Циклическая усталость и крутильное сопротивление четырех инструментов с рециркуляцией на основе мартенсита из Niti

Аннотация

Цель: Оценить циклическую усталость и сопротивление крутящему моменту инструментов Reciproc Blue R25 (VDW, Мюнхен, Германия), WaveOne Gold Primary (Dentsply Maillefer, Баллаиг, Швейцария), ProDesign R (Easy Equipamentos Odontológicos, Белу-Оризонти, Бразилия) и X1 Blue File (MK Life, Порту-Алегри, Бразилия) из никель-титана (NiTi) в мартенситной форме.

Методы: В каждой группе было протестировано десять инструментов на устойчивость к циклической усталости с использованием искусственного канала из нержавеющей стали (угол кривизны 80° и радиус 3 мм) и десять инструментов на крутильную поломку в соответствии со стандартом ISO 3630-1. Поверхность сломанных инструментов была исследована с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) при увеличении ×250. Результаты были статистически сопоставлены с помощью однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) и пост-хок тестов Тьюки, уровень ошибки альфа был установлен на 5%.

Результаты: Инструменты X1 Blue File и ProDesign R показали наибольшее время до поломки по сравнению с Reciproc Blue и Wave One Gold (P<0.05). Однако различий между X1 Blue File и ProDesign R не было найдено (P>0.05). Кроме того, Reciproc Blue продемонстрировал наибольшее время до поломки по сравнению с WaveOne Gold (P<0.05). Наименьшее сопротивление крутящему моменту (1.0±0.2 N.cm) и угол вращения (412°±46) были зафиксированы в группе ProDesign R (P<0.05). SEM-анализы сломанных поверхностей показали область инициации трещин и зону быстрого разрушения от перегрузки после теста на циклическую усталость, а также концентрические следы абразивного износа с микропустотами в центре вращения после эксперимента на крутильную поломку.

Заключение: В целом, X1 Blue File и ProDesign R показали более высокую стойкость к циклической усталости, чем инструменты Reciproc Blue и WaveOne Gold, в то время как ProDesign R имел наименьшую стойкость к кручению и значения углового вращения до разрушения. SEM-анализ всех инструментов продемонстрировал типичные признаки разрушения как в тестах на циклическую усталость, так и в тестах на кручение.

Введение

Сплавы никель-титана (NiTi) обычно мягче нержавеющей стали, имеют низкий модуль упругости, но они более прочные и устойчивые к изгибу, а также обладают эффектом памяти формы и суперэластичностью. Последние два свойства являются основными причинами, почему сплавы NiTi успешно используются для разработки инструментов с двигателем для подготовки корневых каналов. Однако, несмотря на эти механические преимущества, инструменты NiTi все еще представляют риск разрушения, особенно при лечении изогнутых корневых каналов, что может повлиять на результат эндодонтической терапии. Таким образом, было предложено несколько модификаций в их дизайне, кинематике и методах производства (тип сплава) с целью улучшения механических свойств для предотвращения разрушения. Согласно некоторым авторам, термическая обработка сплава NiTi изменяет расположение его кристаллической структуры, улучшая его гибкость и прочность на изгиб.

Обычный сплав NiTi имеет почти экватомную пропорцию никеля (~56 мас.%) и титана (~44 мас.%) и существует в двух различных кристаллических структурах, зависящих от температуры, называемых аустенитной и мартенситной фазами. В аустенитной фазе сплав демонстрирует превосходные суперэластичные свойства, в то время как в мартенситной фазе у него лучшее эффект памяти формы. Таким образом, инструменты на основе мартенсита обладают повышенной гибкостью и большей циклической усталостной стойкостью, чем аустенитные инструменты той же конструкции. Поэтому были предложены различные термические обработки сплава NiTi для производства эндодонтических инструментов с улучшенными механическими свойствами, включая технологию Blue Technology (Dentsply Tulsa Dental Specialties, Tulsa, OK, USA), Controlled Memory Wire (CM; Coltène Whaledent, Inc., Cuyahoga Falls, OH, USA) и Gold Technology (Dentsply Tulsa Dental Specialties). Также утверждалось, что использование возвратно-поступательного движения увеличивает устойчивость инструментов NiTi к усталости по сравнению с непрерывным вращением. Однако, несмотря на эти изменения, эндодонтические инструменты NiTi на основе мартенсита все еще могут ломаться из-за крутящего момента или нагрузки на крутящий момент.

В литературе инструменты с обратным движением на основе мартенсита, такие как Reciproc Blue (VDW, Мюнхен, Германия), WaveOne Gold (Dentsply Maillefer, Баллаиг, Швейцария) и ProDesign R (Easy Equipamentos Odontológicos, Белу-Оризонти, Бразилия), были широко протестированы на предмет их механических свойств. Недавно на рынок вышел новый инструмент с обратным движением на основе мартенсита, названный X1 Blue File (MK Life, Порту-Алегри, Бразилия). Согласно производителю, этот инструмент имеет неактивный кончик (ISO размер 25) и выпуклый треугольный сечением. На данный момент циклическая усталость и крутильная прочность инструментов X1 Blue File еще не были протестированы. Поэтому целью данного исследования было сравнить циклическую усталость и крутильное сопротивление инструмента X1 Blue File с инструментами ProDesign R, Reciproc Blue и WaveOne Gold.

Материалы и методы

Восемьдесят новых инструментов длиной 25 мм из четырех систем NiTi с обратным движением (n=20) были отобраны для тестов на циклическую усталость и крутильные разрушения: Reciproc Blue R25 (n=20; размер 25 на кончике и конус 0.08, при этом после первых 3 мм конус был регрессивным) (партия #37631), WaveOne Gold Primary (n=20; размер 25 на кончике и конус 0.07, при этом после первых 3 мм конус был регрессивным) (партия #1226916), ProDesign R (n=20; размер 25 на кончике и постоянный конус 0.06) (партия #170096), и X1 Blue File (n=20; размер 25 на кончике и постоянный конус 0.06) (партия #20171010). В каждой группе десять инструментов были протестированы на динамическую циклическую усталость и 10 инструментов на крутильное сопротивление. Все инструменты были предварительно осмотрены на наличие видимых дефектов или деформаций при увеличении ×20 под стереомикроскопом (OPTZS; Opticam, Сан-Паулу, Бразилия). Дефекты не были обнаружены, и отобранные инструменты были подвергнуты тестам.

Тест на циклическую усталость

Тест на циклическую усталость проводился с использованием индивидуально изготовленного устройства из нержавеющей стали, которое позволяло воспроизводимо моделировать инструмент, находящийся в изогнутом канале с углом и радиусом кривизны 80° и 3 мм соответственно, расположенным на 4 мм от его кончика (кончик #30, конус 0.08). Это не идентичный кончик и конус, но близок по размеру и конусу ко всем инструментам. Поскольку искусственный канал не идентичен кончику и конусу инструментов, к инструменту не применяется крутильное сопротивление. Все тесты проводились в физиологическом растворе при 37°C, и инструменты (n=10 на группу) работали в динамическом режиме с использованием наконечника с редукцией 6:1 (Sirona Dental Systems GmbH, Бенсхайм, Германия), питаемого мотором с контролем крутящего момента (VDW Silver; VDW), в соответствии с рекомендациями производителей. Электрический наконечник был установлен на устройство, которое позволяло точно и воспроизводимо размещать каждый инструмент в индивидуально изготовленном искусственном канале. Амплитуда осевого движения составляла 3 мм, а скорость движения была установлена на 1 цикл (полное движение от самой высокой до самой низкой точки) за 2 секунды. Время до разрушения фиксировалось в секундах с помощью цифрового хронометра и останавливалось, когда визуально и/или слышимо обнаруживалось разрушение файла.

Торсионный тест

Торсионная нагрузка применялась до разрушения для оценки средней предельной торсионной прочности и угла вращения испытанных инструментов (n=10 на группу) с использованием специально изготовленного устройства, произведенного в соответствии с ISO 3630-1. Тест проводился при 37°C для имитации клинических условий, и каждый инструмент прижимался на 3 мм от кончика с помощью патрона, подключенного к датчику крутящего момента. Вал инструмента был зафиксирован в противоположном патроне, который мог вращаться с помощью редукторного мотора. Инструменты вращались против часовой стрелки со скоростью 2 об/мин до разрушения инструмента. Крутящий момент (N.cm) и угловое вращение (°) фиксировались с помощью торсиометра (ODEME; Лузерна, SC, Бразилия), а предельная торсионная прочность и угол вращения при разрушении предоставлялись специально разработанным вычислительным программным обеспечением (ODEME Analysis TT; ODEME).

Сканирующая электронная микроскопия

Сканирующий электронный микроскоп (SEM; JSM 5800; JEOL, Токио, Япония) использовался для оценки топографических особенностей поверхностей разрушения всех инструментов после циклических и торсионных тестов при увеличении ×250.

Статистический анализ

Анализ данных показал распределение в форме колокола (тест Шапиро-Уилка; P>0.05), и статистический анализ был проведен между группами с использованием однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) и пост-хок тестов Тьюки с установленной ошибкой типа альфа на уровне 5% (Biostat; Instituto Mamirauá, Тефе, Бразилия).

Результаты

Средние значения и стандартные отклонения времени до разрушения (сопротивление циклической усталости), максимального крутящего момента и угла вращения до разрушения показаны в Таблице 1. Не было обнаружено статистически значимой разницы между временем до разрушения инструмента X1 blue file (417±36 с) и инструмента ProDesign R (397±41 с), которые показали большее время до разрушения, чем Reciproc Blue (274±42 с) и Wave One Gold (193±17 с) (P<0.05). Однако разницы между X1 Blue File и ProDesign R не было (P>0.05). Кроме того, Reciproc Blue продемонстрировал большее время до разрушения, чем WaveOne Gold (P<0.05). Наименьшее сопротивление крутящему моменту (1.0±0.2 N.cm) и угол вращения (412º±46) были наблюдаемы в группе ProDesign R (P<0.05). SEM-анализы разрушенных поверхностей показали область инициации трещин и зону быстрого разрушения при перегрузке после теста на циклическую усталость (Рис. 1), а также концентрические следы абразивного износа с микропустотами в центре вращения после эксперимента на крутильное разрушение (Рис. 2).

Обсуждение

Разделение инструментов неоднократно сообщалось несколькими авторами с момента появления механической подготовки с инструментами из сплава NiTi в эндодонтии и объяснялось на основе чрезмерного кручения и циклической усталости. Циклическая усталостная трещина возникает в результате чередующихся циклов растяжения и сжатия, которым подвергаются инструменты при изгибе в области максимального изгиба канала, в то время как крутящий стресс возникает, когда сдвиговые напряжения превышают предел упругости металла, вызывая пластическую деформацию и трещину. Настоящее исследование было разработано для сравнения циклической усталости и крутящего момента 4 новых мартенситных инструментов NiTi с ротационным движением, названных Reciproc Blue, WaveOne Gold, ProDesign R и X1 Blue File.

В целом, результаты показали, что инструменты X1 Blue File и ProDesign R показали большее время до разрушения, чем инструменты Reciproc Blue и WaveOne Gold (Таблица 1). Более длительный срок службы циклической усталости инструментов NiTi зависит от многих факторов, включая их диаметр, массу металла сердечника, гибкость, поперечный дизайн и тип сплава NiTi. Установлено, что инструменты с большим конусом, используемые в изогнутых каналах, могут ломаться всего после нескольких вращений. Переменная конусность и большая поперечная площадь инструментов Reciproc Blue и WaveOne Gold по сравнению с инструментами ProDesign R и X1 Blue File, связанные с положением изогнутого сегмента искусственных каналов, использованных в этом исследовании (4 мм от кончика), могут объяснить их низкие значения в тесте на циклическую усталость. Более того, также возможно, что различия в термической обработке сплава NiTi в каждой системе повлияли на конечный результат. Фактически, недавняя публикация продемонстрировала, что Reciproc Blue имел значительно более высокую устойчивость к циклической усталости, чем инструменты WaveOne Gold и M-Wire Reciproc, что соответствует настоящим результатам. Кроме различий в их термической обработке и учитывая, что инструменты NiTi с большой массой металлического сердечника демонстрируют снижение срока службы циклической усталости с трещинами, возникающими в основном на их основном крае, большая поперечная площадь и большее количество ведущих краев инструмента WaveOne Gold могут объяснить его более короткое время до разрушения по сравнению с Reciproc Blue. SEM-анализ инструментов показал схожие дактильные фрактографические проявления циклических усталостных трещин с микропустотами. Также были обнаружены области инициирования трещин и зоны быстрого разрушения от перегрузки без морфологических различий на поверхностях разрушения всех оцененных инструментов (Рис. 1).

В настоящее время, хотя не было достигнуто никаких спецификаций, международных стандартов или консенсуса относительно использования индивидуально изготовленных искусственных каналов для оценки циклической прочности инструментов из NiTi, этот метод был ранее валидирован и широко использовался в лабораторных исследованиях, поскольку он позволяет стандартизировать экспериментальные условия, увеличивая его внутреннюю валидность. В настоящем исследовании были предприняты усилия для того, чтобы размеры искусственного канала были аналогичны кончику и конусности тестируемых инструментов, обеспечивая ему точную траекторию, как было сообщено ранее. Более того, в текущем исследовании была использована динамическая модель, направленная на лучшее моделирование клинического использования систем NiTi. По сравнению со статическими моделями, в динамическом тесте время до разрушения увеличивается, так как напряжение, приложенное к инструменту, распределяется вдоль стержня при движениях вперед и назад. Наконец, тесты проводились с искусственным каналом, погруженным в физиологический раствор при 37°C, учитывая, что эта методологическая процедура была связана с более надежными результатами, так как температура тела, похоже, снижает циклическую усталостную жизнь инструментов из NiTi.

Тест на крутильную усталость показал, что максимальная крутильная прочность (1.0±0.2 N.cm) и угловое вращение до разрушения (412°±46) инструмента ProDesign R были значительно ниже, чем у других систем (Таблица 1). Эти результаты предполагают, что ProDesign R требует низкого крутящего момента для разрушения при кручении, что означает высокую вероятность разрушения, если конец инструмента застрянет в пространстве корневого канала. Это можно объяснить его малым конусом (0.06), поперечным сечением (S-образным) и высокой гибкостью его сплава CM NiTi. С другой стороны, наибольшее угловое искажение инструментов Reciproc Blue и X1 Blue File (Таблица 1) может быть преимуществом в клиниках, поскольку пластическая деформация может предсказать неминуемое разрушение, указывая на момент, когда следует утилизировать инструмент. SEM-анализ инструментов, подвергнутых тесту на крутильную прочность, продемонстрировал типичные признаки крутильного разрушения, т.е. концентрические следы абразии и волокнистые вмятины от крутильного центра (Рис. 2).

Заключение

В целом, X1 Blue File и ProDesign R показали более высокую устойчивость к циклической усталости, чем инструменты Reciproc Blue и WaveOne Gold, в то время как ProDesign R имел наименьшую стойкость к кручению и значения углового вращения до разрушения. SEM-анализ разрушенных поверхностей показал область инициации трещин и зону быстрого разрушения от перегрузки после испытания на циклическую усталость, а также концентрические следы абразии с микропустотами в центре вращения после эксперимента на кручение.

Авторы: Эммануэль Дж. Н. Л. Силва, Каролина О. Лима, Виктор Т. Л. Виейра, Энрике С. Антунес, Эдсон Дж. Л. Морея, Марко А. Версиани

Ссылки:

1. Саттапан Б, Нерво Г. Дж., Паламира Дж. Е., Мессер Х. Х. Дефекты ротационных никель-титановых файлов после клинического использования. J Endod 2000; 26(3):161–5.
2. Крамп М. С., Нэткин Е. Связь между сломанными инструментами для корневых каналов и прогнозом эндодонтического случая: клиническое исследование. J Am Dent Assoc 1970; 80(6):1341–7.
3. Панитвисай П, Паруннит П, Саторн С, Мессер Х. Х. Влияние удерживаемого инструмента на результат лечения: систематический обзор и мета-анализ. J Endod 2010; 36(5):775–80.
4. Де-Деус Г, Силва Э. Дж., Виейра В. Т., Белладонна Ф. Г., Элиас К. Н., Плотино Г. и др. Синяя термомеханическая обработка оптимизирует устойчивость к усталости и гибкость файлов Reciproc. J Endod 2017; 43(3):462–6.
5. Чжоу Х. М., Шен Й., Чжэн В., Ли Л., Чжэн Й. Ф., Хаапасало М. Механические свойства контролируемой памяти и суперэластичных никель-титановых проводов, используемых в производстве ротационных эндодонтических инструментов. J Endod 2012; 38(11):1535–40.
6. Шен Й., Чжоу Х. М., Чжэн Й. Ф., Пэн Б., Хаапасало М. Текущие проблемы и концепции термомеханической обработки никель-титановых инструментов. J Endod 2013; 39(2):163–72.
7. Силва Э. Дж., Родригес К., Виейра В. Т., Белладонна Ф. Г., Де-Деус Г., Лопес Х. П. Устойчивость к изгибу и циклическая усталость нового термообработанного ротационного инструмента. Scanning 2016; 38(6):837–41.
8. Силва Э. Дж. Н. Л., Виейра В. Т. Л., Габина Т. Т. Г., Антунес Х. Д. С., Лопес Х. П., Де-Деус Г. Влияние использования пневматического углового устройства на срок службы инструментов, обработанных M-Wire и Blue. Clin Oral Investig 2019; 23(2):617– 21.
9. Томпсон С. А. Обзор никель-титановых сплавов, используемых в стоматологии. Int Endod J 2000; 33(4):297–310.
10. Киффнер П, Бан М, Де-Деус Г. Способен ли сам по себе возвратно-поступательный движение улучшить устойчивость к циклической усталости инструментов? Int Endod J 2014; 47(5):430–6.
11. Де-Деус Г, Морея Э. Дж., Лопес Х. П., Элиас К. Н. Увеличенный срок службы циклической усталости инструментов F2 ProTaper, используемых в возвратно-поступательном движении. Int Endod J 2010; 43(12):1063–8.
12. Алкальде М. П., Дуарте М. А. Х., Браманте К. М., де Васконселос Б. С., Таномауру-Фильо М., Геррейро-Таномару Ж. М. и др. Циклическая усталость и крутильная прочность трех различных термически обработанных ротационных никель-титановых инструментов. Clin Oral Investig 2018; 22(4):1865–71.
13. Инан У, Кескин Ч, Сивас Йилмаз Ö, Баш Г. Циклическая усталость инструментов Reciproc Blue и Reciproc, подвергнутых воздействию внутриконтурной температуры в смоделированной сильной апикальной кривизне. Clin Oral Investig 2019; 23(5):2077–82.
14. Силва Э. Дж. Н. Л., Виейра В. Т. Л., Хексшер Ф., Дос Сантос Оливейра М. Р. С., Дос Сантос Антунес Х., Морея Э. Дж. Циклическая усталость с использованием сильно изогнутых каналов и крутильная прочность термообработанных ротационных инструментов. Clin Oral Investig 2018; 22(7):2633–8.
15. Силва Э. Дж. Н. Л., Хексшер Ф., Антунес Х. Д. С., Де-Деус Г, Элиас К. Н., Виейра В. Т. Л. Устойчивость к крутильной усталости инструментов, обработанных Blue. J Endod 2018; 44(6):1038–41.
16. Силва Э. Дж., Вилларино Л. С., Виейра В. Т., Аккорси-Мендонса Т., Антунес Х. Д., Де-Деус Г. и др. Устойчивость к изгибу и срок службы циклической усталости инструментов Reciproc, Unicone и WaveOne. J Endod 2016; 42(12):1789–93.
17. де Васконселос Р. А., Мерфи С., Карвальо К. А., Говиндджи Р. Г., Говиндджи С., Питерс О. А. Доказательства снижения устойчивости к усталости современных ротационных инструментов, подвергнутых воздействию температуры тела. J Endod 2016; 42(5):782–7.
18. Де-Деус Г, Лиал Виейра В. Т., Ногейра да Силва Э. Дж., Лопес Х., Элиас К. Н., Морея Э. Дж. Устойчивость к изгибу и динамическая и статическая циклическая усталость крупных инструментов Reciproc и WaveOne. J Endod 2014; 40(4):575–9.
19. 3630-1 IOfSI. Инструменты для корневых каналов: часть 1 - файлы, реамеры, барбированные брошюры, рашпили, носители пасты, исследователи и ватные брошюры. Международная организация по стандартизации, Женева: 1992. Доступно по адресу: https://www.iso.org/standard/9066.html. Доступно 22 апреля 2020 года.
20. Спили П, Парашос П, Мессер Х. Х. Влияние разрушения инструмента на результат эндодонтического лечения. J Endod 2005; 31(12):845–50.
21. Педулла Э, Ло Савио Ф, Бонинелли С, Плотино Г, Гранде Н. М., Ла Роса Г. и др. Крутильная и циклическая усталость нового никель-титанового инструмента, изготовленного методом электродуговой обработки. J Endod 2016; 42(1):156–9.
22. Яо Дж. Х., Шварц С. А., Бисон Т. Дж. Циклическая усталость трех типов ротационных никель-титановых файлов в динамической модели. J Endod 2006; 32(1):55–7.
23. Кескин Ч, Инан У, Демирал М, Келеш А. Устойчивость к циклической усталости инструментов Reciproc Blue, Reciproc и WaveOne Gold. J Endod 2017; 43(8):1360–3.
24. Плотино Г, Гранде Н. М., Кордаро М., Тестарелли Л., Гамбарини Г. Обзор испытаний на циклическую усталость никель-титановых ротационных инструментов. J Endod 2009; 35(11):1469–76.
25. Силва Э. Дж. Н. Л., Виейра В. Т. Л., Белладонна Ф. Г., Зуоло А. С., Антунес Х. Д. С., Кавалканте Д. М. и др. Циклическая и крутильная усталость инструментов XP-endo Shaper и TRUShape. J Endod 2018; 44(1):168–72.
26. Ариас А, Хеджлави С, Мерфи С, де ла Маорра Х. К., Говиндджи С., Питерс О. А. Переменное влияние окружающей температуры на устойчивость к усталости термообработанных никель-титановых инструментов. Clin Oral Investig 2019; 23(3):1101–8.
27. Ариас А, Маорра Х. К., Говиндджи С., Питерс О. А. Корреляция между температурно-зависимой устойчивостью к усталости и анализом дифференциальной сканирующей калориметрии для 2 современных ротационных инструментов. J Endod 2018; 44(4):630–4.
28. Алкальде М. П., Таномауру-Фильо М., Браманте К. М., Дуарте М. А. Х., Геррейро-Таномару Ж. М., Камило-Пинто Ж. и др. Циклическая и крутильная усталость ротационных однофайловых инструментов, изготовленных из различных никель-титановых сплавов. J Endod 2017; 43(7):1186–91.