不同型号不锈钢根管锉的循环疲劳性能

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2017.26.005

摘要/Abstract

摘要：

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文题释义：

不锈钢根管锉：口腔根管预备器械主要分为不锈钢及镍钛根管器械。不锈钢器械刚性较大，不易弯曲，在根管内易产生较大回复力，使用不当可造成根管壁台阶的形成，严重者可造成根管壁侧穿以及器械折断。但不锈钢器械的根管预备效率高于镍钛器械，且器械相对低廉，对辅助设备的要求不高，尤其是在探查根管，确定根管长度及疏通钙化根管上，不锈钢器械仍是无可替代的。

循环疲劳转数：口腔根管预备器械循环疲劳性能测试常用的方法是通过电动手机驱动受测试的器械，在保持其不同角度弯曲状态下以一定的转速自由旋转，直到器械折断。用计时器记录折断所需的时间，再乘以转速，最后得到器械折断前转动的圈数，即为循环疲劳转数，这是评价口腔根管器械抗循环疲劳能力的一个重要参数。

背景：根管器械折断是一种比较常见的口腔临床并发症，因此，研究不同型号不锈钢根管锉的循环疲劳性能，具有重要的临床意义。

目的：探讨根管弯曲角度及根管器械横截面积变化对不锈钢根管器械循环疲劳性能的影响。

方法：选取25#、30#、35#不锈钢K锉(长25 mm，锥度相同)各30支，每种型号随机分为3组，共9组，这9组分别置于弯曲角度为45°，60°，90°的自制人工模拟弯曲根管中，用16∶1减速手机(350 r/min)驱动不锈钢K锉。记录每组器械折断所需时间，将时间转换为转数，采用扫描电镜分析折断K锉断口的显微结构，收集循环疲劳性能实验中折断的器械，电子游标卡尺测量断尖长度。

结果与结论：①在弯曲角度相同的情况下，随着器械横截面积的增大，器械折断所旋转的周期数明显减少 (P < 0.05)。在型号相同、横截面积相同的情况下，随着根管弯曲角度的增加，器械折断所旋转的周期数明显减少(P<0.05)，器械的循环疲劳性能明显下降；②各组不锈钢锉的断口均为韧性断口，断口表面可见一些大小不等的圆形或椭圆形韧窝并存在微观空洞，韧窝间可见延晶断裂的脆性断面。随着根管弯曲角度增大，韧窝直径逐渐增大。在30#、35#不锈钢K锉断口形貌中，随模拟根管弯曲角度增加，脆性断面有逐渐增加的趋势；③对于25#不锈钢K型锉，随着根管弯曲角度的增加，器械折断的断尖长度逐渐减小，但变化不明显(P > 0.05)。对于#30，#35不锈钢K型锉，随着根管弯曲角度的增加，器械折断的断尖长度逐渐减小 (P < 0.05)，其中#35-60°组与#35-90°组变化呈下降趋势但变化不明显(P=0.095)。在根管弯曲角度相同的情况下，随着不锈钢器械型号的增加，器械折断的断尖长度变化没有规律；④结果表明，不锈钢K型根管锉在长度和锥度相同的条件下，横截面积越大根管器械的循环疲劳性能越低，器械越容易折断；相同型号的不锈钢K型锉，随着根管弯曲角度增大，折断位置越靠近根尖部位，即断尖长度越短，断针取出越困难。

ORCID: 0000-0002-8533-4311(胡欣)
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

关键词: 生物材料, 口腔生物材料, 根管弯曲度, 根管器械横截面积, 循环疲劳性能, 不锈钢根管锉

Abstract:

BACKGROUND: Root canal files fracture is a kind of common oral clinical complications. Therefore, it is of clinical importance to study the cyclic fatigue of different types of stainless steel root canal files.

OBJECTIVE: To explore the effect of the bending angle and cross-sectional area of root canal instruments on cyclic fatigue of stainless steel ?les.

METHODS: Thirty 25# stainless steel K files (25 mm in length) were selected, the same to 30# and 35#. And these three kinds of files were respectively randomized into three groups (n=10 per subgroup). In the nine subgroups, the files were placed into self-made root canals at the bending angle of 45°, 60°, 90°, and driven by a 16:1 reducer (350 r/min). Fracture time in each subgroup was recorded and converted into the number of rotations. The microstructure of the fracture end of the files was observed under scanning electron microscope. Fractured files were collected and the crack tip length was measured by an electronic caliper.

RESULTS AND CONCLUSION: At the same bending angle, the number of rotations resulting in file fracture was significantly reduced with the increasing of the cross-sectional area of the files (P < 0.05). When the type and cross-sectional area were same, the number of rotations resulting in file fracture was significantly reduced with the increasing of the bending angle of the root canals (P < 0.05), indicating a reduction in the cyclic fatigue performance of the files. Toughness fracture occurred in all the files, and circular or oval roughness nests with different sizes and microcavities formed on the fracture surface. In addition, brittle surfaces could be detective between the roughness nests. The diameter of roughness nests was gradually increased with the increasing of the bending angle of the root canals. For 30# and 35# files, the number of brittle surfaces was gradually increased with the increasing of the bending angle of the root canals. For 25# files, the crack tip length was gradually decreased with the increasing of the bending angle of the root canals, but there was no significant difference (P > 0.05). For 30# and 35# files, the crack tip length was significantly shortened with the increasing of the bending angle of the root canals (P < 0.05). But there were no significant changes in the 35#-60° and 35#-90° groups (P=0.095). At the same bending angle, there were no regular changes in the crack tip length in the different types of files. In conclusion, with the increasing of the cross-sectional area, the cyclic fatigue performance of the files with the same length and taper is reduced and the files become easy to be fractured; with the increasing of the bending angle of the root canals, the files with the same types are apt to be fractured near the root tip, indicating the shorter length of the crack tip indicates the more difficulty in the removal of the broken files.

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Dental Pulp Cavity, Stainless Steel, Root Canal Preparation, Tissue Engineering

中图分类号:

R318

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图/表（结果） 3

2.1 循环疲劳性能不锈钢K型根管锉循环疲劳性能1-9组的转数如表1所示，9组实验数据比较差异有显著性意义(P < 0.05)。

25#-45°组，30#-45°组，35#-45°组结果互相进行对比，随着器械横截面积的增大，在弯曲角度为45°的情况下，器械折断所旋转的周期数明显减少(P < 0.05)。 25#-60°组，30#-60°组，35#-60°组结果互相进行对比，随着器械横截面积的增大，在弯曲角度为60°的情况下，器械折断所旋转的周期数明显减少(P < 0.05)。25#-90°组，30#-90°组，35#-90°组结果互相进行对比，随着器械横截面积的增大，在弯曲角度为90°的情况下，器械折断所旋转的周期数明显减少(P < 0.05)。对比表中9组数据，在型号相同、横截面积一致的情况下，随着根管弯曲角度的增加，器械的循环疲劳性能明显下降。

2.2 不锈钢K锉断口形貌图2为1-9组不锈钢根管锉经循环疲劳试验后锉断口经扫描电镜分析的显微结构。根据断口形貌的扫描电镜图可以看出：各组不锈钢K锉的断口均为韧性断口，断口表面可见一些大小不等的圆形或椭圆形韧窝并存在微观空洞。韧窝直径在各组中随模拟根管弯曲角度增大逐渐增大。在30#-45°组，30#-60°组，30#-90°组，35#-45°组，35#-60°组，35#-90°组断口形貌中，韧窝间可见延晶断裂的脆性断面，且随模拟根管弯曲角度增加，脆性断面有逐渐增加的趋势。

2.3 不锈钢K型锉断尖长度不锈钢K型根管锉循环疲劳性能1-9组的断尖长度如表2所示，9组实验数据比较差异部分有显著性意义(P < 0.05)。

25#-45°组，25#-60°组，25#-90°组结果互相进行对比，对于25#不锈钢K型锉，随着根管弯曲角度的增加，器械折断的断尖长度逐渐减小，但变化不明显(P > 0.05)。30#-45°组，30#-60°组，30#-90°组结果互相进行对比，对于#30不锈钢K型锉，随着根管弯曲角度的增加，器械折断的断尖长度逐渐减小(P < 0.05)。35#-45°组，35#-60°组，35#-90°组结果互相进行对比，对于#35不锈钢K型锉，随着根管弯曲角度的增加，器械折断的断尖长度逐渐减小(P < 0.05)，其中60°组与90°组变化呈下降趋势但变化不明显(P=0.095)。在根管弯曲角度相同的情况下，随着不锈钢器械型号的增加，器械折断的断尖长度变化没有规律。

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引言

根管治疗过程中，器械折断是一种比较常见的并发症，严重时会导致根管治疗失败，如何减少和避免器械折断一直是国内外学者研究的课题^[1-7]。从各方面因素出发讨论影响根管预备器械折断的因素，以及研究如何预防器械折断等问题，具有重要的临床指导意义。

目前临床中常用的口腔根管器械主要有2大类：不锈钢器械和镍钛器械^[8]。镍钛合金根管器械具有良好的机械性能，能够减少根管治疗中的不良影响^[9]，近年来对镍钛根管器械的研究相对较多^[10-23]。即便镍钛器械在多方面的性能都优于不锈钢器械，但是在根管治疗过程中需要各种不同弹性模量和不同强度的金属，例如探查根管和疏通根管时就必须使用不锈钢器械^[24]，同时，镍钛器械的切割能力低于不锈钢器械，因此在进行根管预备时会赋予其更大的作用力，增大其折断的风险。基于国内医疗单位的临床使用情况，镍钛器械的成本较高，实际应用时使用周期长，超越其金属疲劳极限，导致大量折断事故的发生。而不锈钢器械的成本较镍钛根管预备器械低，对辅助器械设备的需求不高，在国内口腔诊疗系统中广泛使用。由此可见，研究不锈钢器械的循环疲劳性能在当前仍然具有重要的现实意义。

研究人员对不同器械在不同条件下的折断率进行了统计分析研究^[25-27]。Sattapan等^[25]对根管器械的折断进行观察分析，从宏观层面上将器械折断方式分为扭转折断和弯曲疲劳折断。扭转折断即器械受到的应力超过金属弹性极限时产生的折断^[28]；弯曲疲劳折断是器械在某点或某区域出现金属疲劳持续进行而发生的折断。扭转折断在临床中并不常见，根管治疗过程中疲劳折断是主要的器械折断方式。疲劳折断是判断根管器械疲劳极限的方式，当器械使用超过其特性周期后即会发生折断，可通过体外循环疲劳性能测试来评价器械的抗疲劳性能。

导致根管预备器械折断的因素是多方面的，有器械本身的因素，也有外在客观条件和操作人员的人为因素。根管弯曲度、弯曲半径、弯曲部位以及器械直径是影响器械折断的主要因素^[29]。根据ISO器械标准^[6]，器械编号10-100，编号=尖端直径(mm)×100，得出器械直径即器械刃部尖端的直径。实验研究表明器械编号小(即尖端直径小)其越容易发生折断^[30-31]，尖端直径大的器械能够承受更大的扭转力。但是与之相反的表现，直径大的器械更易弯曲疲劳^[32]。

实验采用自制45°，60°，90°人工模拟根管模型研究根管弯曲角度及器械横截面积对不锈钢K锉循环疲劳性能的影响，为临床预防和减少根管预备时器械折断提供理论依据。

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材料方法

1.1 设计对比观察实验。

1.2 时间及地点实验于2015年10月至2016年6月在天津医科大学口腔医院中心实验室完成。

1.3 材料多角度模拟口腔根管器械循环疲劳性能测试实验仪器，由机扩仪(EN-DO_MATE DT)、自制的测量台及3个可拆卸人工模拟弯曲根管(45°，60°，90°)组成。将机扩仪机头安装在测量台可上下滑动的垂直杆上，不锈钢K锉转换头连接不锈钢K锉柄部与机扩仪机头。实验中依次更换自制人工模拟弯曲根管器械(图1)，该器械由金属斜面(45°，60°，90°)和带有凹槽(宽1.5 mm，深1 mm)的金属圆柱体(直径分别为12 mm，9 mm，6 mm)构成，3个人工模拟根管器械的金属斜面开始点到插入点的距离均为 10 mm，从插入点到截止点距离均为9.42 mm。

1.4 实验方法

1.4.1 实验分组及处理选取25 mm长25#、30#、35#不锈钢K锉各30支(Dentsply公司)，每种型号随机分为3组，共9组，标号为1-9，每组10支，其中1-3组为25#-45°、30#-45°、35#-45°，4-6组为25#-60°、30#-60°、35#-60°，7-9组为25#-90°、30#-90°、35#-90°，这9组分别置于弯曲角度为45°，60°，90°的自制人工模拟弯曲根管中，用 16︰1减速手机(350 r/min)驱动不锈钢K锉。

1.4.2 循环疲劳性能测试在已搭建的实验平台上，通过升降台缓慢向下移动垂直杆至不锈钢K锉刃部19.42 mm插入人工模拟根管内，固定升降台，根据预实验参数调整机扩仪配置参数为转速350 r/min、扭矩52 Nmm，启动机扩仪，同时利用秒表进行计时，当不锈钢K锉折断时记录秒表读数，将时间转换为转数。重复10次，计算均值。

1.4.3 断口形貌观察每组随机抽取折断不锈钢K锉进行断口扫描电镜分析(SEM-HITACHI 4800，Japan)，观察断口表面形貌。

1.4.4 不锈钢K锉折断位置测试将25#、30#、35#不锈钢K型锉1-9组在45°，60°，90°弯曲人工模拟根管中进行循环疲劳性能实验折断后收集对应器械，利用电子游标卡尺测量每一组断尖长度。

1.5 主要观察指标循环疲劳转数，端口形貌。

1.6 统计学分析采用SPSS 17.0统计软件对3种型号不锈钢锉在不同弯曲角度模拟根管中折断时所需转数进行多组间One-Way ANOVA分析，多重比较采用LSD-t 法进行分析，P < 0.05为差异有显著性意义。

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讨论

根管治疗过程中根管弯曲度、器械直径和锥度、操作者熟练程度及器械高压灭菌和冲洗液浸泡均为影响器械折断的因素^[33]。由于根管弯曲度个体差异性较大，针对器械折断对临床治疗造成影响的相关研究，为临床医生所关注。Cheung等^[34]对折断器械金属断面的研究表明随着根管弯曲度增加，作用于器械上的张力变大，金属断面的裂痕不断延伸，从而导致镍钛器械折断。Wang等^[35]验证了根管弯曲程度是造成镍钛器械折断的主要诱因。还有学者研究证实，弯曲变形的人工根管及动态下器械在弯曲根管内转动，均是导致镍钛器械抗循环疲劳性能降低的因素^[36-37]。上述研究表明根管弯曲度是器械断裂的重要诱因。Reddy等^[38]比较了Profile、K3Endo、RaCe 3种镍钛器械在相同根管弯曲度下循环疲劳性能的差别，结果显示不同根管器械之间在弯曲根管中进行测试表现出不同的循环疲劳性能。而目前临床常用的不锈钢根管器械与镍钛根管器械无论在材料上还是在形状设计上均有较大差异，但此类器械在弯曲根管中循环疲劳性能的研究比较少见。Zelada等^[39]研究发现，根管预备器械在轻度弯曲或相对较直的根管中预备时，一般不会引起根管锉的折断，而在根管弯曲度大于30°的根管中预备时，则有12.5%折断率。沈雅等^[40]亦论证根管器械折断多为弯曲折断，且易发生于弯曲度大于30°的患牙。

实验结果分析发现根管锉横截面积对不锈钢K锉循环疲劳性能的影响显著。通过横向观察对比发现，不锈钢K型根管锉在长度和锥度相同的条件下，横截面积越大根管器械的循环疲劳性能越低。这主要是因为横截面积大的根管器械，在根管内旋转时，与根管壁的接触面积更大且与根管壁的接触更为紧密，因此受到的阻力更高，相比横截面积小的器械，更易于折断。因此，在临床治疗中，随着使用根管器械横截面积的增大，根管器械的疲劳性能降低，根管器械更易发生折断。同时，通过对3大组即采用不同弯曲角度的人工模拟根管实验组区分，来比较根管弯曲角度对横截面积变化导致根管器械循环疲劳性能的影响，观察比较发现，在3种不同弯曲角度的人工模拟根管平台上，所得到的结果大体一致，趋势相同，随着不锈钢K型锉的横截面积增加，根管器械的循环疲劳性能降低。

实验结果表明，在根管弯曲度相同时，随着不锈钢器械号数增大，即横截面积的增大，折断所需的转数减少，器械的循环疲劳性能下降；对于同一型号的器械，即器械横截面积相同的条件下，随着根管弯曲角度增加器械的循环疲劳性能下降。当使用35#器械预备弯曲根管时，折断所需的转数大幅度减少，提示临床中使用大号根管器械预备根管时，操作手法规范，不要用力过猛，并减少重复使用的次数。

对于同一型号的器械，随着根管弯曲角度的增加，断尖长度减小；而在同一弯曲角度的根管中，不同型号的根管锉断尖长度没有显著差别。实验结果表明，在临床中疏通弯曲且细小根管时，应选择横截面积较小的根管器械，施力应柔和，同时在使用横截面积较大的根管器械时，要注意器械的使用周期，要对此种器械及时更新，减少和避免折断的发生。

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