‘Hoe militair onderzoek één van de meest gebruikte metalen in de medische sector heeft opgeleverd’

Voor de Universiteit Van Vlaanderen buigt Nick Schryvers zich over de vraag hoe een beugel weet hoe je tanden goed moeten staan?

In juni 2020 rapporteerde de British Association of Dental Nurses een toename in de vraag voor tandbeugels voor volwassenen. Volgens het artikel had mogelijk het verhoogde gebruik van social media tijdens de lockdown ervoor gezorgd dat mensen meer bekommerd waren over hun uiterlijk en ook meer beïnvloed waren door beroemdheden. Men uitte ook zijn bezorgdheid over zgn. do it yourself tandbeugels die een toename hadden gekend toen tandartsbezoeken voor esthetische ingrepen verboden waren.

Maar hoe werkt zo’n tandbeugel nu eigenlijk? En zou je dat zelf kunnen doen?

Als we de medische literatuur bekijken, lezen we dat er verschillende soorten beugels bestaan. De waarschijnlijk meest bekende methode is die met zichtbare blokjes die met sterke lijm bevestigd worden op de voorzijde van de tanden en die verbonden worden door een metalen draad. Die draad moet ervoor zorgen dat er een trekkracht wordt uitgeoefend op de tanden zodat die uiteindelijk in een egale boog in de mond komen te staan. Nu bestaan er in grote lijnen twee soorten draden die hiervoor gebruikt worden: gewone stalen draden en zgn. superelastische of vormgeheugen-draden.

Als we een stalen draad te sterk vervormen dan weten we, denk bv aan de draadjes die je gebruikt om een vetbolletje op te hangen in de tuin, dat die draad niet vanzelf terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm. De vervorming blijft zoals ze is, ook als je de draad loslaat. Dat komt omdat op atomair niveau, waar de ijzeratomen gerangschikt zitten zoals de bollen in het Atomium in Brussel, er bij vervorming defecten in het materiaal ontstaan waarbij bindingen tussen atomen verbroken worden. Laten we zo’n draad los, dan herstellen die bindingen zich niet vanzelf en blijft de draad dus in zijn vervormde toestand staan: dat noemen we plastisch gedrag. Enkel wanneer je zo’n draad maar een beetje vervormt, minder dan één procent, kunnen de atomen terugkeren naar hun oorspronkelijke toestand: dat noemen we elastisch gedrag. Dat kleine procent kan men gebruiken om de draad tussen de blokjes te schuiven waarbij de draad maar een beetje vervormt, zodat hij de tanden een beetje richting de gewenste positie kan trekken. Het probleem is dat zo’n kleine vervorming meestal onvoldoende is en de tandarts dit dus enkele keren moet herhalen, soms over een periode van enkele maanden, met alle ongemakken voor de patiënt van dien.

Een materiaal dat we meer elastisch kunnen vervormen en dat toch voldoende kracht kan uitoefenen om de tanden te verplaatsen bij terugkeer naar zijn originele vorm zou dus erg handig kunnen zijn.

In 1959 was men in de Naval Ordnance Laboratories in de Verenigde Staten op zoek naar een materiaal dat kon gebruikt worden om de punt van een Polaris raket te verstevigen zodat die goed bestand zou zijn tegen het terugkeren in de dampkring. In eerste instantie werden zo’n 60 verschillende legeringen onderzocht waarvan uiteindelijk een tiental werden overgehouden voor verder onderzoek. Daaronder ook een legering van nikkel (Ni) en titaan (Ti) met ongeveer een 50/50 verhouding tussen beide elementen. Een makkelijke test om de mogelijkheid van het dempen van schokken te onderzoeken, is het materiaal te laten vallen op een harde ondergrond. Hoor je een doffe plof in plaats van een scherpe tik, dan zal het eerder verbuigen of een deuk krijgen dan in stukken breken bij een grote impact.

Nu bleek dat voor dit Ni-Ti materiaal de klank erg verschilde of het materiaal koud of warm was. Dit betekent dat de inwendige kristalstructuur sterk verschilde voor beide toestanden, iets wat zeker niet verwacht werd. In de jaren nadien werd het materiaal verder onderzocht, o.a. door na te gaan in hoeverre het materiaal bestand was tegen veelvuldig herhaalde vervormingen.

Tijdens een demonstratie in 1961 werd een stukje geplooide draad doorgegeven in een publiek van collega-onderzoekers die zo zelf konden voelen dat de draad erg soepel en makkelijk te verbuigen was. Eén collega hield een vlammetje van een aansteker onder de vervormde draad die daardoor plots terug zijn originele vorm aannam! Blijkbaar had men een materiaal gevonden dat met een klein beetje warmte-energie een grote mechanische kracht kon ontwikkelen. Later ontdekte men dat de reden van dit gedrag opnieuw ligt bij de atomaire structuur van Ni-Ti, dat ondertussen was omgedoopt tot Nitinol (Ni-Ti-Naval Ordnance Laboratories).

Wanneer het materiaal wordt afgekoeld van een hoge temperatuur naar bv. kamertemperatuur, ondergaat de kristalstructuur een zgn. fasetransformatie waarbij de atomen zich niet meer op een kubisch rooster zoals het Atomium bevinden, maar verschuiven naar bv een meer rechthoekig rooster. Omdat zo’n verschuiving op meerdere manieren kan gebeuren kan het materiaal ook makkelijk meerdere vormen aannemen zonder dat dit veel defecten in de atomaire bindingen veroorzaakt. Warm je het materiaal terug op, dan keert het inwendig terug naar zijn originele kubische structuur en neemt het ook de bijhorende uitwendige vorm aan. Deze eigenschap werd vormgeheugen genoemd.

Hetzelfde soort materiaal kan daarnaast ook superelastische eigenschappen bezitten, waarbij inwendig hetzelfde fenomeen plaatsvindt, maar nu als gevolg van een uitwendige spanning. Dat betekent dat we nu over een materiaal beschikken dat veel sterker kan vervormd worden dan staal en dat nadien toch vlot kan terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm. Voor een tandbeugel is die oorspronkelijke vorm de egale stand van de tanden in een halve boog. De Nitinol draad wordt dan vervormd zodat hij perfect past bij de originele stand van de tanden, vastgezet in de blokjes en begint vanzelf aan zijn elastische terugkeer naar zijn ideale boogvorm. Dit proces kan de behandeling sterk verkorten, maar het blijft zaak dit te laten uitvoeren door een gespecialiseerde tandarts. Zo is het gedrag van Nitinol zeer gevoelig aan de samenstelling en behandeling van de draden en zal de keuze tussen staal en Nitinol ook afhangen van het gebit.

Ondertussen wordt Nitinol veelvuldig gebruikt in de medische sector, denk bv aan soepele geleidingsdraden bij invasieve chirurgie, maar ook klemmen voor botbreuken en stents die vanzelf uitzetten op de plek van de adervernauwing. Ook in de telecommunicatie (antennes), transport (kleppen), veiligheid (sprinklers), infrastructuur (schokbeveiliging), ruimtevaart, slimme kledij, microchips, en zelfs in de sport (golfclubs) en voor juwelen worden Nitinol en andere vormgeheugen-materialen gebruikt.

Ik pleit hiermee zeker niet voor meer investeringen in militair onderzoek, maar bij uitbreiding is dit een erg mooi voorbeeld van serendipity waarbij men een zeer nuttige eigenschap ontdekt terwijl men naar iets heel anders op zoek is. Dat anders kan evengoed een puur fundamentele of blue sky onderzoeksvraag zijn waarbij men enkel wil begrijpen hoe de wereld in elkaar zit. Zonder de relativiteitstheorie van Einstein zou er nu geen GPS zijn, maar dat zat zeker niet in zijn achterhoofd toen hij zich boog over het toenmalige probleem van de eindige lichtsnelheid.