Fatica Ciclica e Resistenza Torsionale di Quattro Strumenti Reciproci in Niti a Base di Martensite

Abstract

Obiettivo: Valutare la fatica ciclica e la resistenza torsionale degli strumenti reciprocanti in nichel-titanio (NiTi) martensitici Reciproc Blue R25 (VDW, Monaco, Germania), WaveOne Gold Primary (Dentsply Maillefer, Ballaigues, Svizzera), ProDesign R (Easy Equipamentos Odontológicos, Belo Horizonte, Brasile) e X1 Blue File (MK Life, Porto Alegre, Brasile).

Metodi: In ciascun gruppo, dieci strumenti sono stati testati per la resistenza alla fatica ciclica utilizzando un canale artificiale in acciaio inossidabile (angolo di curvatura di 80° e raggio di 3 mm) e dieci strumenti per il fallimento torsionale secondo lo standard ISO 3630-1. La superficie degli strumenti fratturati è stata esaminata mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) a ingrandimento ×250. I risultati sono stati confrontati statisticamente con ANOVA unidirezionale e test post hoc di Tukey e l'errore di tipo alfa è stato fissato al 5%.

Risultati: Il file blu X1 e ProDesign R hanno mostrato il tempo di frattura più lungo rispetto a Reciproc Blue e Wave One Gold (P<0.05). Tuttavia, non sono state trovate differenze tra X1 Blue File e ProDesign R (P>0.05). Inoltre, Reciproc Blue ha dimostrato un tempo di frattura più lungo rispetto a WaveOne Gold (P<0.05). La resistenza torsionale più bassa (1.0±0.2 N.cm) e l'angolo di rotazione (412°±46) sono stati osservati nel gruppo ProDesign R (P<0.05). Le analisi SEM delle superfici fratturate hanno mostrato un'area di inizio crepe e una zona di frattura rapida da sovraccarico dopo il test di fatica ciclica, e segni di abrasione concentrici con microvuoti al centro di rotazione dopo l'esperimento di fallimento torsionale.

Conclusione: In generale, X1 Blue File e ProDesign R hanno mostrato una maggiore resistenza alla fatica ciclica rispetto agli strumenti Reciproc Blue e WaveOne Gold, mentre ProDesign R ha avuto i valori più bassi di resistenza torsionale e rotazione angolare fino alla frattura. L'analisi SEM di tutti gli strumenti ha dimostrato caratteristiche di fallimento tipiche sia nei test di fatica ciclica che nei test di frattura torsionale.

Introduzione

Le leghe di nichel-titanio (NiTi) sono solitamente più morbide dell'acciaio inossidabile, hanno un basso modulo di elasticità ma sono più resistenti e resilienti nella flessione, e mostrano memoria di forma e superelasticità. Queste ultime due proprietà sono le principali ragioni per cui le leghe NiTi hanno avuto successo nello sviluppo di strumenti a motore per la preparazione dei canali radicolari. Tuttavia, nonostante questi vantaggi meccanici, gli strumenti NiTi presentano ancora un rischio di frattura, specialmente durante il trattamento di canali radicolari curvi, il che potrebbe compromettere l'esito della terapia endodontica. In questo modo, sono state proposte diverse modifiche nel loro design, cinematica e metodo di produzione (tipo di lega) con l'obiettivo di migliorare le proprietà meccaniche al fine di prevenire la frattura. Secondo alcuni autori, il trattamento termico della lega NiTi cambia l'arrangiamento della sua struttura cristallina, migliorando la sua flessibilità e resistenza alla flessione.

L'alleato NiTi convenzionale presenta un rapporto quasi equiatomico di nichel (~56 wt%) e titanio (~44 wt%) e esiste in due diverse strutture cristalline dipendenti dalla temperatura chiamate fasi austenitica e martensitica. Nella fase austenitica, l'alleato presenta una superiore proprietà superelastica, mentre nella fase martensitica ha un migliore effetto memoria di forma. Pertanto, gli strumenti basati su martensite hanno una maggiore flessibilità e una resistenza alla fatica ciclica superiore rispetto agli strumenti austenitici dello stesso design. Di conseguenza, sono stati suggeriti vari trattamenti termici dell'alleato NiTi per produrre strumenti endodontici con proprietà meccaniche migliorate, inclusa la Blue Technology (Dentsply Tulsa Dental Specialties, Tulsa, OK, USA), il Controlled Memory Wire (CM; Coltène Whaledent, Inc., Cuyahoga Falls, OH, USA) e la Gold Technology (Dentsply Tulsa Dental Specialties). Inoltre, si è affermato che l'uso del movimento reciproco aumentasse la resistenza degli strumenti NiTi alla fatica rispetto alla rotazione continua. Tuttavia, nonostante questi cambiamenti, gli strumenti endodontici NiTi basati su martensite potrebbero comunque rompersi a causa di un guasto torsionale o di un carico di coppia.

Nella letteratura, strumenti reciprocanti a base di martensite come Reciproc Blue (VDW, Monaco di Baviera, Germania), WaveOne Gold (Dentsply Maillefer, Ballaigues, Svizzera) e ProDesign R (Easy Equipamentos Odontológicos, Belo Horizonte, Brasile) sono stati ampiamente testati riguardo alle loro proprietà meccaniche. Recentemente, è stato lanciato sul mercato un nuovo strumento reciprocante a base di martensite, chiamato X1 Blue File (MK Life, Porto Alegre, Brasile). Secondo il produttore, questo strumento presenta una punta inattiva (dimensione ISO 25) e una sezione trasversale triangolare convessa. Finora, la fatica ciclica e la resistenza torsionale degli strumenti X1 Blue File non sono state ancora testate. Pertanto, lo scopo di questo studio era di confrontare la fatica ciclica e la resistenza torsionale dello X1 Blue File con gli strumenti reciprocanti ProDesign R, Reciproc Blue e WaveOne Gold.

Materiali e metodi

Ottanta nuovi strumenti lunghi 25 mm di quattro sistemi reciprocanti in NiTi (n=20) sono stati selezionati per test di fatica ciclica e di rottura torsionale: Reciproc Blue R25 (n=20; dimensione 25 alla punta e un cono di 0.08 mentre dopo i primi 3 mm il cono era regressivo) (lotto #37631), WaveOne Gold Primary (n=20; dimensione 25 alla punta e un cono di 0.07 mentre dopo i primi 3 mm il cono era regressivo) (lotto #1226916), ProDesign R (n=20; dimensione 25 alla punta e un cono costante di 0.06) (lotto #170096), e X1 Blue File (n=20; dimensione 25 alla punta e un cono costante di 0.06) (lotto #20171010). In ciascun gruppo, dieci strumenti sono stati testati per la fatica ciclica dinamica e 10 strumenti per la resistenza torsionale. Tutti gli strumenti sono stati precedentemente esaminati per difetti visibili o deformità con ingrandimento ×20 sotto un stereomicroscopio (OPTZS; Opticam, San Paolo, Brasile). Non sono stati rilevati difetti e gli strumenti selezionati sono stati sottoposti ai test.

Test di fatica ciclica

Il test di fatica ciclica è stato eseguito utilizzando un dispositivo personalizzato in acciaio inossidabile che ha permesso una simulazione riproducibile di uno strumento confinato in un canale curvo con angolo e raggio di curvatura di 80° e 3 mm, rispettivamente, situato a 4 mm dalla sua punta (punta #30, taper 0.08). Questa non è la stessa punta e taper ma è vicina alla dimensione e al taper di tutti gli strumenti. Poiché il canale artificiale non era identico alla punta e al taper degli strumenti, non è stata applicata alcuna resistenza torsionale allo strumento. Tutti i test sono stati condotti in soluzione salina a 37°C e gli strumenti (n=10 per gruppo) sono stati utilizzati in un metodo dinamico utilizzando un manipolo a riduzione 6:1 (Sirona Dental Systems GmbH, Bensheim, Germania) alimentato da un motore controllato da coppia (VDW Silver; VDW), secondo le raccomandazioni dei produttori. Il manipolo elettrico è stato montato su un dispositivo che consente un posizionamento preciso e riproducibile di ciascun strumento nel canale artificiale personalizzato. L'ampiezza del movimento assiale era di 3 mm e la velocità del movimento era impostata a 1 ciclo (movimento completo dal punto più alto al punto più basso) per 2 secondi. Il tempo fino alla frattura è stato registrato in secondi con un cronometro digitale e si è fermato quando la frattura del file è stata rilevata visivamente e/o acusticamente.

Test torsionale

Il carico torsionale è stato applicato fino alla frattura per stimare la resistenza torsionale ultima media e l'angolo di rotazione degli strumenti testati (n=10 per gruppo) utilizzando un dispositivo realizzato su misura secondo la norma ISO 3630-1. Il test è stato eseguito a 37°C per simulare le condizioni cliniche e ogni strumento è stato premuto a 3 mm dalla punta utilizzando un mandrino collegato a una cella di carico con sensore di coppia. L'albero dello strumento è stato fissato in un mandrino opposto in grado di ruotare con un motore a ingranaggi. Gli strumenti sono stati ruotati in senso antiorario a una velocità di 2 rpm fino alla frattura dello strumento. Il carico di coppia (N.cm) e la rotazione angolare (°) sono stati registrati utilizzando un torsiometro (ODEME; Luzerna, SC, Brasile) e la resistenza torsionale ultima e l'angolo di rotazione al fallimento sono stati forniti da un software computazionale specificamente progettato (ODEME Analysis TT; ODEME).

Microscopia elettronica a scansione

Un microscopio elettronico a scansione (SEM; JSM 5800; JEOL, Tokyo, Giappone) è stato utilizzato per valutare le caratteristiche topografiche delle superfici di frattura di tutti gli strumenti dopo test ciclici e torsionali a ×250 ingrandimento.

Analisi statistica

L'analisi dei dati ha rivelato una distribuzione a campana (test di Shapiro-Wilk; P>0.05) e l'analisi statistica è stata eseguita tra i gruppi utilizzando ANOVA unidirezionale e test post hoc di Tukey con un errore di tipo alfa impostato al 5% (Biostat; Instituto Mamirauá, Tefé, Brasile).

Risultati

Le medie e le deviazioni standard del tempo di frattura (resistenza alla fatica ciclica), della coppia massima di carico e della rotazione angolare fino alla frattura sono mostrate nella Tabella 1. Non è stata osservata alcuna differenza statistica tra il tempo di frattura del file blu X1 (417±36 s) e il file blu X1 (417±36 s) e gli strumenti ProDesign R (397±41 s) hanno mostrato un tempo di frattura più lungo rispetto a Reciproc Blue (274±42 s) e Wave One Gold (193±17 s) (P<0.05). Tuttavia, non sono state trovate differenze tra X1 Blue File e ProDesign R (P>0.05). Inoltre, Reciproc Blue ha dimostrato un tempo di frattura più lungo rispetto a WaveOne Gold (P<0.05). La resistenza torsionale più bassa (1.0±0.2 N.cm) e l'angolo di rotazione (412º±46) sono stati osservati nel gruppo ProDesign R (P<0.05). Le analisi SEM delle superfici fratturate hanno mostrato un'area di inizio crepa e una zona di frattura rapida da sovraccarico dopo il test di fatica ciclica (Fig. 1), e segni di abrasione concentrici con microvuoti al centro di rotazione dopo l'esperimento di rottura torsionale (Fig. 2).

Discussione

La separazione degli strumenti è stata ripetutamente segnalata da diversi autori sin dall'avvento della preparazione meccanica con strumenti in lega di NiTi in endodonzia ed è stata spiegata sulla base di torsione e fatica ciclica eccessive. La frattura da fatica ciclica si verifica a seguito dei cicli di tensione-compressione alternati a cui gli strumenti sono sottoposti quando flessi nella regione di massima curvatura del canale, mentre lo stress torsionale si produce quando le tensioni di taglio superano il limite elastico del metallo causando deformazione plastica e frattura. Lo studio presente è stato progettato per confrontare la fatica ciclica e la resistenza torsionale di 4 nuovi strumenti reciprocanti martensitici in NiTi chiamati Reciproc Blue, WaveOne Gold, ProDesign R e X1 Blue File.

In generale, i risultati hanno mostrato che gli strumenti X1 Blue File e ProDesign R hanno mostrato un tempo di frattura maggiore rispetto agli strumenti Reciproc Blue e WaveOne Gold (Tabella 1). Una vita di fatica ciclica più lunga degli strumenti in NiTi dipende da molti fattori, tra cui il loro diametro, la massa metallica del nucleo, la flessibilità, il design della sezione trasversale e il tipo di lega di NiTi. È stato riscontrato che strumenti a grande cono utilizzati in canali curvi possono fratturarsi dopo solo poche rotazioni. Il cono variabile e la grande area della sezione trasversale di Reciproc Blue e WaveOne Gold rispetto agli strumenti ProDesign R e X1 Blue File, associati alla posizione del segmento curvo dei canali artificiali utilizzati in questo studio (4 mm dalla punta), possono spiegare i loro valori più bassi nel test di fatica ciclica. Inoltre, è anche possibile che le differenze nel trattamento termico della lega di NiTi in ciascun sistema abbiano influenzato il risultato finale. Infatti, una recente pubblicazione ha dimostrato che Reciproc Blue aveva una resistenza alla fatica ciclica significativamente più alta rispetto a WaveOne Gold e agli strumenti M-Wire Reciproc, il che è in accordo con i risultati presenti. A parte le differenze nel loro trattamento termico e considerando che gli strumenti in NiTi con una grande massa metallica del nucleo presentano una diminuzione della loro vita di fatica ciclica con crepe che iniziano principalmente al loro bordo principale, la sezione trasversale più grande e il numero maggiore di bordi attivi dello strumento WaveOne Gold potrebbero spiegare il suo tempo di frattura inferiore rispetto a Reciproc Blue. L'analisi SEM degli strumenti ha mostrato simili apparizioni frattografiche duttili delle fratture da fatica ciclica con microvuoti. Sono state anche osservate aree di inizio crepe e zone di fratture rapide da sovraccarico senza differenze morfologiche nelle superfici di frattura di tutti gli strumenti valutati (Fig. 1).

Ogni giorno, sebbene non sia stata raggiunta alcuna specifica, standard internazionale o consenso riguardo all'uso di canali artificiali su misura per valutare la proprietà di resistenza ciclica degli strumenti in NiTi, questo metodo è stato precedentemente convalidato e ampiamente utilizzato negli studi di laboratorio perché consente la standardizzazione delle condizioni sperimentali, aumentando la sua validità interna. Nel presente studio, sono stati compiuti sforzi affinché le dimensioni del canale artificiale fossero simili alla punta e al conico degli strumenti testati, conferendogli una traiettoria precisa, come riportato in precedenza. Inoltre, nello studio attuale, è stato utilizzato un modello dinamico per simulare meglio l'uso clinico dei sistemi in NiTi. Rispetto ai modelli statici, in un test dinamico, il tempo fino alla rottura aumenta man mano che lo stress applicato allo strumento si diffonde lungo il fusto durante i movimenti avanti e indietro. Infine, sono stati eseguiti test con il canale artificiale immerso in soluzione salina a 37°C, considerando che questa procedura metodologica era associata a risultati più affidabili, poiché la temperatura corporea sembra ridurre la vita di fatica ciclica degli strumenti in NiTi.

Il test di fatica torsionale ha mostrato che la massima resistenza torsionale (1.0±0.2 N.cm) e la rotazione angolare fino alla frattura (412°±46) dello strumento ProDesign R erano significativamente inferiori rispetto agli altri sistemi (Tabella 1). Questi risultati suggeriscono che ProDesign R richiede una bassa coppia per fratturarsi per torsione, il che significa un'alta probabilità di interruzione se la punta dello strumento si blocca all'interno dello spazio del canale radicolare. Questo potrebbe essere spiegato dal suo piccolo cono (0.06), dalla forma della sezione trasversale (a forma di S) e dall'alta flessibilità della sua lega di NiTi tipo CM. D'altra parte, la massima distorsione angolare degli strumenti Reciproc Blue e X1 Blue File (Tabella 1) potrebbe essere un vantaggio in clinica perché la deformazione plastica potrebbe prevedere una frattura imminente, indicando il momento di scartare lo strumento. L'analisi SEM degli strumenti sottoposti al test di resistenza torsionale ha dimostrato caratteristiche tipiche di frattura torsionale, cioè segni di abrasione concentrici e dimple fibrosi dal centro torsionale (Fig. 2).

Conclusione

In generale, X1 Blue File e ProDesign R hanno mostrato una maggiore resistenza alla fatica ciclica rispetto agli strumenti Reciproc Blue e WaveOne Gold, mentre ProDesign R ha avuto la più bassa resistenza torsionale e valori di rotazione angolare prima della frattura. L'analisi SEM delle superfici fratturate ha mostrato un'area di inizio crepa e una zona di frattura rapida da sovraccarico dopo il test di fatica ciclica, e segni di abrasione concentrici con microvuoti al centro di rotazione dopo l'esperimento di rottura torsionale.

Autori: 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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