angle significantly raises the frictional forces[23,30,31]. They also showed, in the clinical setting, that highfriction occurs when there is an angle between the wire and thebracket which draws heavily on posterior anchorage. Kusy[32] studied resistance to sliding with five different anglesbetween 0� and 13� and several types of wire. He concludedthat the angle increased friction by adding to the frictionalcomponent of the wires in accordance with the principle ofsuperimposition. This explains why it is better to level thearches perfectly before setting up a sliding technique.

Regarding torque, and following the same principle, the pres-ent authors reached similar conclusions. The point of appli-cation is also an important factor on account of the angulationsit creates in the interplay between wire and bracket.


Ligatures

Les ligatures ont un role pr�epond�erant [20,26] et peut-etremajeur [27,28] dans le glissement entre fil et attache. En effet,elles exercent une force qui va augmenter la pression entrele fil et l’attache. Cette force, pouvant aller jusqu’a 750 g, vaavoir une influence significative sur le frottement au sein dusyst�eme fil/attache. Il n’existe pas de consensus quant a laperformance entre ligature m�etallique et �elastom�erique[16,22,24,29]. La v�eritable discussion doit se faire autour dedeux autres param�etres que sont la force de serrage et sapermanence dans le temps. Les ligatures �elastom�eriques sontaffect�ees par le milieu buccal : elles ont tendance a perdreleurs propri�et�es �elastiques avec le temps. Par cons�equent, lecontrole de la force de ces ligatures s’av�ere al�eatoire. Pour lesligatures m�etalliques, en revanche, le praticien peut r�egler leniveau de serrage, ce qui peut etre int�eressant pour controlerles mouvements.

Caract�eristiques de surface

Elles concernent la duret�e de surface, la r�esistance aucisaillement, la rugosit�e (l’�etat de surface), la temp�erature.Ce sont des �el�ements majeurs dans le frottement [10].A l’examen microscopique, les deux surfaces sonth�eriss�ees d’asp�erit�es dont les rapports entre elles condi-tionnent le mouvement. Par ailleurs, des surfaces tr�espolies engendrent des ph�enom�enes d’adh�esion. Le frotte-ment le plus faible semble obtenu avec des surfaces lissesmais mates.

Rapports tridimensionnels entre fil et attache

D�ecoulant de l’analyse physique du frottement, l’angulationexistante entre le fil et l’attache joue un role important sur laforce de frottement. Plusieurs �etudes ont v�erifi�e que l’aug-mentation de cette angulation �el�eve significativement lesforces de frottement [23,30,31]. Ces �etudes ont aussi mon-tr�e cliniquement qu’un frottement �elev�e se produit lorsqu’uneangulation entre le fil et l’attache existe et peut solliciterlourdement l’ancrage post�erieur. Kusy [32] a �etudi�e lesr�esistances au coulissement avec cinq angulationsdiff�erentes (entre 0� et 13�) et plusieurs types de fils. II ena conclu que l’angulation augmentait le frottement en s’ajou-tant a la composante de frottement des fils selon le principede superposition. C’est pourquoi il est pr�ef�erable de nivelerparfaitement les arcades avant de d�ebuter la mise en placed’une technique de glissement.Concernant le torque, et sur le meme principe, les auteursrejoignent les memes conclusions. Le point d’application,par les angulations qu’il entraıne dans le jeu fil/attache, a aussison importance.

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Pol THIRY et al.

Biological parameters. Saliva

Saliva acts as a natural oral lubricant. The variable proportionof mucus contained in saliva permits smoother sliding betweenadjacent surfaces [15], as Nicolls, quoted by Cuinet et al. [22],was the first to observe.Nevertheless, it would appear that the lubricating effect ofsaliva does not work on all materials. Some alloys are welllubricated whereas others are very poorly lubricated, accord-ing to their composition. With stainless steel, Kusy et al. [1]obtained increased friction when moving from a dry to a wetstate whereas titanium-molybdenum wire produced the oppo-site effect with 50% less friction in a wet environment.

Saliva can either:— separate two surfaces by interposing a liquid film, thuslowering friction (as with titanium);— or act as an adhesive by creating traction between surfaces(as with stainless steel).

Possible presence of bacterial plaque

Dental plaque deposits at the wire/bracket interface couldincrease frictional forces. For Loreille [33], another factorhas been neglected, namely, the appearance of calculus con-cretions which gradually build up on the surface of the brack-ets and wires and finish up by completely binding them whenoral hygiene is deficient.

Current research

Research is currently under way to improve sliding betweenwire and bracket. Several different parameters are beingexplored.

Bracket research

New brackets are regularly launched on the market with freshmanufacturers’ claims regarding their sliding properties.Research relates to bracket shape but also to enhanced sur-face texture using improved manufacturing processes.

Ligation-free, “self-ligating” brackets

The results are mixed and seem to oppose brackets using aflexible clip resting on the wire, with varying results in termsof sliding behavior [19,32,34–36], and Damon�-type bracketswhich appear to be more effective in terms of slide.

“Esthetic” brackets with a metal slot

In principle, as the wire slides over stainless steel, the frictionvalue should be that of stainless steel. However, Loftus et al.

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Param�etres biologiques. Salive

La salive joue un role de lubrifiant buccal naturel. Le tauxvariable de mucus contenu dans la salive facilite le glissementdes surfaces en contact [15], comme Nicolls cit�e par Cuinet etal. [22] l’a suppos�e le premier.N�eanmoins, l’effet lubrifiant de la salive ne serait pas val-able avec tous les mat�eriaux. La salive lubrifierait bien cer-tains alliages et fort mal d’autres, en fonction de leurnature ; avec l’acier inoxydable, Kusy et al. [1] obtiennentune augmentation de frottement en passant d’un �etat seca un �etat humide, alors qu’a l’inverse, le fil en titane-molybd�ene b�en�eficie d’une r�eduction de 50 % du frottementavec le milieu humide.La salive pourrait :— soit disjoindre deux surfaces en leur interposant un filmliquidien, ce qui abaisse le frottement (comme pour le titane) ;— soit agir en tant qu’adh�esif en mettant en jeu des tractionsde surfaces (cas de l’acier inoxydable).

Pr�esence �eventuelle de plaque bact�erienne

Le d�epot de plaque bact�erienne a l’interface fil/attache aug-menterait les forces de frottement. Pour Loreille [33], un der-nier facteur a �et�e peu �etudi�e : il s’agit de l’apparition deconcr�etions tartriques qui se forment peu a peu a la surfacedes attaches et des fils pour les souder litt�eralement lorsquel’hygi�ene est insuffisante.

Directions de recherches

L’am�elioration du glissement entre le fil et l’attache fait l’objetde recherches dont diff�erents param�etres sont appr�ehend�es.

Recherches sur les attaches

Il apparaıt r�eguli�erement sur le march�e de nouvelles attaches,dont les fabricants nous vantent les m�erites dans le domainedu glissement. Les travaux de recherche s’effectuent donc surla forme, mais aussi sur l’am�elioration de l’�etat de surface li�eeaux progr�es des proc�ed�es de fabrication.

Attaches sans ligatures, « auto-ligaturantes »

Les r�esultats sont contradictoires et semblent opposer lesattaches a clip flexible appuyant sur le fil, a r�esultats variablesen termes de glissement [19,32,34–36], et les attaches detype Damon� plus performantes dans ce domaine.

Attaches « esth�etiques » pr�esentant une gorgem�etallique

A priori, le glissement s’effectuant sur de l’acier inoxydable, lefrottement mesur�e devrait etre celui de l’acier inoxydable.



[37] found no significant difference between esthetic bracketswith a steel slot and conventional steel brackets.

Pure titanium brackets [38]

These are regularly acknowledged to be less efficient thanstainless steel brackets in terms of friction [22].

Treatment of bracket surfaces

Some types of treatment reduce measured friction coefficients.However, they also create synergies in the brackets/wire tan-dem in which bracket and wire become interdependent, thuscomplicating the task of the clinician who has to choose thewire to match the bracket [39].

Ligature research

In order to achieve Superslick� ligatures (TP Orthodontics�),an insoluble polymeric coating (Metafasix� technology) isapplied chemically. Lubrification is claimed to last at least8 weeks. The findings point to a 70% decrease in frictionversus non-coated ligatures. This result was far from beingconfirmed by our study.

Work on titanium-molybdenum wire

Low-friction� TMA� (Ormco)

This wire is obtained using a surface treatment techniqueinvolving bombardment implantation of nitrides and oxides.Results show a 50% reduction in friction and identicalmechanical values [6].

Surface treatments (chromium nitride, titaniumnitride, nitriding)

Significantly enhanced sliding is obtained. However, themechanical properties deteriorate [39].

Aims of the study

Several indicators conditioned our thinking. In chronologicalorder, they were:— a preference given to improving the archwire rather thanthe bracket in order to leave the practitioner a free choiceregarding his/her brackets and technique;— the need to maintain, as far as possible, the alloy’s mechan-ical properties;— the choice of protocol: static and kinetic measures, fol-lowed by mechanical measurements;— the choice of new, state of the art treatments;


Cependant, Loftus et al. [37] n’ont pas trouv�e de diff�erencesignificative de frottement entre les attaches esth�etiques avecune gorge en acier et les attaches conventionnelles en acierinoxydable.

Attaches en titane pur [38]

Elles sont r�eguli�erement reconnues moins performantes queles attaches en acier en termes de frottement [22].

Traitement de surface des attaches

Certains d’entre eux permettent la diminution des coefficientsde frottement mesur�es, mais en cr�eant des synergies dans lecouple attaches/fils, dans lequel ces deux �el�ements devien-nent interd�ependants. Cela complique le choix du clinicien, quidoit choisir le fil correspondant a son attache [39].

Recherches sur les ligatures

Afin d’obtenir les ligatures Superslick� (TPOrthodontics�), unrevetement polym�erique insoluble (technologie Metafasix�)est appliqu�e chimiquement ; cette lubrification serait mainte-nue au moins huit semaines. Les r�esultats font �etat d’unediminution du frottement de plus de 70 % par rapport auxligatures non revetues [29]. Cela ne sera absolument pasretrouv�e dans notre �etude.

Travail sur le fil de titane-molybd�ene

TMA� Low-friction� (Ormco)

Il est obtenu par traitement de surface a type d’implantationionique de nitrures et d’oxydes par bombardement.Le r�esultat consiste en une baisse du frottement de 50 % etdes valeurs m�ecaniques identiques [6].

Traitements de surface (nitrure de chrome, nitrure detitane, nitruration)

Une am�elioration importante du glissement est obtenue, maisles propri�et�es m�ecaniques sont d�egrad�ees [39].

Buts de l’�etude

Plusieurs points vont guider notre r�eflexion.Chronologiquement, on peut citer :— la pr�ef�erence pour une am�elioration de l’arc plutot que desattaches pour pr�eserver le libre choix des attaches par lepraticien et de sa technique ;— la n�ecessit�e de pr�eserver autant que possible lespropri�et�es m�ecaniques de l’alliage ;— le choix du protocole : mesures de frottement statique etcin�etique, puis mesures m�ecaniques ;— le choix de nouveaux types de traitements selon l’�etude del’�etat de l’art ;

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Pol THIRY et al.

— the choice of method and its implementation parameters;choice of the tested material and irrigation.We thus launched development of several types of surfacetreatments applied to an uncoated TMA� wire. The four treat-ments performed were then subjected to tribological tests toassess their sliding performances. Following which, theyunderwent mechanical trials to check the behavior of theinitial properties of the titanium-molybdenum. The tests weredone comparatively on untreated TMA�, Low-friction TMA�

and stainless steel.

Materials and methods

The study was conducted at the “Regional Center forInnovation and Technology Transfer – Materials, depositionsand surface treatments” in Charleville-M�ezi�eres, in North-East France. The center is well-known for its work in thebiomedical field, notably in the area of orthopedic prosthesesand medical implants. It is certified by the French Ministry ofHealth and is regularly accredited by the COFRAC certifyingbody.

Materials used

Orthodontic brackets

We selected brackets with no torque and no angulation(Edgewise premolars Optimesh� Edgewise, Ormco), similarto those used in the study by Garner et al. [10]. These bracketshad 0.022 inch slots in order to facilitate photography.

Ligatures

We chose to use elastomeric ligatures to ensure better repro-ducibility of the pressure applied to the ligature on the wire,with little operator interference. In order to clarify themajor role played by ligatures in friction, we used, on theone hand, single grey elastomeric ligatures from AmericanOrthodontics� and, on the other, single elastomeric ligaturesfrom Superslick� (TP Orthodontics), as mentioned in SectionBiological parameters.

Orthodontic wires

In the study by Poittevin [39], the wire-bracket tandems weremore efficient when both came from the same company. Forthis reason, the different wires used – stainless steel, titanium-molybdenum (TMA�) and treated titanium-molybdenum(Low-friction TMA�) were all supplied by Ormco� and allwere rectangular 0.019 � 0.025 inch wires. The choice ofwire-attachment interplay reflects our intention to conformwith current clinical practice, avoiding both undersizing andthe use of a “full-slot” wire.

326

— le choix de lam�ethode et de ses param�etres de r�ealisation ;choix du mat�eriel test�e et de l’irrigation.Nous avons ainsi lanc�e le d�eveloppement de plusieurs typesde traitements de surface appliqu�es sur un fil de TMA� brut.Les quatre traitements r�ealis�es seront ensuite test�es par desessais tribologiques pour mesurer leurs performances en glis-sement, puis par des essais m�ecaniques pour suivre la tenuedes propri�et�es initiales du titane-molybd�ene. Ces tests serontr�ealis�es en comparaison et de la meme facon sur du TMA�

brut, du TMA� Low-friction� et de l’acier inoxydable.

Mat�eriels et m�ethodes

L’�etude est r�ealis�ee dans les locaux du Centre r�egional d’inno-vation et de transfert de technologie – mat�eriaux, d�epots ettraitements de surface de Charleville-M�ezi�eres, ayant acquisune notori�et�e dans le domaine biom�edical, notamment danscelui des proth�eses orthop�ediques et des implants m�edicaux.Ce laboratoire est homologu�e par le minist�ere de la Sant�e, etr�eguli�erement accr�edit�e par l’organisme certificateur Cofrac.

Mat�eriels utilis�es

Attaches orthodontiques

Le choix se porte sur des attaches sans torque et sans angu-lation (pr�emolaires en technique Edgewise, Optimesh�

Edgewise d’Ormco), se rapprochant des conditions de l’�etudede Garner et al. [10]. Ces attaches poss�edent des gorges de0,022 pouces, pour faciliter la manipulation photographique.

Ligatures

Le choix est fait d’utiliser des ligatures �elastom�eriques, pourune meilleure reproductibilit�e de la pression exerc�ee par laligature sur le fil, peu influenc�ee par l’op�erateur. Afin d’�eclaicirle role majeur des ligatures sur le frottement, seront utilis�ees,d’une part, des ligatures �elastom�eriques unitaires grises dechez American Orthodontics� et, d’autre part, des ligaturesunitaires �elastom�eriques Superslick� (TP Orthodontics),mentionn�ees a la Section Param�etres biologiques.

Fils orthodontiques

Dans l’�etude de Poittevin [39], les couples fil/attache sont plusperformants lorsqu’ils sont issus de la meme soci�et�e. Pourcette raison, les fils sont choisis chezOrmco�, tant pour l’acierinoxydable que pour le titane-molybd�ene (TMA�) et le titane-molybd�ene trait�e (TMA� Low-friction�), et tous en sectionrectangulaire 0,019 � 0,025 pouces. Ce choix de jeu fil/attache traduit le respect d’une utilisation clinique courante,en �evitant le sous-dimensionnement comme l’utilisation d’unfil « pleine gorge ».



Irrigation

Although ours was a comparative study which did not attemptto determine with any precision the level of friction in theclinical setting, we attempted nonetheless to approximatethese conditions as far as possible by taking into accountthe most relevant factors. Hence, we used an artificial non-natural saliva produced in accordance with the French stan-dard NF S 90-701 [40]. We selected to irrigate using a pipetterather than by immersion as this is recognized by most authorsto come closest to clinical conditons.

Materials used in the friction tests

The apparatus used was a tribometer connected to a computerprocessor. Its sensitivity to wire displacement was of the orderof one micron. Its cell force was 500 N although the scaleadopted was 10 N. The apparatus was used in two differentconfigurations in order to conduct two types of test, alternativeand linear. We did not use a decentered weight system tosimulate tooth resistance which, in any case, does not displaythe moment of the forces of resistance associated with the tooth[29] and consequently is irrelevant to our comparison.Similarly, we were careful not to place any wire-bracket angu-lation. If any angulation persisted despite our precautionsduring installation of the appliance, the reproducible config-uration of our system was such as to avoid any differencebetween the tests.

Material used in mechanical tests

The appliance used was a Shimadzu Tension testingmachine�, identification: NOG.15, which served for both trac-tion and flexion tests.

Surface treatments

Physical vapor deposition (PVD)

This technology enhances basic materials by vacuum appli-cation of high-quality coatings. New deposits are regularlydeveloped for specific purposes.

Hard coatings improve the precision of the items produced,the reliability of the manufacturing process and the life span ofthe tools which benefit from this process. One example is thegold-colored titanium nitride (TiN) coating placed on drill bitsto enhance their cutting properties and extend tool-life.Treatment with TiN or titanium carbonitride (TiCN) offersseveral benefits for our purposes:

— improved sliding;— enhanced hardness;— complete compliance with the shape (sharp edges) and thusthe profile of our orthodontic wires.


Irrigation

Notre �etude �etant comparative et ne cherchant pasa d�eterminer pr�ecis�ement le niveau de frottement en condi-tions cliniques, nous chercherons a nous en approcher, enmaıtrisant les facteurs les plus importants. Ainsi, nous utilise-rons une salive artificielle et non naturelle, confectionn�eeselon la formule de la norme francaise NF S 90-701 [40].Le choix se porte sur une irrigation par pipette et non uneimmersion, correspondant davantage aux conditions cliniquesselon la majorit�e des auteurs.

Mat�eriel de tests de frottement

La machine utilis�ee est un tribom�etre reli�e a un processeurinformatique. Sa sensibilit�e au d�eplacement du fil est de l’ordredu micron. Sa cellule de force est de 500 N, mais l’�echelleutilis�ee sera de 10 N. La machine sera utilis�ee dans deuxconfigurations diff�erentes, afin de r�ealiser deux types de tests,des tests alternatifs et des tests lin�eaires. Nous n’utiliseronspas de syst�eme de poids d�ecentr�e pour simuler la r�esistancede la dent, qui ne fait de toute facon pas apparaıtre le momentdes forces de r�esistance associ�e a la dent [29] et donc sansint�eret dans notre comparaison. De meme, nous prendronsgarde de ne pas placer d’angulation fil/attache ; si une angu-lationminime persistemalgr�e nos pr�ecautions dans lamise enplace du dispositif, la configuration reproductible de notresyst�eme fera en sorte qu’il n’y ait pas de diff�erence entre tousles tests.

Mat�eriel de tests m�ecaniques

La machine utilis�ee est une Shimadzu Tension testingmachine� identifi�ee NOG.15 qui sert tant aux essais de trac-tion qu’aux essais de flexion.

Traitements de surface

D�epots physiques en phase vapeur (PVD)

Cette technologie permet de valoriser des mat�eriaux de basepar l’application de revetements de tr�es haute qualit�e, obtenussous vide. De nouveaux d�epots sont r�eguli�erementd�evelopp�es pour des besoins sp�ecifiques.Ces revetements durs am�eliorent la pr�ecision des pi�eces pro-duites, la fiabilit�e de la fabrication et la dur�ee de vie des outilsqui en b�en�eficient. Un exemple peut etre donn�e par les foretsde perceuse revetus de nitrure de titane (TiN) (meilleurecoupe, meilleure long�evit�e) leur donnant une teinte dor�ee.Ce sont par exemples des traitements au TiN ou au carboni-trure de titane (TiCN). . . qui ont plusieurs atouts pour notred�emarche :— augmentation du glissement ;— augmentation de la duret�e ;— respect strict des formes (arretes vives) et donc du profil denos fils orthodontiques.

327

Pol THIRY et al.

Implementation involves sublimating (i.e. changing from thesolid to the vapor state) generally pure materials which arecombined, or not, with a gas injected into an enclosure (figs. 1and 2). At the same moment, gas ions are extracted from aplasma and are accelerated into an ion chamber as a physicalvapor deposit (PVD) at energies ranging between several hun-dred to several thousand eV. The vapor is then depositedpassively or by electric polarization onto the item to be coatedas it moves through the vapor. Deposits are made in secondaryvacuum conditions for several reasons: to avoid pollution fromother undesirable types of atom, to lower the sublimation pointof the material one wishes to vaporize and to perform treatmentat a temperature which will significantly modify the initialmechanical properties of the coated material.

With the plasmas we generally use, deposits are made at itemtemperatures around 400 �C. Temperature reduction shouldbe slow and carefully controled in order to avoid modifying themechanical properties (bending especially) of the base metal.

Cold plasma ion deposition and implantation

The term cold plasma describes plasmas with a low oxidationlevel (the oxidation level is the number of electrons/[number ofelectrons + number of neutrons]). This is an electronic tem-perature which has no direct connection with the temperatureof the item to be treated.This innovative technology is already being used in numerousapplications involving surface treament and coating on all

[(Fig._1)TD$FIG]

Fig. 1: View of the apparatus used tpresented and studies (Centre r�egiontechnologie de Charleville-M�ezi�eresFig. 1 : Photographie de l’installation

traitements de surface pr�esent�es et

vation et de transfert de technologie

328

Le principe de mise en œuvre consiste en la sublimation(passage de l’�etat solide a l’�etat vapeur) de mat�eriaux eng�en�eral purs qui seront combin�es ou non avec un gaz inject�edans une enceinte (fig. 1 et 2). Des ions gazeux sont simul-tan�ement extraits d’un plasma et acc�el�er�es dans une chambreionique en un d�epot physique en phase vapeur (PVD) a des�energies de plusieurs centaines a plusieursmilliers d’eV. Cettevapeur se d�epose alors passivement ou a l’aide d’une pola-risation �electrique sur la pi�ece a revetir mise en mouvementdans cette vapeur. Le d�epot s’effectue sous vide secondairepour deux raisons : cela �evite la pollution par d’autres esp�ecesatomiques ind�esirables et cela permet de diminuer le point desublimation du mat�eriau que l’on souhaite �evaporer maisaussi cela �evite d’effectuer le traitement a une temp�eraturetelle qu’elle modifie significativement les propri�et�esm�ecaniques initiales du mat�eriau revetu.Avec les plasmas g�en�eralement utilis�es, les d�epots s’effectu-ent a des « temp�eratures pi�ece » de l’ordre de 400 �C, et lavitesse de refroidissement de celle-ci doit etre lente etcontrol�ee pour ne pas affecter les propri�et�es m�ecaniques(en particulier en flexion) du m�etal de base.

D�epots et implantation ionique par plasma froid

Par plasma froid, on entend des plasmas dont le degr�e d’oxy-dation est faible (le degr�e d’oxydation est le nombred’�electrons/nombre d’�electrons + nombre de neutrons). Ils’agit d’une temp�erature �electronique qui n’a pas de corre-spondance directe avec la temp�erature de la pi�ece a traiter.Cette technologie d’avenir offre d�eja de nombreuses applica-tions dans le domaine des traitements et revetements de sur-face sur tous types de substrats : d�epots par pulv�erisation,

o develop the surface treatmentsal d’innovation et de transfert de).utilis�ee pour la mise au point des

�etudi�es (Centre r�egional d’inno-

de Charleville-M�ezi�eres).


[(Fig._2)TD$FIG]

Fig. 2: Outline of the surface treatment protocol.Fig. 2 : Sch�ema du protocole de traitement de surface.


types of substrate: powder deposition, vapor phase physicaldeposition and other forms of surface preparation.In practice, we use them to increase friction resistance, tocreate “barrier levels”, to clean, activate, remove grease andpickle surfaces before bonding, sterilize, create UV barriersand even to produce esthetic effects on glass containers for thecosmetics industry.

The benefits of this technique are:— numerous available surface preparations;— possibility to discard thermodynamic equilibrium dia-grams and thus perform treatments at lower temperaturesthanks to the compensation provided by the energy from theplasma;— possibility to deposit using various methods, and notablyion nitration (by injecting nitrogen ions during the pickling ofthe material).This technique is being continually improved and the Centrer�egional d’innovation et de transfert de technologie atCharleville-M�ezi�eres, a leading regional center in the biomed-ical field, is now equipped with an industrial cold plasmaplatform unique in Europe. It is here we conduct the differentsurface treatments.

Creating the samples

Three types of PVD were selected following previous experi-ments. Those deposition techniques which gave inconclusive


d�epots physiques en phase gazeuse et autres pr�eparations desurface.Pratiquement, on les utilise pour augmenter la r�esistance aufrottement, cr�eer des « couches barri�eres », nettoyer, activer,d�egraisser, d�ecaper des surfaces avant collage, st�eriliser,cr�eer des protections UV, et meme produire des effets esth�e-tiques sur des flacons en verre pour l’industrie cosm�etique parexemple.Les atouts de cette technique :— de multiples pr�eparations de surface possibles ;— des possibilit�es de s’affranchir des diagrammes d’�equilibrethermodynamique et donc de r�ealiser les traitements a destemp�eratures plus basses, par la compensation qu’apportel’�energie du plasma ;— des possibilit�es de d�eposer selon des modes vari�es, etnotamment des nitrurations ioniques (en introduisant des ionsazote lors de la phase de d�ecapage du mat�eriau).Cette technique est en constante �evolution et le Centrer�egional d’innovation et de transfert de technologie deCharleville-M�ezi�eres, centre r�egional leader en France dansle secteur biom�edical, s’est dot�e dans ce domaine d’une pla-teforme industrielle a plasma froid unique en Europe. Nous yr�ealiserons les diff�erents traitements de surface.

R�ealisation des �echantillons

Le choix de trois d�epots PVD r�esulte de l’�etude des exp�eri-mentations pass�ees : les d�epots aux cons�equences non

329

Pol THIRY et al.

results (no friction improvement or over-fragilization) wereeliminated. Special attention was given to the conditions ofthe process in order to ensure good adhesion of the depositwithout the need for excessive temperature, which is generallycounterproductive. In addition, we performed cold plasmanitriding treatment. Consequently, the following treatmentswere performed on bare TMA� wire:

— tantalum nitride (TaN);— TiN;— zirconium nitride (ZrN);— cold plasma nitriding.These samples were compared with wires made of:— bare titanium-molybdenum TMA�;— Low-friction�TMA�;— stainless steel.

Assemblies tested

— stainless steel wire + standard ligation;— stainless steel wire + Superslick� ligation;— titanium-molybdenum wire + standard ligation;— titanium-molybenum wire + Superslick� ligation;— TaN-coated wire + standard ligation;— TaN-coated wire + Superslick� ligation;— TiN-coated wire + standard ligation;— TiN-coated wire + Superslick� ligation;— ZrN-coated wire + standard ligation;— ZrN-coated wire + Superslick� ligation;— nitrided wire + standard ligation;— nitrided wire + Superslick� ligation.

Protocol

A. PVD and plasma ion nitriding, as previously described.

B. Friction tests in order to determine the behavior in dynamicfrictional conditions of the wire/bracket/ligation assemblies inboth linear and alternating fretting tests. Each sample of wiretreated by each process was tested with both standard elasto-meric ligation and Superslick� ligation (TP). Bare TMA�,Low-friction� TMA� and stainless steel were tested in thesame way.

C. Mechanical tests to qualify the impact of the treatmentusing 3-point flexion and traction tests.

D. Electronic microscope and microphotographic examinationof surfaces for comparison.

Linear friction tests

These tests were designed to measure dynamic friction (fig. 3).

330

probantes (pas de gain en frottement ou fragilisation exces-sive) ont �et�e �elimin�es. Une attention particuli�ere a �et�e port�eeaux conditions de r�ealisation afin qu’elles permettent de gar-antir une bonne adh�erence du d�epot sans n�ecessiter unetemp�erature trop �elev�ee, ce qui est en g�en�eral contradictoire.A cela s’ajoute un traitement de nitruration par plasma froid.Nous cr�eerons donc, sur un fil de TMA� brut, des traitementsde :— nitrure de tantale (TaN) ;— TiN ;— nitrure de zirconium (ZrN) ;— nitruration par plasma froid.Ces �echantillons seront compar�es avec les fils de :— titane-molybd�ene brut TMA� ;— TMA� Low-friction� ;— acier inoxydable.

Assemblages constitu�es

— fil acier inoxydable + ligature standard ;— fil acier inoxydable + ligature Superslick� ;— fil titane-molybd�ene + ligature standard ;— fil titane-molybd�ene + ligature Superslick� ;— fil revetu TaN + ligature standard ;— fil revetu TaN + ligature Superslick� ;— fil revetu TiN + ligature standard ;— fil revetu TiN + ligature Superslick� ;— fil revetu ZrN + ligature standard ;— fil revetu ZrN + ligature Superslick� ;— fil revetu nitrur�e + ligature standard ;— fil revetu nitrur�e + ligature Superslick�.

Protocole

A. R�ealisation de d�epots PVD (d�epots physiques en phasevapeur) et d’une nitruration ionique par traitement plasma,selon l’expos�e pr�ec�edent.B. Essais de frottement afin de d�eterminer le comportementen frottement dynamique des assemblages fil/attache/ligatureen tests lin�eaires mais aussi en tests alternatifs par mouve-ment de fretting. Chaque �echantillon de fil trait�e selon chaquemode sera test�e avec une ligature �elastom�erique standard etune ligature Superslick� (TP). Les trois r�ef�erences TMA� brut,TMA� Low-friction� et acier inoxydable seront test�es de lameme facon.C. Essais m�ecaniques de caract�erisation de l’influence destraitements r�ealis�es par tests en flexion trois points et tests entraction.D. Examen de surface au microscope �electronique et�egalement microphotographies dans un but comparatif.

Essais de frottement lin�eaire

Ces essais permettent de mesurer le frottement dynamique(fig. 3).


[(Fig._3)TD$FIG]

Fig. 3: Linear friction tests conducted with TaN wire and standardligation (performed three times).Fig. 3 : Tests de frottement lin�eaire r�ealis�es avec le fil TaN et la ligature

standard (r�ealis�es trois fois).


The wire to be tested was held in a fork set firmly in themeasurement arm of the tribometer. The bracket was bondedon a support held in a vice. It was then lubrified using a pipettefilled with artificial saliva prepared in compliance withFrench standard NF-S 90-701. Test speed was 0.1 mm/min;linear movement was controled by computer. The test wasdone three times.

Fretting friction tests

The same assemblies were tested using a lubrified alternatingmovement (figs. 4 and 5). These tests were specificallydesigned to determine the static friction coefficient by multi-plying its value by roughly 200 for each assembly. Tests con-sisted of recording a large number of friction cycles. At eachcycle, the wire traveled approximately 0.5 cm in one direction,then 0.5 cm in the other. Each sequence was repeated twice.The vertical range of the tracings, as shown in figs. 4 and 5,shows the recorded and studied measurements.

Mechanical tests

We then performed:— 3-point bending tests to show the rigidity of the wire inflexion and its elastic properties. These tests were performedat a test speed of 1 mm/min and at a distance between thesupport points of 2 cm. Measurements were also taken of themaximum stress achieved in MPa, the elastic limit stress in


Le fil a tester est maintenu dans une fourche solidaire du brasde mesure du tribom�etre. L’attache est coll�ee sur un supportmaintenu dans un �etau. Elle est lubrifi�ee a la pipette par de lasalive artificielle pr�epar�ee selon la norme NF-S 90-701. Lavitesse d’essai est de 0,1 mm/min, le mouvement lin�eaireest control�e par un processeur. Le test est effectu�e trois fois.

Essais de frottement en « fretting »

Les memes assemblages sont test�es par un proc�ed�e de mou-vement alternatif lubrifi�e (fig. 4 et 5). Ces essais mettentl’accent sur le coefficient de frottement statique en multipliantsa mesure par 200 environ pour chaque assemblage. Ilsconsistent en l’enregistrement d’un grand nombre de cyclesde frottement ; a chaque cycle, le fil parcourt environ 0,5 cmdans un sens puis 0,5 cm dans l’autre. Chaque s�equence estr�ep�et�ee deux fois. Les amplitudes verticales des trac�es, telsque repr�esent�es dan les (fig. 4 et 5) repr�esentent les mesuresenregistr�ees et �etudi�ees.

Essais m�ecaniques

Sont r�ealis�es alors :— des essais de flexion trois points illustrant la rigidit�e du fil enflexion et ses propri�et�es �elastiques. Ces essais sont r�ealis�esavec une vitesse d’essai de 1 mm/min et une distance entreles points d’appui de 2 cm. Sont mesur�es la contrainte maxi-male atteinte en MPa, la contrainte a la limite �elastique en

331

[(Fig._4)TD$FIG]

Fig. 4: Fretting test conducted on untreated titanium-molybdenum wire with standardligation.Fig. 4 : Test de « fretting » r�ealis�e sur du titane-molybd�ene brut avec ligature standard.

[(Fig._5)TD$FIG]

Fig. 5: Fretting test conducted on nitrated titanium-molybdenum wire with standard ligation.Fig. 5 : Test de « fretting » r�ealis�e sur du titane-molybd�ene nitrur�e avec ligature standard.

Pol THIRY et al.

MPa and the modulus of elasticity in GPa. The test was donethree times;— traction tests to determine the wire’s mechanical charac-teristics. Measurements were made of the maximum stressachieved in MPa, the conventional elasticity limit at 0.2%inMPa, elongation as a percentage, and the elasticity modulusin Gpa. The tests were done twice.

332

MPa, le module d’�elasticit�e en GPa. L’essai est renouvel�ea trois reprises ;— des essais de traction permettant de d�eterminer les carac-t�eristiques m�ecaniques du fil. Sont mesur�es la contraintemaximale atteint en MPa, la contrainte a la limite �elastiqueconventionnelle a 0,2 % en MPa, l’allongement en pourcen-tage, le module d’�elasticit�e en GPa. Les essais sont r�ealis�esdeux fois.



Examination under SEM

For easier comparisons of the surface states obtained on thedifferent treated wires, a scanning electron microscope studywas performed on each sample, at 750� magnification.

Micrographic examination

The aim of a micrographic examination is:— to observe the structure of the material on a polished coatedcross-section with the help of reactants chosen to exhibit thegrains and any suspected defects. This allowed us to study thesize and distribution of the grains, thus giving an indication oftheir quality. We were also able to check for the absence ofimpurities and to measure the hardness of the core;

— to check the metallurgic soundness of the alloy;— to validate the intrinsic characteristics of the material.

Results and discussion

Results of the linear friction tests

Maximum performances were obtained with the stainless steelwire, thus confirming its status as reference for friction (fig. 6).The best result among the other wires was achieved by the wirenitrided using the cold plasma technique which showed con-siderably lower friction coefficients. The sliding values werelower but close to those obtained with stainless steel.

[(Fig._6)TD$FIG]

Fig. 6: Linear friction tests: mean range of frictiFig. 6 : Essais de frottement lin�eaire : amplitudes


Examen au MEB

Afin de pouvoir comparer facilement les �etats de surface obte-nus des diff�erents fils trait�es, une �etude au microscope�electronique a balayage a �et�e r�ealis�ee sur chaque �echantillon,a un grossissement de 750 fois.

Examen micrographique

L’objectif d’un examen micrographique est :— d’observer la structure de la mati�ere sur une coupeenrob�ee et polie, a l’aide de r�eactifs choisis pour mettre en�evidence les grains et selon les d�efauts soupconn�es. Nouspouvons alors �etudier la taille et la r�epartition des grains, ce quidonne une indication de qualit�e. Il est aussi possible de v�erifierl’absence d’impuret�es et de mesurer �egalement la duret�ea cœur ;— de v�erifier la sant�e m�etallurgique de l’alliage ;— de valider les caract�eristiques intrins�eques de la mati�ere.

R�esultats et discussion

R�esultats des essais de frottement lin�eaire

Les performances maximales sont obtenues par le fil acierinoxydable, confirmant son statut de r�ef�erence pour le frotte-ment (fig. 6). Le meilleur r�esultat concernant les autres fils estobtenu par le fil nitrur�e par la technique du plasma froid,abaissant de facon importante les coefficients de frottementmesur�es. Les valeurs de glissement obtenues sontinf�erieures, mais proches de celles obtenues avec l’acierinoxydable.

on coefficients.moyennes des coefficients de frottement.

333

Pol THIRY et al.

All the treated titanium-molybdenum wires, whether Low-friction� TMA� or the wires coated during the experiment,displayed improved dynamic friction coefficients. The wirescoated with TiN, TaN and ZrN showed no substantial differ-ence versus the Low-friction� TMA� wire.

It is interesting to note the unexpected deterioration of thelinear friction performances when using the Superslick� liga-tures. The different wires proved to be more or less sensitive tothe type of elastomeric ligation used: the wire coated with TaNand the Low-friction� TMA� wire were less efficient with theSuperslick� ligatures, whereas the wires in bare titanium-molybdenum, stainless steel or the wire nitrided by coldplasma demonstrated virtually the same performances despitethe change of ligature.

Results of the alternating fretting tests

Fig. 5 presents the results of the mean range calculated fromall the peaks shown in the graphs (fig. 7). For each result a[(Fig._7)TD$FIG]

Fig. 7: Fretting tests: compared amplitude (two tFig. 7 : Essais de fretting : amplitude moyenne

assemblage).

334

Tous les fils de titane-molybd�ene trait�es, que ce soit le fil deTMA� Low-friction� ou les fils revetus dans l’exp�erimentation,font �etat d’une am�elioration du coefficient de frottement dyna-mique. Les fils revetus par TiN, TaN et ZrN ne pr�esentent pasde diff�erence tr�es significative avec le fil de TMA� Low-friction�.Il est tr�es int�eressant de noter la d�egradation des perfor-mances en frottement lin�eaire lors de l’utilisation de ligatureSuperslick�, alors que l’inverse �etait attendu. Les fils s’av�erentplus ou moins sensibles au type de ligature �elastom�eriqueutilis�e : le fil revetu de TaN ou le fil TMA� Low-friction� sontmoins performants avec les ligatures Superslick�, alors queles fils de titane-molybd�ene brut, d’acier inoxydable ou le filnitrur�e par plasma froid montrent des performances peudiff�erentes malgr�e le changement de ligature.

R�esultats des essais de frottement alternatif en« fretting »

Chaque s�equence d’essai en fretting aboutit a un trac�e telque repr�esent�e en exemple dans la fig. 4 ou 5(fig. 7). Pour

est sequences per assembly).s compar�ees (deux s�equences de tests par



comparative coefficient is recorded on a scale from 1 to 20.The results of the two tests are also given, the first series usingthe conventional ligatures and the second the Superslick�

ligatures.

As with the linear friction tests, the perfomance of the coldplasma nitrided wire was extremely good with results farsuperior to the other wires. However, these performances werestill considerably lower than those obtained with the stainlesssteel wire. The nitrided titanium-molybdenum wire exhibitedbetter performances in terms of alternating friction than stain-less steel. Classically, we found a lesser performance for thecontrol titanium-molybdenum compared with the stainlesssteel wire. The Low-friction� TMA� displayed a roughly20% improvement versus the untreated wire. The TaN andthe TiN had better results than the Low-friction� TMA� withstatic friction coefficients 50% lower than Low-friction�

TMA�. The ZrN-coated wire gave the poorest results with amuch higher static friction score than the other wires. Thistechnical solution would appear to be unsuitable.

Results of the 3-point bending tests

The stress values for the TiN-coated wire increased sharplyrelative to the untreated wire, thus making it much morefragile and brittle than rival samples (Table I). This wire didnot comply with the initial specifications and would thereforeappear to be an unsuitable solution.

In contrast, the other coatings did not significantly alter themechanical properties of the wire, signifying that the treat-ment appeared to be appropriate. It would appear that (inparticular) an excessively high deposition temperature entailssignificant changes in the mechanical properties although, inmechanical orthodontics, wire flexibility is of course vital.

Table IMean results of the three 3-point bend tests.

Designation/D�esignation MaximumachievedContraintatteinte (M

Stainless steel wire/Fil acier inoxydable 287Titanium-molybdenum wire/Fil titane-molybd�ene 181Low-friction� TMA wire/Fil TMA Low-friction� 174TaN-coated wire/Fil revetu TaN 193TiN-coated wire/Fil revetu TiN 231ZrN-coated wire/Fil revetu ZrN 208Nitrided wire/Fil nitrur�e 167


comparer les r�esultats, sont mesur�ees les amplitudesmoyennes de ces trac�es, calcul�ees sur l’ensemble des picsobtenus. Il est accord�e a chaque r�esultat un coefficient decomparaison sur une �echelle de 1 a 20. Sont not�es dans lafig. 7 les r�esultats pour les deux essais, la premi�ere s�erie sefaisant avec ligature classique et la seconde s�erie avec liga-tures Superslick�.De lameme facon que pour les essais de frottement lin�eaire, laperformance du fil nitrur�e par plasma froid se r�ev�ele tr�esint�eressante en montrant des r�esultats significativementsup�erieurs aux autres fils. Le fil de titane-molybd�ene nitrur�ea de meilleures performances en termes de frottement alter-natif que l’acier inoxydable. Classiquement, on retrouve uneperformance moins bonne du titane-molybd�ene t�emoin, parrapport au fil d’acier inoxydable. Le TMA� Low-friction� mon-tre une am�elioration d’environ 20 % par rapport au fil nontrait�e. Les revetements de TaN et de TiN s’av�erent plus per-formants que le TMA� Low-friction�, puisque faisant �etat decoefficients de frottement statique inf�erieur de 50 % au TMA�

Low-friction�. Le fil revetu de ZrN offre les r�esultats les plusfaibles, avec un frottement alternatif nettement sup�erieur auxautres fils : cette solution technique semble inadapt�ee.

R�esultats des essais de flexion trois points

Les valeurs de contrainte mesur�ees augmentent nettementpour le fil revetu de TiN par rapport au fil brut non trait�e, cequi le rend beaucoup plus fragile et cassant que sesconcurrents : ce fil ne r�epond pas au cahier des charges initialet cette solution technique semble devoir etre �ecart�ee(Tableau I).En revanche, les autres revetements ne modifient pas signifi-cativement les propri�et�esm�ecaniques du fil, ce qui signifie queles conditions de traitement mises au point semblentadapt�ees. En effet, une temp�erature de d�epot trop �elev�ee(en particulier) aurait pour cons�equence de modifier significa-tivement les propri�et�es m�ecaniques, et en m�ecanique ortho-dontique, la flexibilit�e du fil est bien sur essentielle.

Tableau IMoyenne des r�esultats des trois tests de flexion trois points.

stress/e maxipa)

Stress at elastic limit/Contrainte a la limite�elastique (Mpa)

Elasticity modulus/Moduled’�elasticit�e (Gpa)

8 1257 1713 1359 726 1043 586 1457 823 2093 1248 1638 898 1381 88

335

Pol THIRY et al.

Results of the traction tests

During these tests, the TiN-coated wire once again displayedincreased stress values and greater fragility (Table II). We alsoobserved reduced elongation characterizing the plastic defor-mation. In the clinical setting, elongation allows the desiredform to be given to the archwire. A high elongation percentagethus points to good malleability. The 6.8% elongation of thenitrided wire is thus very promising.

The conclusions to be drawn from these tests resemble thosefor the 3-point bending tests.It is important to note that the elastic limit values, both intraction and on bending, were very close and even identical tothe values reported by Burstone, thus clearly validating thesecomparative tests.

SEM examination

Firstly, we observed the major difference in appearancebetween the surfaces of the stainless steel and the untreatedtitanium-molybdenum wires (figs. 8 and 9). SEM inspectionprovided an image of the treatment and showed the smoothingof the asperities achieved by the different forms of treatment.The Low-friction� TMA� and TaN-coated wires displayedsimilar surfaces with only shallow asperities. The wires coatedwith TiN and ZrN exhibited porosities which were both largerand more numerous. The nitrided wire for its part exhibited asurface which appeared to have been hammered.

Micrographic examination

This examination enabled us to validate the industrial pro-cesses used in the study by demonstrating the quality of theresulting alloys (fig. 10). It also revealed the presence of a

able IIesults of the traction tests.

Tableau IIR�esultats des essais en traction.

esignation/D�esignation Maximumstress achieved /Contrainte maxiatteinte (Mpa)

Stress at the conventionalelastic limit at 0.2%/Contrainte a la limite�elastique conventionnellea 0,2 % (Mpa)

Elongation/Allongement(%)

Elasticitymodulus/Moduled’�elasticit�e(Gpa)

tainless steel wire/Fil acier inoxydable 1855 1534 4.0 178itanium-molybdenum wire/Fil titane-molybd�ene 1233 903 5.4 63ow-friction� TMA wire/Fil TMA Low-friction� 1026 760 6.0 58aN-coated wire/Fil revetu TaN 1405 1338 4.1 75iN-coated wire/Fil revetu TiN 1395 /a 2.9 108rN-coated wire/Fil revetu ZrN 1380 1287 4.6 74itrided wire/Fil nitrur�e 1028 999 6.8 73

The rupture was reached before the elastic limit of 0.2%

TR

D

STLTTZNa

aLa rupture a �et�e atteinte avant la limite �elastique de 0,2 %.

336

R�esultats des essais de traction

Lors de ces essais, le fil revetu de TiN pr�esente commepr�ec�edemment une augmentation des contraintes mesur�eeset une plus grande fragilit�e (Tableau II). Remarquons aussi labaisse de l’allongement, qui caract�erise la d�eformation plas-tique ; cliniquement, l’allongement permet de donner la formevoulue a l’arc. Un pourcentage d’allongement �elev�e laissedonc pr�esager d’une bonne mall�eabilit�e. Ainsi, l’allongementde 6,8 % du fil nitrur�e est tr�es prometteur.Les enseignements de ces essais sont voisins de ceux desessais de flexion trois points.Il est important de noter que les valeurs de limite �elastique,tant en traction qu’en flexion sont tr�es proches voire stricte-ment �egales aux valeurs avanc�ees par Burstone, supposantune bonne validation de ces essais comparatifs.

Examen au MEB

On remarque en premier lieu la diff�erence d’aspect importanteentre la surface du fil en acier inoxydable et celle du fil entitane-molybd�ene non trait�e (fig. 8 et 9). L’examen au MEBoffre une image du traitement et montre l’adoucissement desasp�erit�es par les diff�erents traitements. Les fils TMA� Low-friction� et revetu de TaN poss�edent des �etats de surfacesimilaires pr�esentant des asp�erit�es peu profondes. Les filsrevetus de TiN et de ZrN pr�esentent des porosit�es plus impor-tantes en nombre et en taille. Le fil nitrur�e quant a lui, laisseapparaıtre un �etat de surface ressemblant plus a un matage.

Examen micrographique

Il a permis de valider les proc�ed�es industriels mis en œuvredans l’�etude, en mettant en �evidence la qualit�e des alliages enr�esultant (fig. 10). Il rend compte �egalement de la pr�esence


[(Fig._8)TD$FIG]

Fig. 8: SEM view of the surface of the titanium-molybdenum wire(� 750).Fig. 8 : Photographie au MEB de la surface du fil titane-molybd�ene

(750�).

[(Fig._9)TD$FIG]

Fig. 9: SEM view of the surface of the nitrided wire (� 750).Fig. 9 : Photographie au MEB de la surface du fil nitrur�e (750�).


diffusion layer of nitrogen atoms at the surface of the wiretreated by cold plasma nitridation as well as confirming com-pliance with the profiles and angles of the wire with a coatingthat was both uniform and thin (much less than 10 mm).

Summary of results and discussion

The best result was obtained, in terms of the parametersstudied (linear friction, fretting and mechanical tests), bythe titanium-molybdenum wire nitrided using the cold plasmatechnique (Table III). The other coatings showed an occasion-ally marked diminution in at least one of the characteristics


d’une couche de diffusion des atomes d’azote dans la surfacedu fil trait�e par nitruration par plasma froid, ainsi que du res-pect des profils et angles du fil, le revetement �etant uniforme etfin (bien moins de 10 mm).

R�esultats synth�etiques et discussion

Le meilleur r�esultat est obtenu, selon les param�etres �etudi�es(essais de fottement lin�eaire, de fretting et essaism�ecaniques), avec le fil de titane-molybd�ene nitrur�e par tech-nique de plasma froid (Tableau III). La nature des autresrevetements se traduit par une diminution parfois importante

337

[(Fig._10)TD$FIG]

Fig. 10: Microphotographic view of the diffusion layer of the struc-ture of the nitrided titanium-molybdenum (� 1000).Fig. 10 :Examenmicrophotographique de la couche de diffusion de la

structure du titane-molybd�ene nitrur�e (grossissement 1000).

Pol THIRY et al.

under investigation. The nitrited titanium-mobyldenumachieved friction coefficient values which closely matchedthose of stainless steel while preserving good mechanicalproperties. Even its elongation capacity improved.

Regarding the other surface treatments, the TiN-coated wiregave useful friction results but showed very poor mechanicalcharacteristics, being particularly fragile and brittle.

The TaN-coated wire followed the same pattern with negative,though more moderate, variations regarding mechanicalbehavior.Finally, the ZrN treatment produced no improvement regard-ing friction and diminished the wire’s mechanical properties.

Table IIISummary of changes in the properties of the different testwires versus the original titanium-mobyldenum.

Designation/D�esignation Friction performancesPerformancesen frottement

TiN-coated wire/Fil revetu TiNTaN-coated wire/Fil revetu TaNZrN-coated wire/Fil revetu ZrNNitrided wire/Fil nitrur�e

338

d’au moins une des caract�eristiques �etudi�ees. Le titane-molybd�ene nitrur�e obtient des valeurs de coefficient de frotte-ment qui concurrencent tout a fait ceux de l’acier inoxydable,en conservant de bonnes propri�etes m�ecaniques. Son allon-gement est meme am�elior�e.En ce qui concerne les autres traitements de surface, le filrevetu de TiN est tr�es int�eressant en frottement, mais tr�esmauvais m�ecaniquement car devenu particuli�erement fragileet cassant.Le fil revetu de TaN suit le meme sch�ema, avec des variationsn�egatives en comportement m�ecanique qui sont plusmod�er�ees.Quant au traitement au ZrN, il n’apporte pas d’am�elioration enfrottement et d�egrade les propri�et�es m�ecaniques du fil.

Tableau IIIR�ecapitulatif de l’�evolution des qualit�es des fils lors des essais,par rapport au titane-molybd�ene original.

/ Traction testperformances/Performancesen essai de traction

Bending testperformances/Performancesen essai de flexion



Of note, the Superslick� ligatures induced no improvement inthe tribological behavior of the wires. On the contrary, adegree of deterioration was observed in the performances ofthe wires coated with TaN, TiN and ZrN. This finding confirmsthe practical observation made during the tests. Superslick�

ligatures appeared to us to be very stiff and probably placedexcessive pressure on the wire. The differences between theresults obtained according to the ligation used also confirmhow important this factor is since it sometimes gives rise tomajor variations in tribological performance.

Conclusion

Titanium-molybdenum wire provides mediocre performancesin terms of sliding. Thanks to the development of new coatings,it is now possible to considerably improve the tribologicalbehavior of titanium-molybdenum with surface treatmentsoffering promising prospects for the technical ameliorationof this alloy in particular.A novel process has been developed combining ion nitridationand cold plasma technology. Cold plasma nitridation of tita-nium-molybdenum wire involving implantation of nitrogenatoms at the surface and sub-surface of the wire not onlysubstantially reduces friction but also preserves the mechan-ical properties which constitute the principal benefit of thiswire.There is every hope, therefore, that the indications for tita-nium-molybdenum will extend to clinical situations whichwere previously beyond its scope.Advances in scientific research will probably enable us tobetter understand the biology of tooth displacement and tobetter control the biological processes involved. In the meantime, innovative materials will continue to make a notablecontribution to advances in orthodontic treatment.

Conflict of interest statement

None.


Il faut remarquer que l’emploi des ligatures Superslick�

n’entraıne pas d’am�elioration du comportement tribologiquedes fils ; au contraire, une certaine d�egradation des perfor-mances est not�ee pour les fils revetus de TaN, TiN et ZrN. Celaest a rapprocher de la constatation pratique faite pendant lesessais : les ligatures Superslick� nous ont paru tr�es rigides etprobablement a l’origine d’une pression excessive sur le fil.Les diff�erences entre les r�esultats obtenus selon la ligatureemploy�ee confirment aussi l’importance de ce facteur, a l’or-igine de variations parfois importantes en termes de perfor-mances tribologiques.

Conclusion

Le titane-molybd�ene est un fil offrant de pi�etres qualit�es entermes de glissement. Par le d�eveloppement de nouveauxrevetements, il est possible d’am�eliorer sensiblement lecomportement tribologique du titane-molybd�ene, les traite-ments de surface offrant des perspectives importantesd’am�elioration technique pour cet alliage en particulier.Un proc�ed�e innovant a �et�e mis au point : il s’agit d’une nitrura-tion ionique, utilisant la technologie du plasma froid. La nitrura-tion par plasma froid du fil de titane-molybd�ene, par implanta-tion d’atomes d’azote dans la surface et la sub-surface du fil,permet non seulement une r�eduction importante du frotte-ment, mais aussi la conservation des propri�et�es m�ecaniquesqui font l’int�eret de ce fil.Nous pouvons ainsi esp�erer voir les indications du titane-molybd�ene s’�elargir dans des situations cliniques qui lui�etaient jusqu’alors inaccessibles.Les progr�es de la recherche scientifique nous permettrontprobablement de mieux comprendre la biologie dud�eplacement dentaire et d’en maıtriser les processus biologi-ques. En attendant, l’apport de mat�eriaux innovants conti-nuera a participer de facon notable aux progr�es de la th�era-peutique orthodontique.

Conflit d’int�eret

Aucun.

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