Zyklische Ermüdung und Torsionswiderstand von vier martensitischen Niti-reziproken Instrumenten

Zusammenfassung

Ziel: Die zyklische Ermüdung und die torsionale Widerstandsfähigkeit von Reciproc Blue R25 (VDW, München, Deutschland), WaveOne Gold Primary (Dentsply Maillefer, Ballaigues, Schweiz), ProDesign R (Easy Equipamentos Odontológicos, Belo Horizonte, Brasilien) und X1 Blue File (MK Life, Porto Alegre, Brasilien) Nickel-Titan (NiTi) Martensit-Rückführinstrumenten zu bewerten.

Methoden: In jeder Gruppe wurden zehn Instrumente auf ihre Widerstandsfähigkeit gegen zyklische Ermüdung mit einem künstlichen Kanal aus Edelstahl (Krümmungswinkel von 80° und Radius von 3 mm) getestet und zehn Instrumente auf torsionalen Versagen gemäß der ISO 3630-1 Norm. Die Oberfläche der gebrochenen Instrumente wurde unter einem Rasterelektronenmikroskop (REM) bei ×250 Vergrößerung untersucht. Die Ergebnisse wurden statistisch mit einer einweg ANOVA und post hoc Tukey-Tests verglichen, und der Alpha-Fehler wurde auf 5% festgelegt.

Ergebnisse: X1 Blue File und ProDesign R-Instrumente zeigten eine höhere Zeit bis zum Bruch als Reciproc Blue und Wave One Gold (P<0.05). Es wurden jedoch keine Unterschiede zwischen X1 Blue File und ProDesign R gefunden (P>0.05). Darüber hinaus zeigte Reciproc Blue eine höhere Zeit bis zum Bruch als WaveOne Gold (P<0.05). Der niedrigste torsionale Widerstand (1.0±0.2 N.cm) und der Rotationswinkel (412°±46) wurden in der ProDesign R-Gruppe beobachtet (P<0.05). REM-Analysen der gebrochenen Oberflächen zeigten einen Rissinitiierungsbereich und eine Überlastschnellbruchzone nach dem Test zur zyklischen Ermüdung sowie konzentrische Abriebspuren mit Mikrovakuolen im Zentrum der Rotation nach dem Experiment zum torsionalen Versagen.

Fazit: Insgesamt zeigten die X1 Blue File und ProDesign R eine höhere zyklische Ermüdungsbeständigkeit als die Instrumente Reciproc Blue und WaveOne Gold, während ProDesign R die niedrigsten Werte für torsionale Widerstandsfähigkeit und Winkelrotation bis zum Bruch aufwies. Die SEM-Analyse aller Instrumente zeigte typische Fehlermerkmale sowohl in zyklischen Ermüdungs- als auch in torsionalen Versagenstests.

Einleitung

Nickel-Titan (NiTi) Legierungen sind in der Regel weicher als rostfreier Stahl, haben einen niedrigen Elastizitätsmodul, sind jedoch biegefestiger und widerstandsfähiger und zeigen Formgedächtnis und Superelastizität. Letztere zwei Eigenschaften sind die Hauptgründe, warum NiTi-Legierungen sich bei der Entwicklung von motorbetriebenen Instrumenten zur Wurzelkanalaufbereitung durchgesetzt haben. Trotz dieser mechanischen Vorteile besteht jedoch weiterhin ein Risiko für Brüche bei NiTi-Instrumenten, insbesondere bei der Behandlung von gekrümmten Wurzelkanälen, was das Ergebnis der endodontischen Therapie beeinträchtigen könnte. In dieser Hinsicht wurden mehrere Modifikationen in ihrem Design, ihrer Kinematik und ihrer Herstellungsweise (Legierungstyp) vorgeschlagen, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern und Brüche zu verhindern. Laut einigen Autoren verändert die Wärmebehandlung der NiTi-Legierung die Anordnung ihrer Kristallstruktur, was ihre Flexibilität und Biegefestigkeit verbessert.

Die konventionelle NiTi-Legierung weist ein nahezu äquiatomisches Verhältnis von Nickel (~56 Gew.-%) und Titan (~44 Gew.-%) auf und existiert in zwei verschiedenen temperaturabhängigen Kristallstrukturen, die als Austenit- und Martensitphasen bezeichnet werden. In der austenitischen Phase zeigt die Legierung eine überlegene superelastische Eigenschaft, während sie in der martensitischen Phase einen besseren Formgedächtniseffekt aufweist. Daher haben martensitbasierte Instrumente eine erhöhte Flexibilität und eine höhere zyklische Ermüdungsbeständigkeit als die austenitischen Instrumente desselben Designs. Aus diesem Grund wurden verschiedene Wärmebehandlungen der NiTi-Legierung vorgeschlagen, um endodontische Instrumente mit verbesserten mechanischen Eigenschaften herzustellen, einschließlich der Blue Technology (Dentsply Tulsa Dental Specialties, Tulsa, OK, USA), des Controlled Memory Wire (CM; Coltène Whaledent, Inc., Cuyahoga Falls, OH, USA) und der Gold Technology (Dentsply Tulsa Dental Specialties). Auch wurde behauptet, dass die Verwendung von reziprokem Bewegung die Widerstandsfähigkeit von NiTi-Instrumenten gegenüber Ermüdung im Vergleich zur kontinuierlichen Rotation erhöht. Dennoch könnten martensitbasierte NiTi-endodontische Instrumente trotz dieser Änderungen aufgrund von Torsionsversagen oder Drehmomentbelastung immer noch brechen.

In der Literatur wurden martensitbasierte reziproke Instrumente wie Reciproc Blue (VDW, München, Deutschland), WaveOne Gold (Dentsply Maillefer, Ballaigues, Schweiz) und ProDesign R (Easy Equipamentos Odontológicos, Belo Horizonte, Brasilien) umfassend hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften getestet. Kürzlich wurde ein neues martensitbasiertes reziprokes Instrument, das X1 Blue File (MK Life, Porto Alegre, Brasilien) genannt wird, auf den Markt gebracht. Laut Hersteller weist dieses Instrument eine inaktive Spitze (ISO-Größe 25) und einen konvexen dreieckigen Querschnitt auf. Bisher wurden die zyklische Ermüdung und die Torsionsfestigkeit der X1 Blue File Instrumente noch nicht getestet. Daher war das Ziel dieser Studie, die zyklische Ermüdung und den Torsionswiderstand des X1 Blue File mit den reziproken Instrumenten ProDesign R, Reciproc Blue und WaveOne Gold zu vergleichen.

Materialien und Methoden

Achtzig neue 25 mm lange Instrumente von vier NiTi-reziproken Systemen (n=20) wurden für Tests zur zyklischen Ermüdung und zum Torsionsversagen ausgewählt: Reciproc Blue R25 (n=20; Größe 25 an der Spitze und eine Taper von 0,08, während nach den ersten 3 mm der Taper regressiv war) (Charge #37631), WaveOne Gold Primary (n=20; Größe 25 an der Spitze und eine Taper von 0,07, während nach den ersten 3 mm der Taper regressiv war) (Charge #1226916), ProDesign R (n=20; Größe 25 an der Spitze und eine konstante Taper von 0,06) (Charge #170096) und X1 Blue File (n=20; Größe 25 an der Spitze und eine konstante Taper von 0,06) (Charge #20171010). In jeder Gruppe wurden zehn Instrumente auf dynamische zyklische Ermüdung und 10 Instrumente auf Torsionswiderstand getestet. Alle Instrumente wurden zuvor auf sichtbare Defekte oder Deformitäten bei ×20 Vergrößerung unter einem Stereomikroskop (OPTZS; Opticam, Sao Paulo, Brasilien) untersucht. Es wurden keine Defekte festgestellt, und die ausgewählten Instrumente wurden den Tests unterzogen.

Zyklustest auf Ermüdung

Der Zyklustest auf Ermüdung wurde mit einem maßgefertigten Gerät aus rostfreiem Stahl durchgeführt, das eine reproduzierbare Simulation eines Instruments ermöglichte, das in einem gekrümmten Kanal mit einem Winkel und einem Radius der Krümmung von 80° bzw. 3 mm eingeschlossen war, der 4 mm von der Spitze entfernt lag (Spitze #30, Konus 0.08). Dies ist nicht identisch mit der Spitze und dem Konus, aber nah an der Größe und dem Konus aller Instrumente. Da der künstliche Kanal nicht identisch mit der Spitze und dem Konus der Instrumente war, wurde kein Torsionswiderstand auf das Instrument angewendet. Alle Tests wurden in einer Kochsalzlösung bei 37°C durchgeführt, und die Instrumente (n=10 pro Gruppe) wurden in einer dynamischen Methode mit einem 6:1 Reduktionshandstück (Sirona Dental Systems GmbH, Bensheim, Deutschland) betrieben, das von einem drehmomentgesteuerten Motor (VDW Silver; VDW) angetrieben wurde, gemäß den Empfehlungen der Hersteller. Das elektrische Handstück war auf einem Gerät montiert, das eine präzise und reproduzierbare Platzierung jedes Instruments in den maßgefertigten künstlichen Kanal ermöglichte. Die Amplitude der axialen Bewegung betrug 3 mm und die Geschwindigkeit der Bewegung wurde auf 1 Zyklus (vollständige Bewegung vom höchsten zum niedrigsten Punkt) für 2 Sekunden eingestellt. Die Zeit bis zum Bruch wurde in Sekunden mit einem digitalen Chronometer aufgezeichnet und gestoppt, als der Bruch der Datei visuell und/oder akustisch erkannt wurde.

Torsionstest

Die Torsionsbelastung wurde bis zum Bruch angewendet, um die mittlere endgültige Torsionsfestigkeit und den Drehwinkel der getesteten Instrumente (n=10 pro Gruppe) mit einem maßgefertigten Gerät, das gemäß ISO 3630-1 hergestellt wurde, zu schätzen. Der Test wurde bei 37°C durchgeführt, um klinische Bedingungen zu simulieren, und jedes Instrument wurde 3 mm vom Ende mit einem Spannfutter, das an eine drehmomentempfindliche Wägezelle angeschlossen war, gedrückt. Der Schaft des Instruments wurde in ein gegenüberliegendes Spannfutter eingespannt, das mit einem Getriebemotor gedreht werden konnte. Die Instrumente wurden mit einer Geschwindigkeit von 2 U/min gegen den Uhrzeigersinn gedreht, bis das Instrument brach. Die Torsionslast (N.cm) und die Winkelrotation (°) wurden mit einem Torsiometer (ODEME; Luzerna, SC, Brasilien) aufgezeichnet, und die endgültige Torsionsfestigkeit sowie der Drehwinkel beim Versagen wurden von einer speziell entwickelten Software (ODEME Analysis TT; ODEME) bereitgestellt.

Rasterelektronenmikroskopie

Ein Rasterelektronenmikroskop (SEM; JSM 5800; JEOL, Tokio, Japan) wurde verwendet, um die topografischen Merkmale der Bruchflächen aller Instrumente nach zyklischen und torsionalen Tests bei ×250 Vergrößerung zu bewerten.

Statistische Analyse

Die Datenanalyse ergab eine glockenförmige Verteilung (Shapiro-Wilk-Test; P>0,05) und die statistische Analyse wurde zwischen den Gruppen unter Verwendung der einseitigen ANOVA und post hoc Tukey-Tests mit einem Alpha-Fehler von 5 % (Biostat; Instituto Mamirauá, Tefé, Brasilien) durchgeführt.

Ergebnisse

Die Mittelwerte und Standardabweichungen der Zeit bis zum Bruch (zyklische Ermüdungsbeständigkeit), des maximalen Drehmoments und der Winkelrotation bis zum Bruch sind in Tabelle 1 dargestellt. Es wurde kein statistischer Unterschied zwischen der Zeit bis zum Bruch der X1-Blau-Datei (417±36 s) und der X1-Blau-Datei (417±36 s) festgestellt, während die Instrumente ProDesign R (397±41 s) eine höhere Zeit bis zum Bruch aufwiesen als Reciproc Blue (274±42 s) und Wave One Gold (193±17 s) (P<0,05). Es wurden jedoch keine Unterschiede zwischen der X1-Blau-Datei und ProDesign R gefunden (P>0,05). Darüber hinaus zeigte Reciproc Blue eine höhere Zeit bis zum Bruch als WaveOne Gold (P<0,05). Der niedrigste torsionale Widerstand (1,0±0,2 N.cm) und der Rotationswinkel (412º±46) wurden in der ProDesign R-Gruppe beobachtet (P<0,05). SEM-Analysen der gebrochenen Oberflächen zeigten einen Rissinitiierungsbereich und eine Überlastschnellbruchzone nach dem Test zur zyklischen Ermüdung (Abb. 1) sowie konzentrische Abriebspuren mit Mikrovakuolen im Rotationszentrum nach dem Experiment zum torsionalen Versagen (Abb. 2).

Diskussion

Die Instrumententrennung wurde seit dem Aufkommen der mechanischen Aufbereitung mit NiTi-Legierungsinstrumenten in der Endodontie von mehreren Autoren wiederholt berichtet und auf übermäßige Torsion und zyklische Ermüdung zurückgeführt. Der Bruch durch zyklische Ermüdung tritt als Ergebnis der alternierenden Zug- und Druckzyklen auf, denen die Instrumente ausgesetzt sind, wenn sie im Bereich der maximalen Krümmung des Kanals gebogen werden, während der Torsionsstress entsteht, wenn die Scherkräfte das elastische Limit des Metalls überschreiten, was zu plastischer Deformation und Bruch führt. Die vorliegende Studie wurde entworfen, um die zyklische Ermüdung und die Torsionsfestigkeit von 4 neuen martensitischen NiTi-reziproken Instrumenten namens Reciproc Blue, WaveOne Gold, ProDesign R und dem X1 Blue File zu vergleichen.

Insgesamt zeigten die Ergebnisse, dass die X1 Blue File und ProDesign R Instrumente eine höhere Zeit bis zum Bruch aufwiesen als die Reciproc Blue und WaveOne Gold Instrumente (Tabelle 1). Eine längere zyklische Ermüdungslebensdauer von NiTi-Instrumenten hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich ihres Durchmessers, der Metallmasse des Kerns, der Flexibilität, des Querschnittsdesigns und der Art der NiTi-Legierung. Es wurde festgestellt, dass großkonische Instrumente, die in gekrümmten Kanälen verwendet werden, nach nur wenigen Umdrehungen brechen können. Der variable Konus und die große Querschnittsfläche der Reciproc Blue und WaveOne Gold im Vergleich zu ProDesign R und X1 Blue File Instrumenten, in Verbindung mit der Position des gekrümmten Segments der künstlichen Kanäle, die in dieser Studie verwendet wurden (4 mm vom Ende), könnten ihre niedrigsten Werte im Test zur zyklischen Ermüdung erklären. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass Unterschiede in der Wärmebehandlung der NiTi-Legierung in jedem System das Endergebnis beeinflusst haben. Tatsächlich hat eine aktuelle Veröffentlichung gezeigt, dass Reciproc Blue eine signifikant höhere Widerstandsfähigkeit gegen zyklische Ermüdung aufwies als WaveOne Gold und M-Wire Reciproc Instrumente, was mit den vorliegenden Ergebnissen übereinstimmt. Abgesehen von den Unterschieden in ihrer Wärmebehandlung und unter Berücksichtigung, dass NiTi-Instrumente mit einer großen Metallkernmasse eine Verringerung ihrer zyklischen Ermüdungslebensdauer aufweisen, wobei Risse hauptsächlich an ihrer Hauptkante beginnen, könnte der größere Querschnitt und die höhere Anzahl der führenden Kanten des WaveOne Gold Instruments seine kürzere Zeit bis zum Bruch im Vergleich zu Reciproc Blue erklären. Die SEM-Analyse der Instrumente zeigte ähnliche duktil-fraktographische Erscheinungen von zyklischen Ermüdungsbrüchen mit Mikrohohlräumen. Es wurden auch Rissinitiierungsbereiche und Überlastschnellbruchzonen beobachtet, ohne morphologische Unterschiede in den Bruchflächen aller bewerteten Instrumente (Abb. 1).

Heutzutage, obwohl keine Spezifikation, internationale Norm oder Einigung bezüglich der Verwendung von maßgefertigten künstlichen Kanälen zur Bewertung der zyklischen Widerstandseigenschaften von NiTi-Instrumenten erreicht wurde, wurde diese Methode zuvor validiert und in Laborstudien weit verbreitet, da sie die Standardisierung der experimentellen Bedingungen ermöglicht und somit die interne Validität erhöht. In der vorliegenden Studie wurde darauf geachtet, dass die Abmessungen des künstlichen Kanals den Spitzen und der Taper der getesteten Instrumente ähneln, um eine präzise Trajektorie zu gewährleisten, wie zuvor berichtet. Darüber hinaus wurde in der aktuellen Studie ein dynamisches Modell verwendet, um die klinische Anwendung der NiTi-Systeme besser zu simulieren. Im Vergleich zu statischen Modellen erhöht sich bei einem dynamischen Test die Zeit bis zum Bruch, da der auf das Instrument ausgeübte Stress sich entlang des Schafts bei Hin- und Herbewegungen verteilt. Schließlich wurden Tests mit dem künstlichen Kanal durchgeführt, der in einer Kochsalzlösung bei 37 °C eingetaucht war, da dieses methodische Verfahren mit zuverlässigeren Ergebnissen assoziiert zu sein scheint, da die Körpertemperatur anscheinend die zyklische Ermüdungslebensdauer von NiTi-Instrumenten verringert.

Der Torsionsermüdungstest zeigte, dass die maximale Torsionsfestigkeit (1,0±0,2 N.cm) und die Winkelrotation bis zum Bruch (412°±46) des ProDesign R Instruments signifikant niedriger waren als bei den anderen Systemen (Tabelle 1). Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass ProDesign R ein niedriges Drehmoment benötigt, um durch Torsion zu brechen, was eine hohe Wahrscheinlichkeit für eine Unterbrechung bedeutet, wenn die Spitze des Instruments im Wurzelkanalraum klemmt. Dies könnte durch seine kleine Taper (0,06), die Querschnittsform (S-förmig) und die hohe Flexibilität seiner CM NiTi-Legierung erklärt werden. Andererseits könnte die höchste Winkelverzerrung der Reciproc Blue und X1 Blue File Instrumente (Tabelle 1) in Kliniken von Vorteil sein, da plastische Deformationen einen bevorstehenden Bruch vorhersagen könnten, was den Moment anzeigt, das Instrument auszutauschen. Die SEM-Analyse der Instrumente, die dem Torsionswiderstandstest unterzogen wurden, zeigte typische Merkmale eines Torsionsbruchs, d.h. konzentrische Abriebspuren und faserige Dellen vom Torsionszentrum (Abb. 2).

Fazit

Insgesamt zeigten die X1 Blue File und ProDesign R eine höhere zyklische Ermüdungsbeständigkeit als die Instrumente Reciproc Blue und WaveOne Gold, während ProDesign R die niedrigsten Werte für Torsionsbeständigkeit und Winkelrotation bis zum Bruch aufwies. Die SEM-Analyse der gebrochenen Oberflächen zeigte einen Rissinitiierungsbereich und eine Überlastschnellbruchzone nach dem Test zur zyklischen Ermüdung sowie konzentrische Abriebspuren mit Mikrovakuolen im Zentrum der Rotation nach dem Experiment zur Torsionsversagen.

Autoren: Emmanuel J.N.L. Silva, Carolina O. Lima, Victor T.L. Vieira, Henrique S. Antunes, Edson J.L. Moreira, Marco A. Versiani

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