Родом из эпохи Просвещения: краткая история брекетов

#Технологии
АП
Ася Петухова

Зубные брекеты — хороший пример того, как изобретение XVIII века могло быть реализовано в полной мере лишь в наше время и лишь при помощи новейших технологий. Классическая брекетная система устроена очень просто: подковообразная упругая дуга из проволоки, на которую нанизаны пластинки брекетов, приклеенные к поверхности зуба, иногда поверх системы крепятся дополнительные тяги (резинки, цепочки, пружинки), которые помогают давить на зуб в нужном направлении — горизонтальном, вертикальном, относительно его оси. 

Конструкция действительно проще некуда, по сложности ее даже сравнивать смешно с механизмами хронометров или музыкальных шкатулок Нового времени. Это дает основания историкам медицины относить изобретение брекетов к эпохе древнеегипетских фараонов. Археологи неоднократно находили мумии, у которых резцы были связаны между собой золотыми проволочками, а у некоторых на зубах сохранились остатки нитей кетгута — древнейшего эластика из кишок животных, который до сих пор используется в хирургии в качестве саморассасывающегося шовного материала и для струн некоторых народных музыкальных инструментов. 

Но говорить о том, что это были брекеты можно только с известной долей вероятности. Судя по конструкции проволочных повязок на зубах этрусков, финикийцев и древних египтян (конструкция кетгутовых, естественно, не сохранилась), они могли давить на зубы только в одном направлении — чтобы сузить диастему между резцами. Логичнее предположить, что это был крепеж для предотвращения выпадения шатающихся зубов при парадонтозе. Хотя кто его знает, например, говорят, что Клеопатра носила что-то вроде проволочных золотых брекетов. Можно, конечно, ради красного словца ко всем несчастьям Клеопатры сделать ее еще кривозубой, вот только, судя по ее мраморному лику, прикус у нее был нормальный, разве что нижняя челюсть тяжеловата и нижние резцы могли заходить на верхние. Но в таком случае ей могли помочь только механические брекетные системы XIX века, а никак не золотая оплетка на зубах.

Впрочем, подобные умопостроения в истории брекетов относится к разряду апокрифов, настоящая задокументированная их история начинается с 1728 года, когда в Париже вышел труд Пьера Фошара «Хирургическое зуболечение», в котором был рисунок и краткое описание стоматологического инструмента под названием bandeau в форме металлической подковы с торчащими из нее проволочками, за которые эту подкову можно было накрепко привязать к зубному ряду. На этом основании Фошар и считается сейчас изобретателем первой брекет-системы современного типа.

Это верно, но с оговорками. Вообще-то Фошар описал в своем труде весь инструментарий современного ему стоматолога, включая зубоврачебное кресло, потому что раньше пациент садился на пол, а дантист зажимал ему голову между коленями, чтобы тот поменьше дергался. Конечно же, не он изобрел стоматологическое кресло, первые бормашины и еще сотни инструментов, описанных в его книге, он лишь оценил их с профессиональной точки зрения, ну и, разумеется, не преминул рассказать о своих собственных идеях на этот счет. 

Его книга в первую очередь была манифестом новой медицинской специальности, заявкой стоматологов того времени на вхождение во врачебное профессиональное сообщество, куда зубодеров не пускали, не считая их докторами. Сам Фошар в стоматологии был самоучкой, а медицинский диплом в университете города Анже получил как обычный хирург. Заявка была удачной, книгу Фошара ударными темпами перевели на немецкий язык, в Англии и остальных странах Европы доктора ее читали в оригинале, французский язык в те времена был мировым, а стоматология к середине XVIII века стала вполне респектабельной медицинской профессией. 

Узкой специализаций самого Пьера Фошара в зуболечении были дефекты неба, и он изобрел несколько вариантов того, что сейчас в стоматологии называется обтураторами — протезами для нёба. Одни обтураторы Фошара просто прикрывали дефекты нёба, не позволяя пище попадать в носовую полость, другие — и таких было большинство — были предназначены для правильного формирования свода нёба путем давления не него пластины обтуратора, закрепленного на зубах. На этом же принципе постоянного давления работал и дугообразный «брекет» Фошара. 

Еще до того, как появилась медицина, человек свято верил в возможность исправить «ошибки» природы. Во всем мире со времен неолита матери делами своим детям головки огурцом, бинтуя их с рождения. Делали это во времена Фошара и во Франции в окрестностях Тулузы, даже термин был в медицине «тулузская деформация», когда младенцам повязывали на головку bandeau (бандо, в дословном переводе – оголовье), то есть тугую бандану, говоря современным языком. 

Вот почему важно то, что Фошар назвал в своей книге свои брекеты bandeau, хотя они уж точно никак не могли ассоциироваться с головной повязкой. Этим названием Фошар явно подчеркивал принцип действия конструкции, и не так важно, сам ли он ее придумал или описал уже существовавшую. Важно то, что на нее обратили внимание зубные доктора во всей Европе, да и в Новом Свете тоже. Не прошло и четверти века, как  «бандо» Фошара примеривал на зубы придворных в Версале личный стоматолог Людовика XV Этьен Бурдо. 

Сейчас даже в серьезных научных работах часто пишут, что Бурдо усовершенствовал конструкцию Фошара. Но достаточно посмотреть на рисунки в книге Бурдо «Исследования и наблюдения во всех областях искусства стоматолога», чтобы убедиться: у него была точная копия бандо Фошара. Бурдо остался в истории стоматологии в общем и истории брекетов — в частности по другой причине. Он первым решил, что для исправления прикуса с помощью давящей на зубы конструкции, надо удалить один или сразу оба премоляра — зуба, следующих за клыком в сторону коренных зубов. Мол, так будет больше места для сдвига резцов и клыков в нужном направлении. В прошлом веке экстракция премоляров легла в основу брекет-систем Чарлза Твида. А в XVIII веке это было началом нового направления в стоматологии — ортодонтии, медицинской науки лечения и профилактики зубных аномалий, и Бурдо может по праву считаться «отцом ортодонтии».

Что же касается «бондо» Фошара в виде металлической дуги, то дальнейшее ее совершенствование упиралось в способ создания давления на зуб. Это давление создавалось проволочными или шелковыми лигатурами, которые прижимали «неправильно» выросшие зубы к металлической дуге. Поддерживать таким способом постоянное давление на зуб по мере его выправления было более чем проблематично. Было бы совсем другое дело, если сама дуга обладала упругостью. Но драгоценные и цветные металлы достаточной упругостью не обладали, а технологий изготовления достаточно упругой стали в те времена еще не было. Ковать же на зубные скобы из гибкой и упругой метеоритной или дамасской стали — до таких фантазий инженерная мысль врачей-ортодонтов того времени не воспарила. Максимум того, что можно было сделать, были распорки, клинья, стягивающие рычаги на винтовой основе.

Коренным образом ситуация изменилась в 1840-е годы, когда Чарлз Гудиер открыл способ вулканизации серой каучука с получением на выходе резины. Резиновые тяги тут же нашли применение в брекетных конструкциях, а сами bandeau Фошара в буквальном смысле этого слова превратились в конские оголовья, где роль мундштука выполняла металлическая зубная скоба, а поводьев — резиновые тяжи, которые крепились к сетчатой шапочке типа ермолки на темени пациента. Это был так называемый внеротовой вариант брекетов, который работал весьма эффективно особенно для коррекции протрузии зубов (когда резцы торчали вперед типа заячьих). 

И классических фошаровских скоб, и внеротовых брекетных систем с резиновой или механической рычажной тягой на протяжении XIX века была разработана масса. Желающие с ними познакомиться могут полистать книгу 1880 года американского врача-ортодонта XIX века Нормана Кингсли Treatise on Oral Deformities («Трактат о зубных аномалиях»). Она доступна в интернете, и читать все ее 600 страниц нет необходимости, достаточно посмотреть в ней иллюстрации, чтобы понять принцип работы предков современных брекетов и оценить те мучения, которые были вынуждены терпеть пациенты, желавшие исправить себе прикус. Для более углубленного знакомства с разнообразием брекетных систем XVIII и XIX веков подойдет двухтомный «Трактат о зубных ненормальностях и их исправлении» (A Treatise on the Irregularities of the Teeth and Their Correction) 1889 года Джона Фаррара, он тоже доступен и интернете и в нем несколько сотен иллюстраций разных вариантов брекетных систем. 

Но особенно интересно тут то, что при таком изобилии брекетных конструкций прошлого, многие из которых патентовались их авторами, в истории брекетов того времени не было ни одной громкой патентной коллизии. Причину этого исчерпывающе объяснил доктор Норман Кингсли, один из самых плодовитых изобретателей брекетных систем XIX века: «Лечение неровностей зубного ряда почти полностью механическое, но оно выходит за рамки обычной механики. К анатомическим, физиологическим и патологическим знаниям, требуемым от врача, должны быть добавлены знание механики и изобретательность для их применения. Рычаги, шкивы, наклонные плоскости, клинья и винты — все в его распоряжении, но описать устройство, которое было бы применимо к всем случаям, так же невозможно, как и предвидеть будущее». 

И далее доктор Кингсли приводит пример из своей практики: «Ко мне пришел на консультацию дантист со своим пациентом. Его приспособление было очень хорошо сделано и находилось во рту пациента несколько дней, но без каких-либо заметных изменений. Поскольку ранее я сам предлагал похожий тип прибора, то мне хватило одного взгляда, чтобы увидеть, что в данном случае сила работает в обратном направлении, чего мой коллега не распознал. Все, что требовалось, это, используя его же прибор, изменить тип лигатуры, и в течение сорока восьми часов наблюдалось заметное перемещение зубов пациента в нужном направлении». Проще говоря, брекеты подобного рода можно было запатентовать, но опыт по их настройке на зубах конкретного пациента не запатентуешь, это не техническое решение. 

Время патентов пришло только на рубеже XIX и XX веков, когда инженерная мысль, проделав зигзаг длительностью в полтора века, вернулась, как говорится, к истокам — дуге Фошара, только на этот раз сделав ставку на ее упругость. Иным словами, давление на зуб создавала не лигатура, которая его подтягивала к пассивной в динамическом плане дуге, выполнявшей по сути роль хирургической шины, а сама упругая дуга, к которой намертво крепился зуб. Такую дугу из сплава золота с титаном запатентовал американский доктор Эдвард Энгл в 1899 году, назвав ее «расширительной дугой» (expansion arch, или коротко E-Arch). Это был принципиальный момент во всей истории с брекетами, дальше оставались лишь технические детали — как самым оптимальным образом передать давление от упругой дуги на зуб, создав нужный вектор силы. 

На решение этих частных технических деталей у доктора Энгла ушло без малого тридцать лет, а путь его инженерных решений можно проследить по его патентам, которых у него набралось 46 штук. В его первой Е-дуге зубы притягивались к ней проволочными лигатурами, точь-в-точь как у Фошара и Бурде. Затем лигатуры он заменил на кольца (иногда их называют трубками), которые надевались на каждый зуб, но такая система была сложной в регулировке и, главное, дискомфортна для пациента. Следующим шагом была система, получившая в истории ортодонтии название «ленточной». Она была несколько раз усовершенствована самим Энглом, а ее финальный вариант он запатентовал в 1918 году (патент US 1280628 с приоритетом от 28 ноября 1916 года). В заявке на это изобретение зафиксирована возможность довольно простым способом (с помощью упругой, передвигающейся по дуге ленты) давить на зубы, точнее группы зубов, в разных направлениях, не только меняя их наклон, но в поперечном направлении. 

Изображение из патента US 1280628

И, наконец, в 1925 году доктор Энгл запатентовал так называемую эджуайз-систему. В ней ранее все-таки довольно массивная Е-дуга редуцировалась до тонкой прямоугольной в сечении пластинки, которая была вставлена в замки с пазами горизонтально, то есть ее широкая плоскость была перпендикулярно зубному ряду. Регулируя замки-зажимы, можно было регулировать на данном отрезке дуги и вектор давления на зубы. Отсюда остался один шаг до брекетов современного вида. Но сделать этот шаг, низведя Е-дугу до тонкой проволоки, а замки, нанизанные на ней, превратить в индивидуальный для каждого зуба пресс давления, можно было только при двух условиях.

Во-первых, надо было иметь такую проволоку: тонкую, гибкую и упругую. Во-вторых, суметь прочно зафиксировать брекет на поверхности зуба. С проволокой проблем не было уже во времена доктора Энгла. Достаточно упругая легированная сталь появилась в конце XIX века, а в 1920-е годы была запатентована нержавеющая сталь. А вот с ортодонтическим клеем пришлось подождать до середины 1950-х годов, пока американский дантист Майкл Буонокоре не придумал способ кислотного протравливания зубной эмали, чтобы на ней прочно держался акриловый адгезив. Правда, до брекетов ортодонтические адгезивы добрались только в 1970-е годы. Только тогда и появились брекетные системы современного вида.

Примерно в то же время в брекетной технологии наметился прорыв, связанный с эффектом памяти формы у некоторых сплавов. Этот эффект был открыт в 1932 году шведским ученым Арне Оландером у сплава золота с кадмием, а в нашей стране эффект памяти формы был предсказан в 1948 году, а потом в 1949 году и получен у целого класса сверхупругих сплавов на основе алюминиевой бронзы (эффект Курдюмова). В Америке в конце 1950-х годов аналогичный эффект был открыт у сплава никеля и титана. Но процедура его получения и обработки поначалу была очень трудоемкой, лишь спустя годы началась коммерциализация этого сплава, получившего название нитинол. 

Нитинол оказался весьма полезным как в технике, так и в медицине, например, из него делали ортопедические имплантанты, катетеры, сверхпластичные иглы, а в 1970-е годы в брекетных системах появились первые Е-дуги из нитинола. Правда, поначалу такие брекеты использовали только на начальной стадии выравнивания зубов — из-за того, что упругий возврат у нитинола был больше, чем у дуг из нержавеющей стали, кобальт-хромовых и титановых. А в идеале брекетная Е-дуга должна обеспечивать сравнительно небольшую, но постоянную в течение длительного времени силу давления. Причем, как уже выяснилось к тому времени, эта сила не должна была превышать давление крови в капиллярах периодонтальной связки, соединяющей корень зуба и челюстную кость, иначе, можно было лишиться зубов.

Поиском такого сплава для брекетных систем озаботилась американская компания Ormco, сегодня один из крупнейших мировых производителей ортодонтической продукции. В 1990-е годы она продала несколько патентных заявок на «ортодонтические приспособления из сплава никеля титана и меди», то есть по сути добавила в нитинол медь. Патенты были оформлены на имя ученых, работавших на нее: клинициста Рохита Сачдеву и инженеров Суичи Миязаки и Фарука Фарсин-Ниа. Патентов было примерно полдюжины, но в заявке основного патента 1990 года (US 5044947) фигурируют все трое, и как там написано, «заявители обнаружили, что путем регулирования состава сплава с памятью формы недостатки дуговых проволок с памятью формы могут быть сведены к минимуму или устранены». В 2010 году срок этого патента закончился, и с тех пор не иссякает поток новых патентных заявок на еще более удачные, по мнению их изобретателей, современные композиты для старой доброй зубной подковы bandeau доктора Фошара. 

Изображение из патента US 5044947

Нынче это большой бизнес, мировой рынок стоматологии оценивается в $26 млрд, из которых примерно $9 млрд приходится на брекеты и виниры. В нашей стране брекеты не производятся, а их импорт сейчас по известным причинам затруднен. Зато с 2010-х годов запущено собственное производство новейшей их разновидности — элайнеров. Той же подковы Фошара, только напечатанной на 3D-принтере из прозрачных поликарбонатов. 

Читайте в нашем журнале:

История Sharp: как механический карандаш повлиял на становление гиганта электроники

Какую роль сыграли патенты в японском экономическом чуде

Генеалогия принтера

Заглавное фото: Flickr

Ася Петухова
Онлайн Патент
#Технологии
Спасибо! Мы перезвоним вам в ближайшее время!