Formungsfähigkeit von Reciproc- und TF Adaptive-Systemen in stark gekrümmten Kanälen von schnell prototypisierten Molar-Repliken auf Basis von Mikro-CT

Zusammenfassung

Ziel: Die Formungsfähigkeit der Systeme Reciproc und Twisted-File Adaptive in Rapid Prototyping-Replikaten zu bewerten.

Material und Methoden: Zwei mandibuläre Molaren mit S-förmigen und 62-Grad-Krümmungen im mesialen Wurzelbereich wurden mit einem Mikro-Computertomographie (μCT) System gescannt. Die Daten wurden im stereolithografischen Format exportiert und 20 Proben jedes Molars wurden mit einer Auflösung von 16 µm gedruckt. Die mesialen Kanäle von 10 Replikaten jedes Exemplars wurden mit jedem System präpariert. Der Transport wurde durch Überlappung von Röntgenaufnahmen, die vor und nach der Präparation gemacht wurden, gemessen, und die Harzdicke nach der Instrumentierung wurde mit μCT gemessen.

Ergebnisse: Beide Systeme hielten die ursprüngliche Form des apikalen Drittels in beiden Anatomien aufrecht (P>0.05). Insgesamt, unter Berücksichtigung der Harzdicke in den 62-Grad-Replikaten, wurde kein statistischer Unterschied zwischen den Systemen gefunden (P>0.05). In der S-förmigen Krümmungsreplik wurde die Harzdicke der Wände von Reciproc im Vergleich zu TF Adaptive signifikant verringert.

Fazit: Die evaluierten Systeme waren in der Lage, die ursprüngliche Form im apikalen Drittel stark gekrümmter mesialer Kanäle von Molaren-Replikaten aufrechtzuerhalten.

Einleitung

Die Vorbereitung des Wurzelkanalsystems umfasst sowohl die Erweiterung als auch die Formgebung des komplexen endodontischen Raums zusammen mit seiner Desinfektion. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden eine Vielzahl von manuellen, rotierenden und reziproken Instrumenten entwickelt. In der Literatur wurden mehrere Modelle für die laborbasierte Bewertung der postoperativen Wurzelkanalvorbereitung vorgeschlagen; jedoch wurden Untersuchungen in der Regel mit extrahierten Zähnen durchgeführt. Der Hauptvorteil der Verwendung von Zähnen ist die Reproduktion der klinischen Situation, aber die große Bandbreite an Variationen in der dreidimensionalen Wurzelkanalmorphologie erschwert die Standardisierung der Probe. Folglich könnten die Ergebnisse den Einfluss der Kanal-Anatomie und nicht die interessierende Variable demonstrieren. Darüber hinaus stellen bioethische Bedenken und das Potenzial für Kreuzinfektionen, die von kontaminierten Proben ausgehen, eine aktuelle Bedrohung für eine solche Praxis in einigen Institutionen dar. Da die Hauptrolle laborbasierter Studien darin besteht, gut kontrollierte Bedingungen zu entwickeln, die einen zuverlässigen Vergleich bestimmter Faktoren ermöglichen, schlugen Weine et al. (1975) zuvor die Verwendung von simulierten Wurzelkanälen aus klarem Gießharz vor, die auf einen beliebigen vorgegebenen Durchmesser, Form oder Krümmung erstellt werden konnten, um die Wurzelkanalvorbereitung zu bewerten. Dieses Modell garantiert einen hohen Grad an Reproduzierbarkeit und Standardisierung des experimentellen Designs und wurde in mehreren Untersuchungen verwendet. Dennoch weisen Kunststoffblöcke einige Nachteile auf, wie das Fehlen von multiplanaren Krümmungen, anatomischen Unregelmäßigkeiten oder Konvexitäten, die normalerweise in Zähnen vorhanden sind.

In den letzten zehn Jahren wurden neue Fertigungstechnologien eingeführt, um Forschungsaufgaben zu unterstützen, die Prototypen erfordern. Diese neuen Techniken werden typischerweise als Rapid Prototyping-Technologien bezeichnet und ermöglichen die Herstellung von Prototypen aus einer Vielzahl von Materialien mit bemerkenswerter Präzision. Diese aktuellen Technologien bieten eine optimierte Präzision von wenigen Mikrometern oder sogar Hunderten von Nanometern. Aufgrund dieser Präzision sind diese Technologien speziell im Bereich der biomedizinischen Technik anwendbar. In der Zahnmedizin können hochauflösende Modelle aus Harz mit 3D-Druckern hergestellt werden, basierend auf automatisierten, additiven, schichtweisen Fertigungsprozessen, mit einer Auflösung von 16 bis 32 µm pro Schicht, aus den erhaltenen computergestützten Entwurfsmodellen (CAD) des Objekts im Standard-Tessellationsformat (.stl), die aus der Mikro-Computertomographie (Mikro-CT) Scans generiert wurden.

Die Reproduktion natürlicher Zähne in transparenten Rapid Prototyping-Replikaten ist sehr vielversprechend und hat das Potenzial, in die Fachrichtung für Bildungszwecke und endodontische Schulungen aufgenommen zu werden. Darüber hinaus ermöglicht sie eine vollständige Standardisierung der Probe bei der Bewertung der Wurzelkanalinstrumentierung in laborbasierten Studien. Bis heute fehlen in der Literatur Studien, die Rapid Prototyping-Zahnrepliken bei der postoperativen Kanalvorbereitung mit verschiedenen Instrumenten und Techniken verwenden. Daher war das Ziel dieser Studie, die Formungsfähigkeit der Systeme Reciproc und Twisted-File Adaptive in gekrümmten mesialen Kanälen von Rapid Prototyping-Mandibularmolaren-Repliken zu bewerten, unter Verwendung von dreidrucktechnologie basierend auf Mikro-CT-Bilddaten.

Material und Methoden

Digitale Daten von zwei extrahierten menschlichen mandibulären Molaren mit vollständig ausgebildeten Wurzeln, die getrennte Wurzeln aufweisen und in unterschiedlichem Maße Krümmungen im mesialen Wurzelbereich zeigen, wurden aus einer Mikrotomographie-Bilddatenbank ausgewählt. Die digitalen Daten der Zähne wurden auf der Grundlage des Krümmungswinkels ausgewählt, wie zuvor beschrieben. Eines der Proben zeigte eine kontinuierliche 62-Grad-Krümmung der mesialen Wurzel (Abbildung 1A), während das andere eine S-förmige mesiale Wurzel mit 21 und 32 Grad in den primären (apikalen Ebene) und sekundären (mittlere Ebene) Krümmungen aufwies (Abbildung 1B).

Micro-CT-Scanning

Ursprünglich wurde jeder Zahn leicht getrocknet, auf einem maßgeschneiderten Attachment montiert und in einem Mikro-CT-Scanner (SkyScan 1174v2; Bruker-microCT, Kontich, Belgien) mit einer isotropen Auflösung von 18 µm gescannt. Die Röntgenröhre wurde mit 50 kV und 800 mA betrieben, und das Scannen erfolgte durch eine 180°-Drehung um die vertikale Achse mit einem Drehschritt von 1,0, unter Verwendung eines 1,0 mm dicken Aluminiumfilters. Bilder jedes Präparats wurden mit spezieller Software (NRecon v.1.6.3; Bruker-microCT, Kontich, Belgien) rekonstruiert, die axiale Querschnitte der inneren Struktur der Proben bereitstellt. Dreidimensionale Modelle der Zähne im stereolithografischen Format (.stl) mit einer Anpassung an eine Auflösung von 600.000 Dreiecken, vom Apex bis 1 mm über dem Niveau der Pulpenkammer, wurden durch den Binarisierungsprozess unter Verwendung der CTAn v.1.12-Software (Brucker-microCT, Kontich, Belgien) erstellt. Eine Analyse der inneren Anatomie der Zähne ergab eine Vertucci Typ I-Konfiguration in beiden mesialen Wurzeln mit einem bandförmigen Kanal im zervikalen und mittleren Drittel der Wurzel (Abbildungen 1A und 1B).

3D-Druck von Prototyp-Molarreplikaten

Die dreidimensionalen Modelle jedes Zahns im .stl Format wurden an eine Projet HD3500 3D-Druckmaschine (3D System, Rock Hill, SC, USA) exportiert, die aufeinanderfolgende Schichten aus klarem Harz mit einer Auflösung von 16 µm (Visijet Crystal, 3D System, Rock Hill, SC, USA) auftrug, um eine echte Nachbildung der Proben zu erstellen (Abbildungen 1C und 1D). Zwanzig Prototypen jedes Zahns wurden gedruckt.

Vorbereitung der Anfangsprobe

Kanalpräparationen wurden im mesialen Wurzelbereich der Replikate durchgeführt. Der Operator war ein Endodontist mit Fachkenntnissen in rotierenden und reziproken Techniken und hatte zuvor eine Schulungsphase mit harzbasierten Prototyp-Molaren durchlaufen. Nach einer initialen Spülung mit 1% NaOCl wurde eine #10 K-Datei in das mesiale Kanalsystem eingeführt, wobei eine ausgewogene Krafttechnik verwendet wurde, bis sie das apikale Foramen erreichte. Anschließend wurden buccal-linguale digitale radiografische (Gnatus XR6010, Ribeirão Preto, SP, Brasilien) Bilder für jeden Prototyp unter Verwendung der parallelen Technik und eines maßgeschneiderten Geräts (Krystal-X easy, Owandy RadioVision, Gragny, Frankreich) aufgenommen, sodass der Zahn vor und nach der Präparation in derselben Position platziert werden konnte, wie zuvor beschrieben. Alle digitalen Bilder wurden erfasst und gespeichert.

Kanalvorbereitung und Spülung

Der Gleitpfad wurde mit PathFile 1, 2 und 3 (Dentsply Maillefer, Ballaigues, Schweiz) 1,0 mm vom apikalen Foramen erreicht. Dann wurden die Molarnachbildungen jedes Exemplars (n=20) zufällig in 2 Gruppen (n=10) verteilt, je nach dem verwendeten Instrumentierungstechniksystem zur Vorbereitung des mesialen Kanals: Reciproc-Einzeldateitechnik und Twisted-File Adaptive (TF Adaptive).

Bei der Reciproc-Technik wurde das R25 (VDW GmbH, München, Deutschland) Instrument in den Kanal eingeführt, bis Widerstand spürbar war, und dann in einer hin- und hergehenden Bewegung aktiviert, die von einem 6:1 Winkelstück (Sirona, Bensheim, Deutschland) betrieben wurde, das von einem Elektromotor (VDW Silver; VDW GmbH, München, Deutschland) angetrieben wurde. TF Adaptive Größe 25.06 gefolgt von einem 30.06 Instrument wurde vorsichtig in den Kanal eingeführt, bis die Arbeitslänge erreicht war, unter Verwendung eines Sybron Elements Motors (SybronEndo, Glendora, CA, USA), der in der adaptiven Bewegung ausgewählt wurde. Jedes Instrument in der Reciproc- und TF-adaptiven Technik wurde in apikaler Richtung mit einer hin- und hergehenden Bewegung von etwa 3 mm Amplitude und leichtem apikalen Druck bewegt. Nach drei Klopfbewegungen wurde das Instrument aus dem Kanal entfernt und gereinigt.

Umfangreiche Spülungen mit 1% NaOCl wurden während der Wurzelkanalinstrumentierung durchgeführt, und eine abschließende Spülung mit 10 mL 70% Alkohol wurde verwendet, um Harzreste zu beseitigen, um die Transparenz der Repliken zu verbessern, unter Verwendung einer Spritze mit einer 29-Gauge-Nadel (Endo Eze; Ultradent Products Inc., South Jordan, UT, USA). Für jede Versuchsgruppe wurden fünf Instrumentensets verwendet.

Bewertung der Kanaltransportation

Nach dem Formungsprozess wurde ein standardisiertes digitales Röntgenbild des mesialen Kanals erstellt, wobei das letzte Instrument auf der Arbeitslänge positioniert war, gemäß den oben genannten Parametern. Die digitalen Bilder, die vor und nach der Kanalpräparation aufgenommen wurden, wurden mit Adobe Photoshop-Software (Adobe Systems, San Jose, CA, USA) überlagert, und die Image Tool-Software (UTHSC, San Antonio, Texas, USA) wurde verwendet, um den Krümmungswinkel vor und nach der Instrumentierung zu messen (Abbildung 2A). Der Unterschied zwischen ihnen wurde als die Menge der Transportation betrachtet. In den Repliken, die eine S-förmige Konfiguration der mesialen Wurzel aufwiesen, wurden die Winkel entweder der primären (apikale Ebene) oder der sekundären (mittleres Drittel) Krümmungen gemessen (Abbildung 2B).

Bewertung der verbleibenden Harzdicke

Die vorbereiteten Prototyp-Molaren wurden ebenfalls einer Mikro-CT-Scannung und Rekonstruktion gemäß den oben genannten Parametern unterzogen. Mit der Software Dataviewer v.1.4.4 (Bruker-microCT, Kontich, Belgien) wurden die Repliken ordnungsgemäß ausgerichtet und die minimale verbleibende Harzdicke in den distalen und mesialen Wänden der instrumentierten Wurzelkanäle in einem Abstand von 1 mm von der Arbeitslänge bis zur Furkationshöhe der mesialen Wurzel in mm mit der Dataviewer-Software (Bruker-microCT, Kontich, Belgien) gemessen. Unter Berücksichtigung der Größe der mesialen Wurzel in jedem Typ von Replik war es möglich, 10 mm der Wurzel in den Prototypen mit einer Krümmung von 62 Grad und 8 mm in den Prototypen mit S-förmiger Krümmung zu bewerten.

Statistische Analyse

Da die Daten zur Kanaltransportation und zur verbleibenden Harzdicke normalverteilt waren (Shapiro-Wilk-Test; P>0,05), wurden sie als Mittelwerte und Standardabweichungen dargestellt und statistisch mit dem unpaired Student’s t-Test verglichen. Die statistische Analyse wurde mit Graphpad Prisma (SPSS Inc., Chicago, IL, USA) durchgeführt, wobei das Signifikanzniveau auf 5 % festgelegt wurde.

Ergebnisse

In allen Proben wurden keine Abbrüche, Perforationen oder Abtragungen beobachtet.

Kanaltransport

Die digital überlappenden Röntgenaufnahmen, die vor und nach der Kanalaufbereitung gemacht wurden, zeigten, dass beide Systeme die ursprüngliche Form der gekrümmten Kanäle in beiden Arten von Replikaten beibehielten, insbesondere im apikalen Drittel (Abbildung 2). Es wurde kein statistischer Unterschied zwischen den Reciproc- und TF Adaptive-Systemen im Grad des Transports in den Replikaten mit 62 Grad Krümmung (P>0,05) beobachtet, der in allen Proben weniger als 1° betrug. In der primären Krümmung (apikaler Bereich) der S-förmigen Replikate zeigten die Reciproc- und TF Adaptive-Systeme einen durchschnittlichen Transportgrad von 2,3°± 0,7 bzw. 1,6°± 0,9, ohne statistischen Unterschied zwischen ihnen (P>0,05). Andererseits zeigte die sekundäre Krümmung (mittlerer Bereich) der S-förmigen Replikate einen signifikant höheren Transport nach der Verwendung des Reciproc-Instruments (18,4°± 1,2) als das TF Adaptive-System (1,3°± 1,2) (P<0,05).

Verbleibende Harzdicke

Tabelle 1 zeigt den Mittelwert (± Standardabweichung) der verbleibenden Harzdicke an den mesialen und distalen Wänden der mesialen Wurzel der Prototypen nach der Kanalaufbereitung mit den Systemen Reciproc und TF Adaptive.

Bei den 62-Grad-Replikaten wurde kein statistischer Unterschied zwischen den Systemen in den mesialen und distalen Wänden auf allen Ebenen festgestellt (P>0.05), außer in 2 und 3 mm vom Apex, wo Reciproc eine signifikant geringere verbleibende Harzdicke als TF Adaptive zeigte (P<.05). In der S-förmigen Krümmungs-Molar-Replik wurde kein Unterschied zwischen den Systemen auf der Furkationshöhe (Ebene 8) in beiden mesialen und distalen Wänden beobachtet (P>0.05). Insgesamt reduzierte Reciproc jedoch signifikant die Dicke der Harzwände im Vergleich zu TF Adaptive (P<0.05).

Diskussion

Zahnmedizinstudenten können ihr Training der zahnärztlichen Handfertigkeiten aus verschiedenen Quellen verbessern. In der Regel üben sie an extrahierten Zähnen oder bei Patienten unter der Aufsicht von zahnärztlichen Experten. Allerdings können während des Trainings einige Komplikationen auftreten, wie zum Beispiel: die Schwierigkeit, menschliche Zähne für das vorklinische Training zu finden, und die Unverfügbarkeit von echten herausfordernden Fällen.

Mit den jüngsten Fortschritten in der Rapid-Prototyping-Technologie wurde die Herstellung von realen dreidimensionalen Modellen menschlicher Organe für medizinische und zahnärztliche Eingriffe eingeführt. Rapid Prototyping ist ein Begriff, der eine Technologie beschreibt, die auf dem Bau physischer dreidimensionaler Strukturen basierend auf ihren jeweiligen virtuellen Modellen basiert und in der Zahntherapie verwendet wurde, hauptsächlich für die chirurgische Planung in der Implantologie und maxillofazialen Prothesen. Die Mikro-CT ist eine zerstörungsfreie Technik, die zur Gewinnung digitaler Informationen über die 3-D-Geometrien fester Objekte verwendet werden kann, aus denen strukturelle Parameter abgeleitet werden können (stl Datei), um Rapid-Prototyp-Modelle zu erzeugen, wie in der vorliegenden Studie. Die STL-Datei enthält eine Beschreibung der Grenzflächen des Modells, die ausreichend ist, um als Eingabe für ein Rapid-Prototyping-System durch schichtweise Polymerisation eines lichtempfindlichen Harzes verwendet zu werden.

Trotz der genannten Vorteile hat die Verwendung von aus Harz hergestellten Prototypen in der Endodontie eine kritische Einschränkung, da es einen offensichtlichen Unterschied zwischen der Härte von Dentin und Harz gibt. In früheren Berichten wurden die Hauptnachteile der Verwendung von rotierenden Instrumenten in Harzblöcken die erzeugte Wärme, die das Harzmaterial erweichen kann, und die Trennung von Instrumenten aufgrund der Bindung ihrer Schneidklingen. In der vorliegenden Studie wurden keine dieser Nachteile beobachtet, wahrscheinlich aufgrund von Unterschieden in der Zusammensetzung zwischen Harzblöcken und aus Harz hergestellten Prototypen. Der erste Schritt zur Erhöhung des Patientensicherheitsniveaus in der endodontischen Behandlung besteht darin, dass alle Kliniker Wissen und Fähigkeiten in der frühen Phase der Ausbildung erwerben. Die endodontische Behandlung kann, wie andere Disziplinen der Zahnmedizin, mit unerwünschten oder unvorhergesehenen Verfahrensfehlern verbunden sein. Auf diese Weise bietet das präklinische endodontische Fertigkeitstraining mit Rapid-Prototyp-Zähnen eine neue Möglichkeit, die sonst schwer zu realisieren ist: endodontische Behandlungen mit realistischen dreidimensionalen Modellen von Zähnen durchzuführen, die jede Art von Kanal-Konfiguration aufweisen, die in natürlichen Zähnen existiert. Zu einem bestimmten Zeitpunkt in der präklinischen Ausbildung können den Studenten verschiedene Konfigurationen des Wurzelkanals präsentiert werden, indem schrittweise Schwierigkeiten hinzugefügt werden. Ein weiterer Vorteil dieser Prototypen ist, dass die Komplexitäten des Wurzelkanals mehrfach repliziert werden können, sodass Kliniker die Verfahren so oft üben können, wie sie möchten, unter Verwendung verschiedener Protokolle. Ebenso ist im Forschungsbereich die Standardisierung der dreidimensionalen Wurzelkanalmorphologie der Probe ein wichtiges Thema. Aufgrund der Genauigkeit des Druckverfahrens (~0,025 mm pro Zoll) ist es möglich, experimentelle Gruppen unter ähnlichen anatomischen Bedingungen zu vergleichen.

In der vorliegenden Studie wurden Rapid-Prototyping-Modelle von mandibularen Molaren mit komplexen Krümmungen der mesialen Wurzel verwendet, um zwei kürzlich eingeführte Präparationssysteme zu evaluieren: Reciproc und TF Adaptive. Das Reciproc-Instrument wurde speziell für den Einsatz in der Reziprokation anstelle der konventionellen kontinuierlichen Rotationsmethode entwickelt. Die reziproke Bewegung zielt darauf ab, das Risiko eines Instrumentenbruchs durch torsionale Belastung zu minimieren, da der Winkel der gegen den Uhrzeigersinn gerichteten Rotation (Schneidrichtung) kleiner als die elastische Grenze des Instruments gestaltet wurde. Auf der anderen Seite rotiert das TF Adaptive System, wenn es mit dem Elements Motor mit Adaptive Motion Technology verwendet wird, im Uhrzeigersinn und passt sich je nach Belastung auf die Datei an und kehrt gegen den Uhrzeigersinn zurück, indem es in einer reziproken Bewegung gleitet.

Die vorliegenden Ergebnisse zeigten, dass die Begradigung des Kanals im apikalen Drittel für beide Instrumente ähnlich war, was frühere Ergebnisse mit menschlichen Zähnen bestätigt. Es wurde auch beobachtet, dass die geringste Menge an Harzdicke nach der Kanalbearbeitung an der distalen Wand des zervikalen Drittels lag. Laut Stern et al.20 (2012) neigt die Wurzelkanalformung mit rotierenden Nickel-Titan-Instrumenten dazu, die Präparation in Richtung des furkalen Aspekts der Wurzel im zervikalen Drittel zu bewegen, wahrscheinlich aufgrund des erhöhten Volumens des Kanals, das an diesem Punkt bis zu dreimal so groß ist. Die Unterschiede, die zwischen den Instrumenten hinsichtlich der Harzdicke auf koronaler Ebene in S-förmiger Anatomie und im apikalen Drittel des 62-Grad-Prototyps beobachtet wurden, könnten mit der größeren Metallmasse von Reciproc im Vergleich zu TF Adaptive zusammenhängen. Im S-förmigen Krümmungsprototyp könnte die Tendenz von Reciproc, weniger Dentin in den mesialen oder distalen Wänden zu belassen, mit den physikalischen Eigenschaften von Harz, das weicher als Dentin ist, sowie mit der größeren Konizität und Steifigkeit von Reciproc im Vergleich zu TF Adaptive verbunden sein. Trotz dessen respektierten beide Systeme die ursprüngliche Krümmung des Wurzelkanals gut, insbesondere auf apikaler Ebene, und verursachten keine iatrogenen Ereignisse wie Zipping, Streifenperforationen oder Ledging.

Während diese Studie darauf abzielte, die Formungsfähigkeit von zwei endodontischen Systemen in Rapid-Prototyping-Harz-Zähnen zu untersuchen, müssen weitere Studien zum Verhalten dieser Systeme in Zähnen mit unterschiedlichen anatomischen Konfigurationen noch durchgeführt werden. Darüber hinaus ist die Verwendung von mikro-CT-basierten Rapid-Prototyping-Harz-Zähnen vielversprechend für Bildungszwecke, endodontisches Training und Forschung.

Fazit

Die vorliegenden Daten deuten darauf hin, dass mikro-CT-basierte Rapid-Prototyping-Harz-Zähne eine wertvolle Ergänzung für das endodontische Training sein könnten. Die Systeme Reciproc und TF Adaptive waren in der Lage, die ursprüngliche Form im apikalen Drittel stark gekrümmter mesialer Kanäle von Molarnachbildungen beizubehalten.

Autoren: Ronald Ordinola-Zapata, Clovis Monteiro Bramante, Marco Antonio Húngaro Duarte, Bruno Cavalini Cavenago, David Jaramillo, Marco Aurélio Versiani

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