5種熱處理型鎳鈦器械的抗彎曲疲勞性能

吳慶翠,王穎藝,馬 昂,李怡然,焦 珊,王成坤，姜 秋

（1.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院牙體牙髓科，吉林 長春130021;2.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院兒童口腔科，吉林 長春130021）

鎳鈦旋轉(zhuǎn)器械（即鎳鈦銼）因切削效率高、柔韌性好等優(yōu)點(diǎn)在臨床上被廣泛使用。而臨床使用鎳鈦銼可能遇到的主要問題是根管預(yù)備過程中由于扭轉(zhuǎn)疲勞或循環(huán)疲勞、二者結(jié)合而引起的器械分離［1］。由循環(huán)疲勞引起的器械分離是指由于器械在根管旋轉(zhuǎn)中在根管最大彎曲處發(fā)生的折斷［2］。疲勞折斷通常是在器械沒有明顯的永久性變形的情況下出現(xiàn)的，被認(rèn)為是器械分離的一個重要的因素。熱處理工藝可以優(yōu)化鎳鈦合金的微觀結(jié)構(gòu)，從而改善鎳鈦器械的抗彎曲疲勞性能，減少其疲勞折斷的發(fā)生［3］。Reciproc Blue（RB）、M-Pro（MP）、HyFlex CM（HCM）、Orodeka Plex-2.0（OP）和P3-Blue（PB）為近年來新推出的采用熱處理工藝的5種鎳鈦銼。目前，有許多學(xué)者對比RB、Waveone gold和HCM等鎳鈦銼的抗彎曲疲勞性能進(jìn)行研究［4-5］。但是目前國內(nèi)外尚無上述5種熱處理型鎳鈦銼抗彎曲疲勞性能比較的相關(guān)報道。本研究旨在比較不同熱處理類型鎳鈦銼RB、HCM、MP、OP和PB的抗彎曲疲勞性能，為其臨床使用提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要材料和儀器 乙二胺四乙酸二鈉鹽（EDTA） （法國Sepotodont公司）。RB鎳鈦銼（25/0.08，德國VDW GmbH公司），HCM鎳鈦銼（25/0.06，美國Coltene Whaledent公司），MP鎳鈦銼（25/0.06，中國埃蒙迪公司），OP鎳鈦銼（25/0.06，濟(jì)寧德卡醫(yī)療器械有限公司），PB鎳鈦銼（25/0.06，山東德薩醫(yī)療科技有限公司）。VDW.silver扭矩控制馬達(dá)（德國VDW GmbH公司），數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司），Sigma 300掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）（德國Zeiss公司）。

1.2 循環(huán)疲勞試驗(yàn)裝置 金屬模擬根管由耐磨的不銹鋼材料制作，模擬根管內(nèi)徑為1.5 mm，曲率半徑為5 mm，彎曲角度分別為60°和90°，彎曲中心位于距模擬根管的末端5 mm，長度為19 mm，見圖1。為了防止儀器滑出，并在實(shí)驗(yàn)過程中觀察器械旋轉(zhuǎn)和折斷情況，金屬模擬根管的表面覆蓋一塊有機(jī)玻璃板。

圖1 模擬根管圖Fig.1Picture of simulated canal

1.3 分組根據(jù)鎳鈦銼的類型分為5組，每組各20支，每組鎳鈦銼再分為2個亞組，每個亞組10支，分別研究比較60°彎曲模擬根管和90°彎曲模擬根管中鎳鈦銼的抗彎曲疲勞性能。即60°彎曲模擬根管RB組、HCM組、MP組、OP組和PB組，90°彎曲模擬根管RB組、HCM組、MP組、OP組和PB組。

1.4 檢測方法將鎳鈦銼安裝于VDW.silver扭矩控制馬達(dá)，調(diào)整其位置，確定鎳鈦銼進(jìn)入根管的長度為19 mm，使其位于根管中心的位置，固定根管馬達(dá)及金屬模擬根管，根據(jù)廠家的建議設(shè)置轉(zhuǎn)速和扭矩，RB馬達(dá)調(diào)至“Reciproc All”模式，HCM設(shè)置為轉(zhuǎn)速500 r·min－1、扭矩2.4 N·cm，MP設(shè)置為轉(zhuǎn)速400 r·min－1、扭矩2.0 N·cm，OP設(shè)置為轉(zhuǎn)速500 r·min－1、扭矩2.5 N·cm，PB設(shè)置為轉(zhuǎn)速400 r·min－1、扭矩3.5 N·cm。為確保鎳鈦銼的自由旋轉(zhuǎn)并減少鎳鈦銼與模擬金屬根管壁之間的摩擦，向金屬模擬根管中加入足量的EDTA。開啟馬達(dá)，同時使用精確度為0.01 s的計(jì)時器計(jì)時，直到視覺和（或）聽覺檢測到鎳鈦銼折斷，計(jì)時停止，記錄時間。收集折斷后的鎳鈦銼，分組標(biāo)記以便下一步觀察其斷端形貌。

1.5 評價指標(biāo)①各組鎳鈦銼從開始旋轉(zhuǎn)到疲勞折斷的時間（time from ratation to fatigue fracture，TTF）：記錄每種器械從開始旋轉(zhuǎn)到疲勞折斷的時間，精確到0.01 s。②各組鎳鈦銼折斷段的長度（fragment length，F(xiàn)L）：使用游標(biāo)卡尺測量出鎳鈦銼剩余段的長度，鎳鈦銼總長度減去剩余段的長度即為折斷段的長度，精確到0.01 mm。③各組鎳鈦銼的斷面形貌：將折斷后的鎳鈦銼在無水乙醇和蒸餾水中各超聲30 min，無水乙醇中浸泡24 h后，自然干燥，導(dǎo)電膠布粘固，SEM掃描折斷器械的斷面，在不同放大倍數(shù)下觀察其斷面形貌。

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。各組鎳鈦銼的TTF和FL均符合正態(tài)分布，以±s表示，每種鎳鈦銼2種彎曲根管組間TTF和FL比較采用兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)；每種彎曲根管多組間鎳鈦銼TTF和FL比較采用單因素方差分析，組間樣本均數(shù)兩兩比較采用LSD-t檢驗(yàn)。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2 結(jié) 果

2.1 各組鎳鈦銼的TTF在60°彎曲模擬根管中，RB組鎳鈦銼的TTF最長，HCM組和MP組次之，OP組和PB組最低；與PB組和OP組比較，MP組、HCM組和RB組鎳鈦銼的TTF明顯增加（P＜0.05）；與MP組和HCM組比較，RB組鎳鈦銼的TTF明顯增加（P＜0.05）。在90°彎曲模擬根管中，RB組鎳鈦器械的TTF最長，MP組次之，HCM組、PB組和OP組最低；與PB組和OP組比較，MP組和RB組鎳鈦銼的TTF明顯增加（P＜0.05）；與MP組和HCM組比較，RB組鎳鈦銼的TTF明顯增加（P＜0.05）。90°彎曲角度模擬根管中各組鎳鈦銼的TTF均明顯少于60°彎曲角度模擬根管中相應(yīng)各組（P＜0.05）。見表1。

表1 各組鎳鈦銼的TTFTab.1TTF of nickel-titanium files in various groups（n=10，±s，t/s）

表1 各組鎳鈦銼的TTFTab.1TTF of nickel-titanium files in various groups（n=10，±s，t/s）

*P＜0.05 compared with PB group；ΔP＜0.05 compared with OP group；#P＜0.05 compared with MP group；○P＜0.05 compared with HCM group；▲P＜0.05 compared with 60°curvature.

Group PB OP MP HCM RB TTF 60°curvature 407.62±56.01 411.39±45.07 479.32±33.39*Δ 482.83±64.67*Δ 745.13±66.86*Δ#○90°curvature 120.44±16.28▲107.21±28.91▲147.54±13.84*Δ○▲120.88±24.56▲240.70±22.63*Δ#○▲

2.2各組鎳鈦銼的FL各組鎳鈦銼的FL比較差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05）。見表2。

表2各組鎳鈦銼FLTab.2 FL of nickel-titanium files in various groups（n=10，±s,l/mm）

表2各組鎳鈦銼FLTab.2 FL of nickel-titanium files in various groups（n=10，±s,l/mm）

Group PB OP MP HCM RB FL 60°curvature 3.62±0.50 3.52±0.40 3.51±0.33 3.69±0.38 3.80±0.45 90°curvature 3.75±0.38 3.80±0.40 3.80±0.32 4.10±0.57 3.92±0.38

2.3 各種鎳鈦銼的斷面形貌SEM下觀察：鎳鈦銼斷面具有典型的循環(huán)疲勞的特征，表現(xiàn)為疲勞條紋（箭頭所示）和韌窩樣結(jié)構(gòu)（圓圈所示），證實(shí)所有鎳鈦銼的斷裂均為金屬疲勞積累所致。見圖2。

圖2 SEM觀察5種鎳鈦銼的斷面形貌Fig.2Appearances of fractures of 5 kinds of nickel-titanium files observed by SEM

3 討 論

鎳鈦器械的應(yīng)用極大地提高了根管治療的效率，但根管預(yù)備過程中器械分離是根管治療的難點(diǎn)。為了減少器械分離，制造商一直在不斷的改進(jìn)工藝，以提高器械的力學(xué)性能。目前鎳鈦器械所用的鎳鈦合金分為主要包含奧氏體相（傳統(tǒng)的鎳鈦合金、M-Wire和R-Phase）和主要包含馬氏體相（CM-wire、Gold和Blue熱處理鎳鈦合金）。其中經(jīng)過熱處理技術(shù)的鎳鈦合金為M-Wire、R-Phase、CM-wire、Gold、Blue和MaxWire熱處理合金。鎳鈦器械在較高溫度下具有奧氏體相，在冷卻或施加應(yīng)力時可轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體相。這種相變可有更大的靈活性。鎳鈦的過渡階段溫度可以不同，其取決于合金和用于加工的熱處理［6］。研究［7-8］表明：熱處理有助于優(yōu)化銼的結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)化性能，可影響旋轉(zhuǎn)銼物理特性，提高抗彎曲疲勞性能。

本研究目的是比較5種熱處理型機(jī)用鎳鈦銼在60°和90°彎曲角度下的抗彎曲疲勞性能，但目前尚無標(biāo)準(zhǔn)化的檢測裝置。盡管使用人的天然牙能更好地模擬臨床條件來評估機(jī)用鎳鈦銼的抗彎曲疲勞性能，但是幾乎沒有彎曲半徑和角度完全相同的根管，所以天然牙無法成為檢測鎳鈦銼抗疲勞性能的理想模型［9］。本研究使用定制的不銹鋼管模型來保證固定的曲率半徑、固定的曲率角度和固定的最大曲率中心。在抗彎曲疲勞試驗(yàn)中，可以采用靜態(tài)或動態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ陟o態(tài)測試模型中，拉伸應(yīng)力和壓縮應(yīng)力在單一點(diǎn)累積；在動態(tài)測試模型中，應(yīng)力通過儀器軸擴(kuò)散。動態(tài)測試模型一方面與臨床實(shí)際情況存在很大差異，不能準(zhǔn)確反映臨床條件，另一方面不能用來推斷器械的力學(xué)性能，靜態(tài)模型得到的結(jié)果更具有可比性［10］。由于本研究的目的是比較不同器械之間的抗彎曲疲勞性能，與以往研究［11］相似，所以本研究更傾向于選擇靜態(tài)測試模型。

本研究中所有鎳鈦銼的轉(zhuǎn)速和扭矩參數(shù)均為廠家所推薦的使用參數(shù)。有學(xué)者［12］通過比較鎳鈦器械的疲勞折斷圈數(shù)來比較不同器械之間的抗彎曲疲勞性能，這與以往所選用鎳鈦器械的旋轉(zhuǎn)模式為連續(xù)旋轉(zhuǎn)有關(guān)。本研究采用TTF來評估比較5種熱處理型鎳鈦銼的抗彎曲疲勞性能：一方面是由于RB鎳鈦銼的運(yùn)動方式為往復(fù)運(yùn)動模式，且無制造商的推薦轉(zhuǎn)速值，無法計(jì)算出準(zhǔn)確的疲勞折斷圈數(shù)；另一方面是本研究所測試的器械是在不同的轉(zhuǎn)速值進(jìn)行測試的，TTF更加貼近臨床，可以更好地指導(dǎo)鎳鈦銼的臨床應(yīng)用［13］。

本研究結(jié)果顯示：不論是在彎曲角度60°還是90°的模擬根管中，RB鎳鈦銼的抗彎曲疲勞性能均優(yōu)于其他被測鎳鈦銼，可能與其采用的合金和熱處理工藝有關(guān)。RB鎳鈦銼由特殊的鎳鈦合金M-Wire制成，同時采用了Blue熱處理工藝，提高了RB鎳鈦 銼 的 抗 彎 曲 疲 勞 性 能［14］。有 研 究［13，15］顯 示：RB鎳鈦銼的抗彎曲疲勞性能高于HyFlex EDM鎳鈦銼，同時HyFlex EDM鎳鈦銼的抗彎曲疲勞性能優(yōu)于HCM鎳鈦銼，與本研究結(jié)果一致。HCM鎳鈦銼采用了室溫下獨(dú)有的奧氏體相變和馬氏體相變工藝，馬氏體相的抗彎曲疲勞性能優(yōu)于奧氏體相。與M-Wire鎳鈦銼和傳統(tǒng)鎳鈦器械比較，CM-Wire鎳鈦銼具有更好抗彎曲疲勞性能［7，16］。MP鎳鈦銼是由特殊的X-wire（記憶金屬）鎳鈦材質(zhì)制作，采用特殊的處理工藝。研究［17］表明：經(jīng)過特殊處理的MP旋轉(zhuǎn)根管銼比常規(guī)鎳鈦合金RaCe旋轉(zhuǎn)根管銼具有更好的抗彎曲疲勞能力。PB鎳鈦銼采用了特殊的熱處理工藝，同時獨(dú)特的表面處理藍(lán)色納米鍍層增進(jìn)銼體的光滑度及表面亮度。OP鎳鈦銼是由進(jìn)口CM鎳鈦合金制成，同時表面采用三重處理工藝。由于無其他研究檢測OP和PB鎳鈦銼的抗彎曲疲勞性能，因此本研究結(jié)果不能直接與其他研究結(jié)果進(jìn)行比較，所測試的鎳鈦銼的抗彎曲疲勞性能間存在差異可能與其采用不同熱處理工藝有關(guān)。

鎳鈦銼的抗彎曲疲勞性能影響因素是一個復(fù)雜的相互關(guān)系，每一個設(shè)計(jì)特征都可能對結(jié)果產(chǎn)生影響，因此很難確定哪個因素是最相關(guān)的。除了制作鎳鈦銼所用的合金和熱處理工藝外，鎳鈦銼的運(yùn)動方式對其抗彎曲疲勞性能也起重要作用。在本研究中所測試的5種鎳鈦銼中RB鎳鈦銼的運(yùn)動方式為往復(fù)旋轉(zhuǎn)，其余4種鎳鈦銼測試的運(yùn)動方式均為連續(xù)旋轉(zhuǎn)。有研究［18］已經(jīng)證明：與連續(xù)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動模式相比，往復(fù)運(yùn)動明顯提高了鎳鈦銼的抗彎曲疲勞性能，與本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果一致。同時不同的橫截面形狀對器械的抗彎曲疲勞性能有一定的影響［19］。本研究中RB鎳鈦銼的橫截面為S形，HCM鎳鈦銼的橫截面形狀為正三角形，MP鎳鈦銼截面形狀為凸三角形，OP鎳鈦銼截面為獨(dú)特的3S型，PB鎳鈦銼截面為獨(dú)特的3S橫切面。KAVAL等［20］研究表明：S形橫截面比水平矩形或三角橫截面設(shè)計(jì)具有更好的抗彎曲疲勞性能，與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果有相似之處。

本研究中RB鎳鈦銼在模擬根管中所測試的平均TTF與?ZYüREK等［13］的研究結(jié)果相似，但HCM鎳鈦銼的TTF與PEDULLà等［21］研究結(jié)果存在差異，可能是實(shí)驗(yàn)裝置的不同及鎳鈦銼的不同生產(chǎn)批次等造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異。同時本研究是在室溫下進(jìn)行測試的，不同實(shí)驗(yàn)溫度的差別可能會對HCM鎳鈦銼的抗彎曲疲勞性能有較大影響。

本研究中各組鎳鈦銼的FL比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，且折斷部位均位于模擬根管的最大彎曲附近，與已有的研究［22］結(jié)果相符，表明所測試鎳鈦銼在根管彎曲內(nèi)的位置正確，并在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生了類似的應(yīng)力。本研究中試樣斷口的SEM圖像顯示了循環(huán)疲勞破壞的力學(xué)損傷特征，表現(xiàn)為疲勞裂紋和韌窩樣的構(gòu)造，表明鎳鈦銼經(jīng)歷了疲勞斷裂模式，發(fā)生了循環(huán)疲勞失效；低倍鏡下觀察均顯示脆性斷裂和韌性斷裂的混合區(qū)域，高倍鏡下可清楚地觀察到帶有疲勞條紋的典型脆性斷裂模式。

本研究結(jié)果顯示：鎳鈦銼在60°彎曲模擬根管中的抗彎曲疲勞性能明顯高于在90°彎曲模擬根管中的抗彎曲疲勞性能，與有關(guān)研究［23］結(jié)果一致，即根管的彎曲角度對鎳鈦銼的抗循環(huán)疲勞性能有很大影響。所以，在臨床工作中，對于彎曲角度較大的根管，需要謹(jǐn)慎處理，選擇疲勞性能較好的鎳鈦銼。

綜上所述，RB鎳鈦銼的抗彎曲疲勞性能明顯優(yōu)于其他熱處理鎳鈦銼，同時根管彎曲角度會影響到鎳鈦銼的抗彎曲疲勞性能，但尚需要結(jié)合更多的體內(nèi)實(shí)驗(yàn)來檢測鎳鈦銼的機(jī)械性能，以便指導(dǎo)臨床鎳鈦銼的選擇。