Зубные брекеты представляют собой наглядный пример того, как инженерные идеи, появившиеся ещё в XVIII веке, смогли быть реализованы в полной мере только с развитием современных технологий. Принцип действия классической брекетной системы предельно прост: на зубы фиксируются небольшие замки — брекеты, через которые проходит упругая металлическая дуга, способная оказывать постоянное давление. В некоторых случаях дополнительно применяются эластичные тяги, цепочки или пружинки, усиливающие воздействие в нужном направлении — будь то вертикальное, горизонтальное или с поворотом зуба вокруг своей оси.
Удивительно, но столь простое устройство по своей конструкции значительно уступает в сложности даже механике хронометров или музыкальных автоматов эпохи Просвещения. Тем не менее, археологические находки позволяют предполагать, что попытки коррекции положения зубов предпринимались ещё в древности. Так, у египетских мумий обнаружены золотые нити, соединявшие передние зубы. У отдельных экземпляров сохранились следы кетгута — органического материала из кишок животных, который и сегодня используется в медицине. Вполне возможно, что эти нити выполняли ортопедическую функцию, фиксируя расшатывающиеся зубы при заболеваниях пародонта.
Однако всерьёз говорить о наличии настоящих брекетов у древних народов можно лишь с определённой долей условности. Из сохранившихся до наших дней элементов, применявшихся этрусками и финикийцами, видно, что они могли воздействовать лишь в одном направлении — например, для устранения щели между резцами. Некоторые источники утверждают, что сама Клеопатра использовала нечто вроде проволочных протезов из золота. Однако, глядя на мраморные изображения царицы, можно сделать вывод, что её прикус был вполне нормальным, пусть и с немного выраженной нижней челюстью.
Настоящая история брекетов началась с публикации в 1728 году труда французского врача Пьера Фошара «Хирургическое зуболечение». В нём он представил инструмент под названием bandeau — металлическую дугу, фиксируемую на зубах с помощью проволочных элементов. Именно этот момент принято считать рождением современной брекет-системы. Фошар не только описал конструкцию устройства, но и систематизировал весь доступный на тот момент арсенал стоматологических инструментов, включая нововведение — специализированное кресло для пациентов.
Работа Фошара имела важное значение не только как техническое руководство, но и как научный манифест. Она была частью борьбы стоматологов за признание их профессией, равной по статусу другим медицинским направлениям. Сам автор не имел специального стоматологического образования, но сумел добиться признания благодаря глубине своих наблюдений и системному подходу. Его книга была переведена на немецкий, а в странах Европы стоматологи читали её на французском, который в то время оставался языком международной науки.
Особенно интересен вклад Фошара в протезирование. Он предложил несколько конструкций обтураторов — специальных протезов для устранения дефектов нёба. Некоторые из них выполняли лишь защитную функцию, предотвращая попадание пищи в носовую полость, другие оказывали давление на небо, способствуя его правильному формированию. Именно на этом принципе действия основывался и его «брекет» — металлическая дуга, оказывающая постоянное давление.
Любопытно, что термин bandeau, использованный Фошаром для описания своей конструкции, имел и другое значение. Так во Франции называли тугие повязки, которыми с древности и до Нового времени бинтовали головы младенцев для формирования черепа определённой формы. Подобная практика, известная как «тулузская деформация», указывает на важность символики названия: и головная повязка, и брекеты работали по одному и тому же принципу — медленное формирование формы под давлением.
Популярность идей Фошара в Европе была столь высока, что уже спустя два десятилетия его конструкцию начал использовать личный стоматолог Людовика XV — Этьен Бурдо. Несмотря на утверждения о его усовершенствованиях конструкции, анализ гравюр из его труда «Исследования и наблюдения в области стоматологического искусства» свидетельствует: он воспроизвёл bandeau Фошара без существенных изменений. Тем не менее, вклад Бурдо был значим — именно он первым предложил удалять премоляры для облегчения коррекции положения резцов, метод, позднее широко использованный в ортодонтии XX века.
Проблема, стоявшая перед ранними ортодонтами, заключалась в создании постоянного давления. Используемые тогда лигатуры — проволочные или шелковые нити — не обеспечивали стабильной силы, особенно по мере изменения положения зуба. Требовался материал с высокой упругостью, способный сохранять натяжение. Однако ни драгоценные металлы, ни известные в то время сплавы не обладали нужными характеристиками. Технологии производства упругой стали ещё не существовало, а фантазии о метеоритной или дамасской стали остались на уровне теоретических мечтаний.
Ситуация начала меняться только в 1840-х годах, когда Чарльз Гудиер открыл процесс вулканизации каучука с серой, что позволило производить эластичную резину. Новый материал сразу нашёл применение в ортодонтии — эластичные тяги из резины стали использовать для создания направленного давления. Появились внеротовые конструкции, где дуга фиксировалась на зубах, а тяги закреплялись на голове пациента с помощью специального оголовья, обеспечивая эффективную коррекцию прикуса, особенно при чрезмерном выдвижении передних зубов.
В XIX веке было разработано множество вариаций как классических брекетов, так и внеротовых ортодонтических аппаратов. Один из самых подробных источников по этим устройствам — труд американского ортодонта Нормана Кингсли «Трактат о зубных аномалиях» (1880), в котором представлены сотни иллюстраций и описаний конструкций, предвосхитивших многие современные технологии.
Активное патентование в ортодонтии началось лишь на рубеже XIX и XX веков, когда инженерная мысль, пройдя почти полтора столетия, вновь обратилась к концепции дуги Фошара — но теперь с акцентом на ее упругие свойства. Принципиальное отличие заключалось в том, что давление на зуб оказывала уже не лигатура, пассивно фиксирующая дугу, а сама дуга, обладающая упругостью и жестко прикреплённая к зубам. В 1899 году американский ортодонт доктор Эдвард Энгл запатентовал конструкцию, основанную на этом подходе, — так называемую «расширительную дугу» (expansion arch, или E-Arch), выполненную из сплава золота и титана. Это стало поворотным моментом в развитии брекет-систем. Далее оставались лишь инженерные задачи: как оптимально передать силу давления от дуги к зубу, определяя точный вектор воздействия.
Решение этих технических задач заняло у доктора Энгла почти три десятилетия. За это время он получил 46 патентов, иллюстрирующих эволюцию его подходов. Первая версия E-дуги предусматривала фиксацию зубов с помощью проволочных лигатур, аналогично системам Фошара и Бурде. Позднее лигатуры были заменены кольцами (или трубками), надевавшимися на каждый зуб, однако конструкция оказалась трудной в регулировке и вызывала дискомфорт у пациентов. Следующим этапом стала так называемая «ленточная система», которую Энгл последовательно улучшал. Финальный вариант был запатентован в 1918 году ( патент US 1280628, заявка подана 28 ноября 1916 года). В описании этой системы упоминается возможность оказывать контролируемое давление на отдельные группы зубов с помощью эластичной ленты, перемещающейся по дуге, с возможностью регулировки направления силы.
В 1925 году доктор Энгл разработал эджуайз-систему (Edgewise), где массивная дуга была заменена на тонкую пластинку прямоугольного сечения, устанавливаемую в горизонтальные пазы замков. Благодаря такой конструкции стало возможно точно регулировать вектор давления, прикладываемого к каждому зубу. Этот шаг приблизил ортодонтию к современным брекетам. Однако для окончательного перехода были необходимы два условия: создание тонкой, гибкой и упругой проволоки, а также надёжная фиксация замков на поверхности зубов.
С материалами для дуг ситуация была уже решена к концу XIX века: появились подходящие сплавы на основе легированной стали, а в 1920-е годы была запатентована нержавеющая сталь. Что касается фиксации брекетов, то здесь прорыв произошел лишь в середине 1950-х годов, когда американский стоматолог Майкл Буонокоре предложил метод кислотного травления эмали, позволивший надежно закреплять акриловые клеи. Однако массовое применение ортодонтических клеев началось лишь в 1970-х годах — с этого момента можно говорить о появлении современных брекет-систем.
В тот же период произошёл технологический прорыв, связанный с открытием эффекта памяти формы. Впервые он был зафиксирован в 1932 году шведом Арне Оландером у сплава золота с кадмием. В СССР аналогичный эффект был теоретически предсказан в 1948 году и затем подтвержден на сплавах алюминиевой бронзы в 1949-м (эффект Курдюмова). В США в конце 1950-х годов подобные свойства были обнаружены у сплава никеля и титана, получившего позднее название нитинол. Однако его промышленное применение стало возможным лишь спустя годы, после отработки технологии получения и обработки.
Нитинол быстро нашёл применение в медицине — в том числе при создании ортопедических имплантатов, катетеров и игл. В ортодонтии первые дуги из нитинола появились в 1970-х годах. Сначала их использовали только на ранних стадиях выравнивания, поскольку упругая сила нитинола значительно превосходила показатели стальных, хромовых и титановых сплавов. Однако в идеальной брекет-системе необходимо поддерживать небольшое, но стабильное усилие, не превышающее давление крови в капиллярах периодонтальной связки — иначе существует риск повреждения тканей и потери зубов.
Поиск подходящего сплава с нужными характеристиками продолжила американская компания Ormco, ныне один из лидеров отрасли. В 1990-е годы она подала несколько патентов на сплавы никеля, титана и меди — усовершенствованную версию нитинола. В числе авторов указаны ортодонт Рохит Сачдеву и инженеры Суичи Миязаки и Фарук Фарсин-Ниа. Один из ключевых документов — патент US 5044947 от 1990 года — описывает методику оптимизации свойств сплава с эффектом памяти. Срок действия патента истёк в 2010 году, после чего последовали многочисленные заявки на новые композиции для ортодонтических дуг — модернизированные версии концепции, разработанной ещё доктором Фошаром.
Сегодня ортодонтия — это высокодоходная отрасль: мировой рынок стоматологических услуг оценивается примерно в $26 млрд, из которых около $9 млрд приходится на сегмент брекетов и виниров. В России брекеты собственного производства пока отсутствуют, а их импорт осложнён. Однако с 2010-х годов в стране налажен выпуск современных аналогов — элайнеров. Это прозрачные каппы из поликарбоната, изготавливаемые методом 3D-печати. По сути, это цифровое переосмысление той самой ортодонтической дуги, предложенной Фошаром ещё в XVIII веке.