Статья: Оценка усталости никель-титановых инструментов в процессе работы

Оценка «усталости» никель-титановых инструментов в процессе работы

К.А. Невструев

Аннотация

Выполнен обзор литературы по оценке «усталости» никель- титановых инструментов в процессе работы. Определены основные причины поломок инструментов и видов нагрузок на них в процессе работы.

По результатам исследования были сделаны выводы, которые помогут докторам в будущем избежать проблем поломки эндодонтического инструмента в процессе обработки корневого канала.

Ключевые слова: усталость материала; эндодонтические инструменты; торсионная нагрузка; циклическая нагрузка

Информация об авторе: Невструев Кирилл Андреевич - студент медицинского института.

Введение

На сегодня эффективность в эндодонтии определяется двумя факторами: качественное прохождение и обработка корневого канала и его полноценная обтурация. В современной стоматологии уже невозможно себе представить качественной очистки корневого канала без механической обработки и придания ему конусной формы [1]. Для механической обработки корневых каналов применяют эндодонтические инструменты. Стальные инструменты обладают высокой режущей эффективностью, однако их чрезмерная жесткость и агрессивность ограничивают использование. Их полной противоположностью являются никель -титановые инструменты, имеющие выраженную конусность и обладающие большой гибкостью и упругостью. Основное отличие никель-титановых файлов в том, что они способны механически обработать самые искривленные каналы путем повторных вращающих движений [2]. Именно они применяются вместе со специализированными эндодонтическими моторами [3].

Однако, как и много лет назад, все еще актуальна проблема поломки эндодонтического инструмента в процессе работы в корневом канале, так как часть инструмента находится в корневом канале и служит преградой для нормальной обработки и заполнения пломбировочным материалом канала корня зуба.

Цель исследования: изучив данные, оценить изменения физикомеханических свойств (предела упругости, степени усталости) вращающихся никель-титановых эндодонтических инструментов в зависимости от времени их использования и определить основные причины их поломки.

Анализ литературных источников

Присутствует ряд причин, приводящих к поломке инструментов. Все их можно разделить на 3 основные группы [4]:

1) анатомические особенности корневых каналов зубов;

2) ошибки доктора при выполнении манипуляций;

3) отсутствие учета сторонних факторов, влияющих на физические свойства инструментов.

В основном, первые две группы понятны для врача, в то время как третья группа требует разъяснения. Для того чтобы понять, что следует учитывать при работе эндодонтическим инструментом, необходимо знать, какими физическими свойствами он обладает и каким нагрузкам он подвергается в момент работы.

Одно из главных свойств эндодонтических инструментов можно охарактеризовать с помощью данных терминов: механическое напряжение (Stress), упругая деформация (Elastic Deformation), предел упругости (Elastic Limit), пластическая деформация (Plastic Deformation), предел прочности (Plastic Limit) [5].

Одним из основных факторов является предел упругости и прочности. В момент, когда действует избыточная нагрузка предела упругости, развивается усталость материала и возникает пластическая деформация, а при завышении предела прочности происходит поломка инструмента.

Рассмотрим такой этап, как усталость материала - это процесс постепенного накопления повреждений под действием изменяющихся циклических нагрузок, ведущий к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и последующему разрушению материала спустя некоторое время. стоматологический инструменты эндодонтический

Основная причина образования трещин усталости - пластические микродеформации, которые неопределимы невооруженным глазом, так как протекают в малых объемах металла, схожих с размером элементов кристаллической решетки. Под действием неравномерных постоянных нагрузок данные части металла испытывают множественное деформирование, в результате которого они и повреждаются.

Первые признаки повреждения могут быть обнаружены лишь под микроскопом. Это линии и полосы скольжения отдельных микрообъемов металла относительно друг друга по кристаллографическим плоскостям. В дальнейшем в процессе циклической нагрузки в местах пересечения полос скольжения друг с другом возникают микротрещины от усталости.

Микроскопические исследования структуры показывают, что микротрещины появляются на раннем этапе действия переменной нагрузки, составляющей 3-10 % от всех вращений до момента поломки инструмента.

При этом наиболее благоприятные условия для протекания пластических микродеформаций, а значит, и зарождения микротрещин, образуются в области наибольших напряжений, которые действуют на инструмент в областях максимального искривления корневого канала. То есть микроразрушение начинается задолго до поломки инструмента [6].

Также одной из причин поломок является торсионная нагрузка. В процессе препарирования могут возникнуть моменты, когда скорость или момент вращения, приложенные к инструменту, резко меняются (при подклинивании или усилении давления на инструмент) и могут значительно превышать предустановленные на моторе значения. Такие разницы в скорости и моменте вращения можно объяснить прямолинейностью и равномерностью приводов, эти данные обнаруживаются у 80 % вариаций эндомоторов.

В случае с конусными инструментами сама конструкция не позволяет защитить первые несколько миллиметров инструмента с помощью контроля за моментом вращения.

Дело в том, что область верхушки конусного инструмента настолько тонкая по отношению к остальной режущей части инструмента, что при заданных ей параметрах приложенного момента вращения инструмент просто не способен был бы нормально работать в канале Руководство по эксплуатации «Эндоэст-Мотор». М., 2004. С. 31-44..

В момент превышения, по той или иной причине, предельной для инструмента или его части, скорости вращения инструмент подвергается неупругой, пластической деформации, избыточное нарастание которой влечет за собой торсионный перелом, который по своему характеру является сдвиговым, что хорошо демонстрирует электронно-микроскопическое исследование (рис. 1).

Рис. 1. Электронная микрофотограмма торсионного (сдвигового) перелома никель-титанового инструмента. В области граней хорошо видны деформации, направленные обратно от вращения, а сам перелом имеет вид перекручивания - хорошо видны круги, вокруг которых расположены частицы материала

На микроуровне характер сдвига при переломе значит, что когда возникла торсионная перегрузка, одна плоскость материала перемещается на слишком большой угол закручивания относительно другой, и происходит превышение предела упругости металлических связей между отдельными атомами. Связи рвутся, и вместо сил притяжения возникают силы отталкивания между близкорасположенными ионами атомов (рис. 2).

Рис. 2. Схематичное объяснение сдвигового перелома на микроуровне

Процессы идут от периферии к центру и сначала проявляются в виде пластических деформаций, но необходимо учесть, что чем больше связей потеряло свою связь и изменен сам файл, тем слабее он способен сопротивляться торсионной нагрузке.

Быстрое нарастание числа разорванных связей в конце приводит к разрушению инструмента.

Еще одним фактором, способствующим возникновению торсионных переломов, является конусность большинства никель -титановых инструментов, которая приводит к концентрации торсионной нагрузки в пределах одного относительно небольшого участка инструмента.

Исходя из вышеописанного, мы можем сделать вывод, что чем выше конусность, тем выше концентрация торсионной нагрузки на данном участке инструмента. Обусловлено это особенностью распределения угла закручивания в конусном стержне.

Вторая основная причина поломки инструмента во время его работы в канале - это циклическая перегрузка [7]. Разрушение инструмента при циклической перегрузке имеет характер разрыва при растяжении - поверхность разрыва грубая и состоит из ям и бугорков материала, появляющихся при разрыве между крупными частицами материала по поверхностям спайности, что хорошо демонстрируют электронно - микрофотографические исследования (рис. 3).

Рис. 3. Электронная микрофотограмма циклического разлома. Хорошо заметны области развития трещин в направлении к центральной оси и поверхности спайки, по которым идет разрыв

Циклическая нагрузка действует при повторном изгибе в одной и той же части инструмента, происходит это при его вращении в труднопроходимом канале или даже просто при вводе и выводе инструмента в исследуемый корневой канал. При изгибе в инструменте возникают две зоны деформации, которые отделены друг от друга нейтральным слоем:

1) зона растяжения (внешняя выпуклая часть);

2) зона сжатия (внутренняя вогнутая часть) (рис. 4).

Рис. 4. Схема действия циклической нагрузки

Если инструмент вводить и выводить в искривленный канал без вращения, то одна часть инструмента всегда будет оказываться в зоне растяжения, а противоположная - в зоне сжатия.

При вращении инструмента в искривленном канале внешняя часть инструмента по ходу вращения немного смещается из периода сжатия в период растяжения и наоборот. Нейтральный слой расположен в центральной части инструмента. Основная часть инструмента работает в зоне искривления канала и подвержена деформации, но нейтральный слой при этом не затрагивается.

А теперь, оценив все типы нагрузок оказываемых на эндодонтический инструментарий в процессе работы, рассмотрим действие тех же нагрузок на никель-титан.

Гибкость никель-титанового файла обеспечивается за счет использования тросов сверхмалого радиуса в поперечном сечении г, отношение которого к радиусу кривизны канала R составляет величину приблизительно 10^-2 или меньше.

Соотношение r/R чрезвычайно мало, так что материал тросов (к примеру, из нержавеющей стали) работает при всех нагрузках во время действия упругих деформаций, то есть на линейном участке характеристики деформация - это напряжение, которое описывается модулем Юнга.

Далее приведены параметры сверхгибких инструментов, изготовленных из нержавеющей стали 302/304 SS, которая одобрена для медицинских применений. Тросы, выбранные для экспериментальных работ, имеют соотношение (1^х7) и (1x19) и состоят из 7 или 19 нитей, свитых в симметричной плотной упаковке и опирающихся на центральную нить. Эти конструкции показаны на рис. 5.

Рис. 5. Конструкции тросов, используемых для построения никель-титановых инструментов

По рис. 5 легко определить диаметры тросов: для соотношения (1x7) диаметр d_Jx7 = 3d_w, где d_w - диаметр отдельной нити, а для соотношения (1x19) диаметр троса составляет где-то d_1x19 ~5d_w.

Возьмем для примера, что для соотношения (1x19) практически допустимый диаметр нити составляет d_w = 40 мкм для тончайшего из возможных, для следующего по толщине d_w = 60 мкм, и получаем, что для нитей, соответственно, d_1x19 = = 200 мкм и d_1x19 = 300 мкм. Данные значения можно считать допустимыми, так как они совпадают с анатомическими диаметрами каналов.

На рис. 6 показана основная конструкция сверхгибкого инструмента, а новый вид прототипа - на рис. 7. Тонкостенная трубка из нержавеющей стали использована, чтобы прикрепить трос к стандартизированной рукоятке. Она и обеспечивает необходимую общую длину инструмента.

Теперь оценим данные из табл. 1, в которой указаны величины деформации нитей в сравнении с допустимыми значениями.

Рис. 6. Общий вид сверхгибкого инструмента

Рис. 7. Экспериментальный вид никель-титанового инструмента, в основе которого используется нить из нержавеющей стали

Таблица 1

Параметры тросов для сверхгибких инструментов