Инструменты из никель-титанового сплава используемые в эндодонтии. Обзор

Появление новых «никель-титановых» инструментов стало причиной кардинального изменения техники препарирования корневого канала. Первые лабораторные и клинические исследования, посвященные им, появились в начале 90 годов. О преимуществах этих инструментов в сравнении с традиционными, изготовленными из нержавеющей стали, указывают многие авторы (Hulsmaann M, et al., 1993; Esposit et al., 1995; Glosson et al., 1995; Thompson 1995; Bishop et all, 1995; Dummer 1997, 1998; Bryant et al., 1998). В работах этих авторов исследовались и сравнивались такие параметры как: режущая эффективность, время препарирования, изменение или сохранение первоначальной формы канала, причины усталости и поломки файлов.

Однако, чтобы объективно судить о качествах инструментов, необходимо иметь ясное представление о том, из каких материалов они изготовлены, каковы особенности этих материалов, а также о конструкции инструментов и их эксплуатационных особенностях. Только обладая этими сведениями, врач может решить, какой инструмент применять в той или иной клинической ситуации, как использовать его с достаточной степенью безопасности и, в то же время, по возможности, экономически эффективно.

Знание конструктивных особенностей также позволяет эффективно комбинировать различные системы инструментов.

Впервые сплав никеля и титана был получен в начале 60-х годов прошлого века. Он был разработан металлургом W. F. Buehler, который искал немагнитный, химически не активный, не корродирующий в воде сплав для американской космической программы. Исследования проводились в Лаборатории Артиллерии Военно-Морских Сил США (NavalOrdnance Laboratory) город Сильвер Спринг, штат Мериленд (Buehler et al. 1963). Сплаву дали название Нитинол (NiTiNOL), как сочетание первых букв названий элементов, из которых был получен материал: Ni от никеля, Ti от титана и NOL от Лаборатории Артиллерии Военно-Морских Сил (Naval Ordnance Laboratory). Теперь Нитинол - это название, которое носит целое семейство интерметаллических сплавов никеля и титана.

Нитинол обладает двумя уникальными свойствами - памятью формы и суперэластичностью. Сплав имеет достаточно хорошую прочность при более низком модуле упругости, чему нержавеющей стали (Andreasen et al., 1978; Andreasen et al., 1985; Walia et al., 1988). Эти свойства обуславливают преимущества инструментов из NiTi при использовании их в искривлённых каналах, так как они не подвержены необратимым повреждениям при сравнительно сильных деформациях, в отличие от инструментов из традиционных инструментальных сплавов (Schäfer 1997).

Сплав никель-титана, который используется для изготовления эндодонтических инструментов, по весу состоит из 56% никеля и 44% титана. Возможна замена около 2% никеля на кобальт. Общее название таких сплавов 55-Нитинол.

При такой комбинации основных компонентов соотношение чисел атомов, в кристаллической решётке, получается один к одному — так называемое эквиатомное соотношение (equiatomic). Такой сплав, в зависимости от физических условий, в которых он исследуется, может иметь различные кристаллографические формы. Изменение механических свойств материала непосредственно связано с изменением кристаллической структуры. Например, в результате изменения прикладываемой нагрузки и/или температурного режима в Нитиноле происходит переход от аустенитного фазового состояния к мартенситному и обратно. Это две равновесных фазы материала, существующие в разных физических условиях, имеющие различные типы кристаллической решетки и отличающиеся по механическим и электрическим свойствам.

Рассматривая температурные трансформации, можно схематически представить их как зависимость фазы от температуры материала (Рис.1).

Аустенитная фаза (austenit) (Рис.2) характеризуется стабильностью структуры, высокими прочностными свойствами, высоким электрическим сопротивлением. Кристаллическая решётка в этой фазе объёмно-центрированная кубическая (Рис.3). Полностью в аустенитной фазе сплав находится при значениях температуры выше 100°С.

Если снизить температуру ниже 100 °C, материал оказывается в области температурной трансформации (ОТТ), он начинает менять свои физические свойства. Эти изменения носят название мартенситной трансформации (стрелка МТ на Рис.1). Существует начальная (Мs) и конечная (Мf) точка трансформации. В конечной точке материал полностью переходит в мартенситную фазу (martensit) (Рис.1). Макроскопически трансформация практически никак не проявляется. Эта фаза характеризуется нестабильной структурой, сравнительно низкими прочностными характеристиками, низким электрическим сопротивлением. Кристаллическая структура в этой фазе в силу нестабильности может быть двух типов. При отсутствии внешних нагрузок кристаллическая решётка имеет плотноупакованное гексагональное строение (Рис.4), так называемый близнецовый мартенсит (twinnedmartensit). Если к материалу приложить нагрузку, в структуре кристалла легко происходит деформация сдвига и решётка приобретает ориентированный вид (рис.5). Такое строение называется не близнецовый мартенсит (de-twinned martensit). Полностью в мартенситной фазе сплав находится при температуре ниже -50°С.

Интересно, что деформации материала можно практически полностью устранить, если нагреть его выше ОТТ, до уровня возвратной температурной трансформации или УВТТ. Этот уровень температуры находится вблизи 125 °C (Рис.1). Восстанавливается прежняя форма образца, структура материала, его кристаллическая решётка, сплав возвращается в аустенитную фазу (стрелка АТ на Рис.1) (Serene et al. 1995). Собственно, именно это свойство NiTi-сплава и называется памятью формы.

ОТТ для 55-Нитинола зависит от его состава. Для сплава, который состоит только из никеля и титана, она находится в пределах от -50°С до 100 °C. Если в сплав добавить кобальт в соотношении Ni1-xTiCox, где x<2%, то верхний предел ОТТ можно снизить. Тем самым приблизить температуру существования стабильной аустенитной фазы к значениям рабочей температуры в полости рта.

Фазовая трансформация кристаллической структуры NiTi сплава может происходить также в процессе деформации вследствие воздействия внешних сил. Процесс деформации металла при растяжении можно представить как зависимость относительного удлинения образца от прикладываемой нагрузки — механического напряжения или, наоборот, напряжения от относительной деформации (Рис.6). Когда нагрузка превышает предел упругости аустенитной фазы металла, он начинает переходить в мартенситную фазу. Решётка приобретает ориентированный вид (Рис.5). На графике «удлинение — напряжение» процесс перехода выглядит как плато. При растяжении образца в пределах 6% необратимые деформации нарастают медленно и

составляют около 0.5%. При растяжении свыше 6% необратимые деформации стремительно растут и очень скоро образец разрушается, так как в мартенситной фазе материал не прочен.

При сравнении графиков, отражающих упругие свойства нержавеющей стали и никель-титана, видно (Рис.7), что сталь, как и большинство металлов, разрушается при растяжении свыше 1.5%, а Нитинол нет. Способность растягиваться свыше 1.5% называют суперэластичностью. Однако поскольку Нитинол, как уже было отмечено, всё же испытывает необратимые деформации за этим пределом, суперэластичность следует расценивать скорее как псевдосуперэластичность.

Говоря о свойствах сплава, нельзя не остановится на его коррозионных свойствах. Коррозионные свойства никель-титана изучались многими авторами (Sarkar & Schwaninger, 1980; Edie & Andreasen 1980) как in vivo, так и in vitro. В этих работах проводилась оценка поверхности образцов, из Нитинола и нержавеющей стали, после их пребывания в агрессивных средах, с помощью различных физических и микроскопических методов. Во всех опытах была отмечена устойчивость Нитинола к коррозии, не уступающая нержавеющей стали. К тому же никель-титановый сплав является индеферентным к тканям человеческого организма, и может использоваться в качестве материала для имплантатов. Это очень важно, так как в случае поломки инструмента в канале и даже выхода фрагмента в окружающие зуб ткани, он не будет оказывать раздражающего действия.

Производство сплава — достаточно сложный и комплексный процесс, он состоит из нескольких стадий:

• Вакуумная плавка
• Ковка
• Прокат до получения стержней или проволоки

Для того чтобы получить высококачественный сплав с хорошими механическими свойствами, тщательно выверяется количество первичных компонентов. Так называемый горячий этап производства сплава проходит с использованием двух методов плавки — индуктивного и дугового. Исходный слиток готовят в графитовых печах методом вакуумной индукционной плавки. Это позволяет достаточно просто получить хорошо смешанный сплав. Хотя при этом и происходит незначительная контаминация углеродом, в результате которой возникает соединение TiC (Buehler & Cross 1969). Затем для улучшения химического состава, структуры и гомогенности, производят переплавку в вакуумной дуговой печи. За этим следуют этапы холодной обработки сплава: ковка и прокатка до получения заготовок необходимых размеров и форм. Последним этапом является протяжка из этих заготовок проволоки, которая поступает к изготовителям инструментов.

Изготовление эндодонтических инструментов из NiTi - сплава достаточно сложный и трудоёмкий процесс, гораздо более сложный, чем изготовление инструментов из нержавеющей стали, которые в основном получают методом скручивания. NiTi -инструменты методом скручивания изготавливать нельзя. Связано это с указанной выше суперэластичностью. Материал нельзя существенно деформировать, оставляя его в аустенитной фазе. Если же это всё-таки сделать, это почти наверняка приведёт к разлому инструмента в канале (Schäfer 1997). Поэтому профиль инструмента вытачивают.

В 1963 году Гулд (Gould) изучал особенности обработки NiTi. В результате он выяснил, что для успешного решения задачи необходимы острые карбидные режущие инструменты и высоко хлоринированное масло в качестве лубриканта. Обработку надо проводить с медленной подачей обрабатывающего инструмента и на низкой скорости его вращения. Причина таких строгих условий обработки заключается в том, что материал нельзя перегревать, так как в процессе нагрева он меняет свою внутреннюю структуру. Процесс усложняется ещё и тем, что после нарезки профиля приходится устранять неровности поверхности и остатки металлической стружки с режущих поверхностей эндодонтического файла, так как они снижают режущую способность, способствуют заклиниванию и приводят к коррозии инструмента.

Инструментальную обработку канала можно проводить используя акустические системы, вручную и механически. Очевидно, что механическая обработка канала гораздо эффективнее ручной обработки, особенно при проведении рутинных операций. Существует два основных способа механической обработки: реципроктное препарирование и полновращательное.

Суть реципроктного (reciprocate) препарирования заключается в том, что файл попеременно вращается то в одну, то в другую сторону в пределах от 15° до 90° (Рис. 8 А). Системы использующие такой принцип появились достаточно давно (Giromatic, 1964), затем они неоднократно изменялись и совершенствовались (Endolift I, II, Canal finder, Canal leader).

Этот способ препарирования имеет ряд существенных недостатков. По своему принципу он не существенно отличается от ручного препарирования. Скорость обработки по сравнению с ручным способом возрастает незначительно.

Используются инструменты стандарта ISO с конусностью 0.02мм/мм (исключение составляет система «Endo Eze», Ultradent). Это не позволяет придать каналу анатомически правильную форму и полноценно раскрыть устьевую часть из-за чего, во время медикаментозной обработки, в среднюю и апикальную треть проникает меньшее количество ирриганта и ЭДТА, таким образом процесс очистки канала сильно затрудняется. Из-за конструктивных особенностей этих инструментов в процессе препарирования не происходит достаточной экскавации опилок, что может очень быстро привести к необратимой апикальной блокаде. Кроме того, возможно формирование «ступенек», «юбок» и транспортация апекса (Рис. 8 Б).

Принцип полновращательного препарирования заключается в том, что файл постоянно вращается в одну и ту же сторону на полные 360° (Рис. 9 А). Такой способ обработки имеет некоторые преимущества.

Существенно возрастает скорость работы. Эффективней происходит экскавация опилок. В процессе обработки используются инструменты конусности 0.04, 0.06, 0.08, 0.10 и даже 0.12мм/мм. С помощью таких инструментов можно создать предсказуемую, анатомически правильную, более конусную форму канала (Рис. 9 Б). Это улучшает доступ ирригационных растворов и повышает качество медикаментозной обработки. Так как форма канала регулярна, он легче и надёжней обтурируется.

Можно отметить ряд факторов, удерживающих врачей от применения в своей практике NiTi файлов работающих в полновращательном режиме. Это — высокая стоимость инструментов, необходимость иметь специальный привод и опасение сломать инструмент в канале. Хотя статистика показывает, что инструменты чаще ломаются при ручном методе обработки канала (Johnson, 2002).

Существует две основных причины, в результате которых происходят разломы инструментов — это циклическая нагрузка и превышение максимально допустимого момента вращения или допустимой торсионной нагрузки. Когда инструмент вращается в канале и срезает дентин со стенок канала, стенки, в свою очередь, оказывают сопротивление резанию. Инструмент, соответственно, испытывает действие момента сил сопротивления или торсионную нагрузку (Рис. 10 A). Если сопротивление стенок канала достаточно велико, например, если инструмент заклинивает в канале, но вращение его продолжается с нарастающей силой, то есть повышается прикладываемый момент вращения, то, в конечном итоге, на

инструмент накладывается такая торсионная нагрузка, которая превышает его прочностные характеристики, и он ломается (Рис. 10 Б). Применение специализированных эндодонтических приводов и наконечников в значительной мере решает проблему заклинивания инструмента и предотвращает превышение максимально допустимого момента вращения.

С циклической нагрузкой всё несколько сложнее, так как её возникновение связано с анатомией канала. Канал, как правило, имеет кривизну. Если поместить инструмент в такой канал инструмент изгибается (Рис. 11 А), то есть приповерхностная часть инструмента, в сторону которой произошел изгиб, сжимается, а противоположная наружная часть растягивается (Рис. 11 Б). Если теперь повернуть инструмент на 180°, то часть, которая была сжата, растянется, а та, которая была растянута, сожмётся (Рис. 11 В). Попеременное сжатие и растяжение и есть та циклическая нагрузка, которую испытывает инструмент при вращении. Циклическая нагрузка оказывает разрушающее действие на инструмент, которое, постепенно накапливаясь, через некоторое количество циклов приводит к его сепарации.

Применение стальных инструментов в полновращательном режиме опасно из-за того, что они не устойчивы к циклической нагрузке. Например, если угол изгиба канала составляет 90°, то новый файл из нержавеющей стали может совершить только 10-12 оборотов, после чего сломается. Обрабатывать канал механически без большого риска немедленно сломать инструмент стало возможно только с появлением NiTi-инструментов. Они более устойчивы к циклической нагрузке, в силу суперэластических свойств сплава. При 90° угле изгиба они могут совершить около 350-450 оборотов (Johnson, 2002).

Строго говоря, вероятность излома инструмента следует оценивать с использованием целого ряда параметров как самого инструмента (модули упругости по растяжению и сдвигу, предельно допустимые нагрузки и деформации, конусность, внешний и внутренний радиусы нарезки режущих кромок), так и параметров, характеризующих канал, из которых важнейшими являются радиус кривизны и угол изгиба канала (работа по подробному анализу этих параметров сейчас проводится авторами данной статьи).

Конструктивные особенности инструментов определяют способ их применения и неразрывно связаны с материалом, из которого они изготовлены.

Из NiTi делают инструменты, как для ручной обработки каналов, так и для механической. Причем основная масса инструментов предназначена как раз для механической обработки каналов в полновращательном режиме.

Как правило, большинство систем включает в себя целый ряд инструментов, которые различаются между собой, прежде всего конусностью. Конусность — один из важнейших конструктивных параметров. Прежде всего конусная форма позволяет снизить торсионную нагрузку за счёт того, что уменьшается площадь соприкосновения со стенками канала, и даже когда эта площадь максимальна, её легко уменьшить, просто сняв вертикальное усилие с инструмента (Рис.12). При этом происходит быстрое уменьшение объема материала, срезаемого за один оборот, и тем самым предотвращается заклинивание.

Конусность традиционных эндодонтических инструментов (ISO стандарт) 0.02мм/мм. Это значит, что на каждый миллиметр длины файла его диаметр увеличивается на 0.02мм. Таким образом, если D₀ (кончик инструмента) = 0.1мм, то D₁ (который находится на расстоянии 1мм от кончика) = 0.12мм (Рис.13). Аналогичным образом можно рассчитать диаметры для конусности 0.04мм/мм, 0.06мм/мм и т.д. Обычно инструменты конусности 0.02мм/мм применяются для ручного препарирования, но также присутствуют и в некоторых машинных системах инструментов, где их используют для препарирования апикальной трети канала. Они более гибки, чем файлы большей конусности, следовательно, более устойчивы к циклической нагрузке и лучше работают в искривлённой части канала.Файлы конусности 0.04мм/мм предназначены для обработки средней и иногда апикальной трети канала. Они менее гибки, чем 0.02мм/мм, но более гибки, чем 0.06мм/мм. Файлы конусности 0.06мм/мм и большей лучше подходят для формирования устьевой части (Рис.14).

Следующий немаловажный конструктивный момент, который также существенно влияет на гибкость инструмента, — это отношение внешнего или наружнего (D_Н) и внутреннего диаметров (D_В) нарезки режущей кромки (Рис.15). Это отношение определяет гибкость инструмента, которая обусловлена его конструкцией. Если D_В приближается к D_Н, то масса металла в инструменте возрастает. Чем более массивным является инструмент, тем менее он гибок. С другой стороны, при D_В/ D_Н~1 повышается его прочность и устойчивость к торсионной нагрузке. Более гибкие инструменты лучше подходят для искривлённых каналов или для боковых зубов, соответственно менее гибкие — для прямых каналов или передних зубов.

Как любой режущий инструмент, эндодонтический файл имеет режущую кромку, то есть линию и прилегающую к ней поверхность, где он непосредственно взаимодействует с субстратом. Определяющим параметром в конструкции режущей кромки можно считать так называемый угол резания или угол наклона режущей поверхности α. Отсчитывается он следующим образом: к обрабатываемой поверхности проводится касательная в точке резания; далее из этой же точки, перпендикулярно касательной, строится так называемая внешняя нормаль n. Угол резания отсчитывается от нормали в направлении к линии, являющейся внешним продолжением режущей кромки. Угол считается позитивным (имеет знак +), если он отсчитывается в направлении резания (в направлении скорости движения инструмента V, Рис.16). Угол считается негативным (имеет знак −), если он отсчитывается в противоположную сторону по отношению к направлению резания (Рис.17).

В случае позитивного угла резание происходит очень эффективно. Если обратить внимание на вектор Ny (Рис.16), который является вертикальной составляющей силы нормального давления Nсрезаемого материала на резец, видно, что он направлен в сторону субстрата. Иными словами, инструмент прижимается стружкой к субстрату, заставляя его глубже погружаться в материал. Однако при работе таким файлом в канале это может приводить к возрастанию торсионной нагрузки и увеличивает вероятность заклинивания инструмента. В случае негативного угла резание не так эффективно, инструмент скорее скребёт поверхность. Вектор Ny (Рис.17) направлен от субстрата, инструмент как бы отталкивается от материала. В этом случае торсионная нагрузка не так велика и во многом определяется силой действующей на инструмент в вертикальном направлении.

Большинство эндодонтических инструментов имеет негативный режущий угол. К тому же, вследствие малых размеров файлов технологически трудно изготовить инструмент с позитивным углом.

Ещё один параметр, в схеме взаимодействия субстрата и инструмента − угол просвета θ (Рис. 16, 17). Он находится между поверхностью субстрата и нижней поверхностью самого резца, и определяет, насколько быстро может происходить погружение инструмента в субстрат. Таким образом, чем меньше угол θ, тем медленнее происходит погружение, и эффективность резания снижается.

Все известные NiTi инструменты имеют спиралевидную нарезку, которая обуславливает вращательно-поступательный характер движения файла в канале. Если рассмотреть схему взаимодействия стенки канала и поверхности инструмента, она окажется примерно такой же, как в случае с режущей кромкой и дентином (Рис.18). Угол здесь всегда позитивный, а вектор Ny направлен в сторону апекса. Иными словами, инструмент вкручивается в глубь канала. С одной стороны, вкручивание — отрицательное явление, так как затрудняет контроль над инструментом и повышает вероятность его заклинивания. С другой стороны, спиралевидная нарезка обеспечивает экскавацию опилок из канала, то есть его очистку, и предотвращает возникновение апикальных блокад. Немаловажное значение имеет также шаг спирали (Рис.18). Чем чаще шаг, тем больше площадь соприкосновения инструмента и стенки канала со всеми вытекающими отсюда отрицательными следствиями.

Эффект вкручивания можно снизить. Так, например, в конструкции режущей кромки файла угол θ можно приблизить к нулю (радиальные опорные площадки в инструментах U – типа), или сделать шаг резьбы переменным, с целью уменьшения площади взаимодействия инструмента и канала (ReCe).

Что касается конструкции верхушки NiTi-инструментов, то она, как правило, пассивная, т.е. на ней нет режущих граней, все углы скруглены. Это позволяет избежать смещения инструмента в канале и как следствие перфорации стенки корня.

Для простоты некоторые авторы (Sonntag, 2003; Johnson, 2002) условно разделяют инструменты на три типа:

• Активные (FlexMaster, RaCe File, ProTaper)
• Полуактивные (Sybron Endodontics Quantec)
• Пассивные (ProFile, Rotary GT, Light Speed)

Активность или пассивность оценивают, имея в виду характер поведения вращающегося файла в канале в отсутствии вертикальной нагрузки.

Активные инструменты часто называют инструментами К-типа из-за их схожести, конструктивно и по поведению, с ручными К-файлами (Рис.19). Эти инструменты хорошо режут дентин. Формирование канала идёт быстро и эффективно. Однако активные инструменты могут смещать просвет канала, спрямлять его и, таким образом, приводить к ленточным перфорациям, изменениям размера и формы апикального отверстия, его транспортации.

К полуактивным инструментам в настоящее время относят только один инструмент, поэтому дать характеристику целой группе невозможно. Особенности же конкретного инструмента будут обсуждаться ниже.

Пассивные инструменты называют также инструментами U-типа (Рис.20), так как профиль внутреннего желобка этих инструментов напоминает латинскую букву U. Характерной особенностью этих инструментов является наличие опорных площадок (θ~0). Эти площадки препятствуют смещению инструмента из анатомически обусловленного просвета канала, а также препятствуют возникновению эффекта вкручивания. С другой стороны, для продвижения инструмента необходимо оказывать на него вертикальное давление. При наличии же опорных площадок площадь соприкосновения инструмента со стенками канала велика, так что вертикальное усилие приводит к увеличению торсионной нагрузки на инструмент.

Таким образом, выбор NiTi файлов и тактика работы с ними, определяются несколькими факторами.

Первое, необходимо учитывать конструктивные особенности инструментов, от которых часто в наибольшей степени зависит качество обработки корневого канала и успех лечения. К сожалению, идеальных систем инструментов пока не существует. Но в этом направлении ведутся интенсивные исследования и разработки.

Второе, мануальные навыки врача, его квалификация и опыт работы оказывают огромное влияние на успех лечения при использовании NiTi файлов в полновращательном режиме.

Третье, - это наличие специализированного привода или наконечника с возможностью точного регулирования вращательного момента. Это особенно важно при использовании активных инструментов.

Во всех случаях применения новых инструментов и приводов, сначала требуется тщательная предварительная подготовка специалистов на фантомах и удалённых зубах.


Автором рисунков и схем является © Ржанов Е.А.
Любое использование иллюстраций без согласия автора запрещено.