ÚNAVOVÁ FRAKTURA NIKL-TITANOVÝCH NÁSTROJŮ V ENDODONCII A FAKTORY JI OVLIVŇUJÍCÍ

Overview

Úvod a cíl: Fraktura nikl-titanových nástrojů v endodoncii je komplikace, se kterou se dříve nebo později v ordinaci setká většina stomatologů. Stojí za ní zejména dva základní mechanismy a těmi jsou překročení limitu cyklické únavy, překročení limitu torzní únavy a jejich vzájemná kombinace. Účelem tohoto článku je osvětlit mechanismus fraktury nikl-titanového endodontického nástroje na podkladě cyklické únavy, faktory ji ovlivňující a s tím spojenou problematiku laboratorního testování.

Metodika: Vyhledávání literatury bylo provedeno pomocí PubMed (MEDLINE), ScienceDirect a databáze Wiley Online Library. K vyhledání literatury byla použita klíčová slova týkající se dané tematiky. Poté byla provedena selekce vhodných zdrojů.

Mechanismus fraktury nástroje: Fraktura na podkladě cyklické únavy má tři základní fáze. Iniciace, což je časový úsek, kdy dochází k morfologickým změnám zejména na povrchu a těsně pod povrchem nástroje do vzniku primární praskliny. Poté dochází k jejímu postupnému růstu za vzniku charakteristických pruhů. Jakmile dojde k překročení limitu lomové houževnatosti, přichází na řadu definitivní selhání a separace části nástroje.

Faktory ovlivňující frakturu: Jeden z nejpodstatnějších vlivů na vznik fraktury má kvalita slitiny. Rotační endodontické nástroje v dnešní době můžeme rozdělit podle struktury na nástroje s převahou martenzitu nebo austenitu. Z pohledu cyklické únavy jsou martenzitické nástroje výrazně odolnější než nástroje austenitické. Drsnost povrchu má z fyzikálního hlediska přímý vliv na vznik fraktury, jelikož nerovnosti slouží jako predispoziční místa pro koncentraci napětí. Důležitý vliv má i tvar nástroje, který pozitivně ovlivňuje rezistenci vůči cyklické únavě, pokud má nástroj menší průměr. S rostoucím obsahem průřezu nástroje se zvyšuje tahové napětí na jeho povrchu, a proto dochází k rychlejšímu selhání.

Okolní teplota signifikantně ovlivňuje vlastnosti nástrojů. Vyšší teplota snižuje odolnost vůči cyklické únavě. Je třeba brát v úvahu, že se nástroj může v teplotě místnosti chovat diametrálně odlišně v porovnání s teplotou v kořenovém kanálku. Nesmíme zapomínat ani na parametry kořenového kanálku, které zásadním způsobem ovlivňují selhání nástroje. Velmi důležitý je také typ rotace nástroje v kořenovém kanálku. Z tohoto pohledu jednoznačně můžeme říct, že rotační mód zkracuje dobu rezistence nástroje v porovnání s těmi recipročními. Pro testování cyklické únavy dosud nebyl určen vhodný výplachový roztok.

Závěr: Tematika selhání endodontických nástrojů na bázi cyklické únavy je velmi obsáhlá. Její vývoj a pochopení může pomoci výrobě odolnějších nástrojů, a tím minimalizovat přítomnost této komplikace v ordinaci praktického zubního lékaře.

Klíčová slova:

cyklická únava – fraktura NiTi nástroje v endodoncii – mechanismus fraktury

ÚVOD A CÍL

Separace nástroje v průběhu endodontického ošetření je komplikací, které by se rád vyhnul každý stomatolog. Separace nikl-titanových (NiTi) nástrojů během preparace může mít za následek zhoršenou (iatrogenně vzniklou) prognózu zubu. Za přítomnosti periapikálního nálezu může tato komplikace vést ke snížení šance na úspěšné zhojení. S ohledem na nízký počet studií se výskyt fraktur rotačních NiTi nástrojů pohybuje od 0,4 do 5 %, přičemž za vyšším procentem fraktur stojí zejména fraktury při ošetření u molárů [1, 2]. Ve většině případů je selhání nástroje důsledkem jeho nesprávného nebo nadměrného používání, s nejvyšší incidencí v apikální třetině kořenového kanálku [2].

K fraktuře nástroje při endodontickém ošetření dochází vždy kombinací různých faktorů, a to překročením limitu cyklické únavy a torzní únavy. Vzhledem k faktu, že překročení torzního zatížení, stejně jako rychlost rotace, jsou kontrolovány endomotorem [3], je v současnosti velmi diskutovaným tématem překročení limitu cyklické únavy daného nástroje. Dochází k ní tak, že nástroj nepřetržitě rotuje v zakřiveném kanálu a vytváří cykly tenze/komprese v bodě maximálního ohybu, což nakonec vede k selhání daného nástroje [4]. O rotačních NiTi nástrojích je známo, že k jejich selhání dochází, aniž by byly vidět známky deformace a potenciálního lomu, ve srovnání s evidentními vizuálními znaky, které lze pozorovat u tradičních nástrojů z nerezové oceli [2].

Úspěch endodontického ošetření může být ovlivněn frakturou nástrojů. V posledních letech výrobci různými způsoby upravují NiTi slitiny za účelem snížení výskytu separace nástroje [1, 5]. Odstranění takové části endodontického nástroje z kořenového kanálku je technicky a časově náročné, proto je důležité minimalizovat pravděpodobnost zalomení/separace nástroje [1].

Cílem této práce bylo obeznámit odbornou veřejnost, jakým způsobem vzniká tento typ fraktury, co ovlivňuje její vznik a jakým způsobem.

METODIKA

Pro analýzu literatury byly použity elektronické databáze PubMed (MEDLINE), ScienceDirect a Wiley Online Library. Jako klíčová slova pro vyhledávání literatury byla použita: NiTi endodontic instruments cyclic fatigue a NiTi endodontic instruments cyclic fatigue affecting factors. Další vyhledávání literatury bylo provedeno manuálně. Články byly analyzovány každým autorem nezávisle. Poté autoři srovnávali své výběry a porovnávali rozdíly. Vyloučení článků bylo provedeno po analýze názvů a abstraktů. O tom, zda publikaci zahrnout, či nikoli, se diskutovalo až po analýze celého textu podle kritérií pro zařazení a vyloučení.

Kritéria pro zařazení:

• články, ve kterých se testovala cyklická únava staticky

• články, ve kterých je cyklická únava testována v laboratorních podmínkách

• články psané anglicky nebo česky

• články, zabývající se cyklickou únavou rotačních nástrojů používaných pro opracování kořenových kanálků

• články, které přinesly vývojový posun v dílčím výzkumu

Kritéria pro vyloučení:

• články, ve kterých se hodnotil vliv sterilizace na cyklickou únavu

• články, kdy byla cyklická únava testována in vivo

• články, ve kterých je podle současných nároků nedostatečně definovaná metodika

• články, ve kterých se testovala cyklická únava dynamicky

Na základě použitých klíčových slov bylo nalezeno celkem 678 publikací. Po aplikaci kritérií pro zařazení a vyloučení, screeningu a vyřazení článků na základě metodických pokynů bylo do analýzy zahrnuto 62 studií.

PRINCIP VZNIKU FRAKTURY

Z fyzikálního hlediska se únavová fraktura popisuje jako vznik a šíření praskliny materiálu v důsledku jeho opakovaného (cyklického) zatěžování. Průběh tohoto typu selhání sestává ze tří typických fází. Fáze iniciace, fáze růstu a fáze konečného selhání [6]. Povrch praskliny frangovaného nástroje z příčiny cyklické únavy má charakteristický vzhled (obr. 1, obr. 2).

V iniciální fázi cyklické fraktury u nástrojů s hladkým povrchem dochází v místě maximálního zatížení (ohybu) nejdříve k fyzikálním změnám slitiny a ke ztvrdnutí nebo změknutí povrchu. Důsledkem těchto změn je změna amplitudy aplikovaného napětí v daném místě. Po nějaké době vlivem působení střídavých sil vznikají takzvané perzistentní skluzové pásy, které na povrchu slitiny vytváří perzistentní skluzové stopy nejčastěji v podobě intruzí a extruzí. V těchto místech dochází ke zvýšené koncentraci stresu, což vede ke vzniku mikropraskliny [7, 8] (obr. 3). V případě přítomnosti výrazných nerovností na povrchu nástroje způsobených výrobou dochází ke koncentraci napětí v těchto nerovnostech, a tím k rychlejšímu vzniku mikropraskliny [6]. Druhá fáze je charakteristická růstem praskliny a vznikem pruhování na rovině lomu. Každý cyklus komprese a tenze (jedna otočka nástroje) vede ke vzniku jednoho pruhu. V závislosti na velikosti aplikovaných sil (na úhlu zakřivení nástroje) je ovlivněn rozsah pruhování, a to tak, že čím více je kořenový kanálek zahnutý, tím širší pruhy jsou. Popsané změny nejsou viditelné lidským okem. Tyto dvě fáze trvají nejdéle z celého procesu únavové fraktury, proto máme často dojem, že únavová fraktura vzniká náhle, bez objektivně viditelných změn [9]. Na závěr, když intenzita napětí překročí kritickou hodnotu známou jako lomová houževnatost, dojde k poslední fázi, a to k nezadržitelnému rychlému lomu. Tato fáze je charakteristická chaotickým povrchem praskliny a obvykle probíhá kombinací růstu praskliny s procesem zvaným koalescence mikrodutin [6, 9].

Fraktura na podkladě cyklické únavy je ovlivněna součinností mnoha faktorů, které můžeme rozdělit do dvou skupin. Faktory dané vlastnostmi nástroje, mezi kterými dominují kvalita slitiny nástroje, drsnost povrchu, obsah a tvar průřezu nástroje v místě potenciálního zalomení, a faktory okolního prostředí, mezi které můžeme zařadit vliv teploty okolního prostředí, způsob rotace endodontického nástroje, geometrické parametry arteficiálního kanálu, charakter okolního prostředí (testování bez média nebo v různých roztocích) [2, 5, 10].

KVALITA SLITINY

Nitinol je slitina využívaná k výrobě endodontických nástrojů již od devadesátých let dvacátého století [11]. Od té doby máme dnes k dispozici velkou škálu nástrojů z různě upravených druhů této slitiny. Z pohledu struktury se nástroje z nitinolu vyrábí s převahou jedné ze dvou základních krystalických struktur zvaných austenit (vysokoteplotní fáze) a martenzit (nízkoteplotní fáze). Tyto fáze mezi sebou plynule přechází v závislosti na teplotě a na tom, zda je slitina zahřívána, nebo ochlazována. Pokud je teplota nižší než konečná martenzitická teplota, je slitina v plně martenzitickém složení. Když je teplota vyšší než konečná austenitická teplota, má plně austenitické složení. Počínající teplota vzniku martenzitu je teplota, při které se vlivem ochlazování začíná austenitická struktura postupně transformovat v martenzit. Počínající teplota vzniku austenitu je teplota, při které začíná transformace martenzitu v austenit ohříváním. Specifickými výrobními procesy jsou technologové schopni tyto teploty do určité míry měnit podle potřeby. Každá z těchto forem slitiny má odlišné vlastnosti. Ve formě s převažující složkou austenitu je slitina tuhá, tvrdá a disponuje superelastickými vlastnostmi.

K deformaci nástroje z austenitu v kanálku dochází procesem zvaným stresem indukovaná martenzitická přeměna, kdy se za určité míry působící síly mění austenitická struktura na martenzitickou. Tato změna není stabilní a po odstranění působících sil se nástroj vrací do původního tvaru. Zatímco slitina ve formě převážně martenzitické je měkká, tvárná, lze ji snadno deformovat a má efekt tvarové paměti. K tomu, aby se nástroj nacházel v martenzitické fázi i za teplot přítomných v kořenovém kanálku, je zapotřebí specifických tepelných úprav ve výrobním procesu. U nástrojů z martenzitu dochází k deformaci procesem zvaným martenzitická reorientace, při které dochází pouze k reorientaci krystalické mřížky v prostoru [5]. Z pohledu cyklické únavy se ukázalo, že nástroje vyrobené ze slitiny austenitického typu jsou výrazně méně odolné než nástroje martenzitické [10, 12–16], vzhledem k tomu, že odolnost proti růstu únavových prasklin martenzitu je lepší než u stabilního austenitu, s ohledem na reorientační kapacitu struktury martenzitu [17, 18]. Podrobnější popis kvality nikl-titanových slitin a způsob výroby je nad rámec tohoto článku.

POVRCH NÁSTROJE

Kvalita povrchu je také jedním z diskutovaných témat s ohledem na cyklickou únavu endodontických nástrojů. Jak bylo zmíněno v úvodu, fraktura nástroje na podkladě cyklické únavy vzniká na povrchu nástroje. Ve většině případů se na samém počátku vzniku praskliny podílejí povrchové nepřesnosti vzniklé při výrobě nástroje. Z toho důvodu má na vznik fraktury velmi podstatný vliv morfologie povrchu [6]. V endodoncii se velmi důležitým krokem pro zlepšení vlastností endodontických nástrojů stalo využití elektrolytického leštění. Elektrolytické leštění odstraňuje nerovnosti povrchu, praskliny a zbytkové pnutí. Z pohledu cyklické únavy většina studií poukazuje na zvýšenou odolnost vůči cyklické únavě u nástrojů s vyleštěným povrchem [19–21]. Podle dostupných studií elektrolytické leštění zlepšuje nejen odolnost proti cyklické únavě, ale i řeznou účinnost břitů a odolnost proti korozi [22, 23]. Pouze Bui et al. tvrdí, že elektrolytické leštění nezvyšuje odolnost vůči cyklické únavě [22].

Technika úpravy povrchu, která zůstala v experimentální rovině kvůli příliš vysokým nákladům, je takzvaná iontová implantace. Nástroje, které podstoupily úpravu plazmatickou implantací iontů dusíku [24, 25], boru [26] nebo argonu [27] vykazovaly vyšší řeznou účinnost, s tím spojenou povrchovou tvrdost a odolnost vůči cyklické únavě. Plazmatická implantace iontů je nízkoteplotní proces (300–580 °C). Kromě iontové implantace se ionty dusíku do povrchových vrstev mohou integrovat plynovou a práškovou nitridací. Jedná se o vysokoteplotní procesy (900–1000 °C) zvyšující odolnost endodontických nástrojů v závislosti na délce vystavení nitridaci a výšce teploty. Finální tloušťka nitridové vrstvy na povrchu nástroje ovlivňuje odolnost vůči cyklické únavě. Oblíbená je také oxidace povrchu vedoucí ke vzniku oxidu titaničitého, která má podobný účinek na vlastnosti nástroje, jako nitridace [25].

OBSAH A TVAR PRŮŘEZU NÁSTROJE

Dalším faktorem ovlivňujícím odolnost proti cyklické únavě je průměr nástroje. Jak již bylo zmíněno, únavová prasklina vzniká v bodě maximálního ohybu nástroje. V tomto bodě působí na nástroj největší tažná síla. Amplituda tahového napětí se zvyšuje s rostoucím průměrem nástroje. Čím vyšší je amplituda tahové deformace na povrchu, tím nižší bude odolnost proti cyklické únavě. Proto jsou méně odolné vůči cyklické únavě nástroje s větším průměrem [28].

S ohledem na tvar průřezu bylo prokázáno, že nástroje s průřezem ve tvaru písmene S jsou odolnější z pohledu cyklické únavy než nástroje s průřezem tvaru zaobleného trojúhelníku. Je to dáno faktem, že při stejném průměru obsahují nástroje s průřezem tvaru S menší množství hmoty. Z toho důvodu se tvar průřezu písmene S považuje za výhodnější než tvar zaobleného trojúhelníku při výrobě endodontických nástrojů [29, 30].

ROZMĚRY ARTEFICIÁLNÍHO KANÁLKU

Z praktického pohledu jednoznačně vychází, že čím větší úhel a čím menší poloměr zakřivení kanálku, tím dříve dochází k fraktuře nástroje [31, 32]. U in vitro testování se v této oblasti projevuje nedostatečná standardizace. V současné době se cyklické únavové zkoušky provádějí převážně s použitím umělého kanálu obvykle frézovaného v bloku z nerezové oceli [33–35]. Problém nastává při určení úhlu zahnutí kanálku. K tomuto účelu byly v průběhu času vytvořeny desítky způsobů měření. To vede k situaci, kdy jeden kořenový kanálek může být popsán různými hodnotami v závislosti na použité metodě měření [36]. Ve studiích je morfologie kanálku obvykle popsána úhlem a poloměrem zakřivení. Tento způsob užili Pruett et al. [31]. Zakřivení kanálku ve studiích je obvykle mezi 30° a 90° s proměnlivým poloměrem zakřivení [33, 37–39]. Za zmínku stojí, že z počátku byly využívány kanálky o konstantním průměru v celé své délce, ale vzhledem k nedokonale určené trajektorii nástrojů, která se liší v závislosti na jejich parametrech, jsou brány jako nedostatečné [40]. Z tohoto důvodu se v současnosti doporučuje výroba individuálních kanálků (obr. 4), které jsou většinou přibližně o 0,1–0,2 mm širší v průměru, než jsou proporce dané k vyloučení torzních sil [41, 42].

KINEMATIKA POHYBU NÁSTROJE

K opracování kořenového kanálku můžeme z pohledu pohybu nástrojů využívat rotační a reciproční pohyb. Typicky se pro reciproční pohyb používají dva režimy, RECIPROC ALL (150° proti směru hodinových ručiček a poté o 30° po směru hodinových ručiček s rychlostí 300 otáček za minutu) a WAVEONE ALL (o 170° proti směru hodinových ručiček a poté o 50° po směru hodinových ručiček s rychlostí 350 otáček za minutu) [38]. Z pohledu cyklické únavy se používání čistě rotačního pohybu ukazuje jako nevýhodné, neboť vede k rychlejšímu selhání nástrojů než u recipročního typu pohybu [43–45]. Vliv odlišných recipročních módů zkoumají studie porovnávající cyklickou únavu různých nástrojů s využitím doporučeného recipročního módu (RECIPROC ALL, WAVEONE ALL). Vzhledem k tomu, že každý mód rotuje jinou rychlostí, převádějí čas vedoucí ke zlomu nástroje na počet cyklů [44, 46]. Bylo zjištěno, že při použití těchto dvou recipročních módů pohybů neexistují žádné rozdíly v odolnosti proti cyklické únavě [44].

TEPLOTA

V posledních letech je častým tématem v problematice cyklické únavy vztah okolní teploty a fraktury nástroje. Je prokázáno, že vyšší okolní teplota snižuje odolnost proti cyklické únavě nástrojů vyrobených různými termomechanickými postupy, protože ovlivňuje změny vnitřní krystalografické struktury změnou poměru martenzitu k austenitu [5, 33, 47–49]. Pouze několik studií nekoreluje s těmito výsledky [13, 34]. V minulosti byly testy cyklické únavy prováděny při pokojové teplotě [50, 51]. Existují také studie, při kterých byla cyklická únava testována při tělesné teplotě 37 °C [34, 37]. Pouze několik studií zohledňuje teplotu přítomnou v kořenovém kanálku, což je 35 °C [10, 33, 52]. Objektivně se v současné době považují studie za pokojové teploty již za obsoletní.

VÝPLACHOVÉ ROZTOKY

Pokud jde o působení okolního prostředí na cyklickou únavu, diskutuje se o vlivu roztoku, ve kterém se provádí testování [53]. Obecně se jako výplachové tekutiny ve studiích používají různé roztoky: destilovaná voda [16, 49, 54], chlornan sodný [10, 55], fyziologický roztok [53], různé typy olejů [56–58] nebo glycerin [59]. Vzhledem k blízkému vztahu ke klinickému užití se diskutuje o vlivu roztoku chlornanu sodného na cyklickou únavu z důvodu koroze. Jedna skupina výsledků tvrdí, že má výrazný účinek na cyklickou únavu [47, 60], a druhá, že nikoliv [61, 62]. S ohledem na různorodost výsledků studií problematika vyžaduje detailnější prostudování. V současné době nebyl určen vhodný roztok pro testování cyklické únavy nikl-titanových nástrojů.

ZÁVĚR

Cyklická únava endodontických nástrojů je obsáhlá tematika, která v mnohých ohledech ještě není objasněna hlavně kvůli své multifaktoriální podstatě. Z hlediska vývoje nových endodontických systémů je důležité tuto problematiku studovat a vyvíjet nástroje, jejichž vlastnosti povedou k nižší incidenci komplikací. Z pohledu praktického zubního lékaře je vhodné před vlastním výkonem vybírat nástroje pro opracování kořenového kanálku i s ohledem na jejich vlastnosti ovlivňující cyklickou únavu.

MDDr. Alexandr Jusku

Klinika zubního lékařství LF UP a FN

Palackého 12

772 00 Olomouc

e-mail: alexandrjusku01@seznam.cz