高壓蒸汽滅菌對(duì)鎳鈦根管器械物理性能影響的研究進(jìn)展

劉 程，王曉春

在牙齒的根管治療過(guò)程中，鎳鈦根管器械被用來(lái)進(jìn)行根管的機(jī)械預(yù)備，切削去除感染牙本質(zhì)，并形成良好的根管形態(tài)。鎳鈦根管器械憑借其優(yōu)良的柔韌性和根管成形能力等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于臨床根管預(yù)備中。1975年首次提出使用鎳鈦合金制造根管銼的概念，1988年用正畸鎳鈦絲手工制作了第一支鎳鈦根管銼[1]。此后隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，螺旋角、切角、錐度、橫截面、節(jié)距等器械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不斷變化。近年來(lái)，不同的鎳鈦合金、熱處理工藝和表面處理技術(shù)逐漸應(yīng)用于鎳鈦器械的制造。目前的鎳鈦器械，具有超彈性和形狀記憶性，采用連續(xù)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)，中心或偏心運(yùn)動(dòng)等，以期產(chǎn)生更好的臨床性能。在國(guó)內(nèi)，鎳鈦根管器械通常被重復(fù)使用，高壓蒸汽滅菌普遍應(yīng)用于口腔科的消毒，以防交叉感染。高壓蒸汽滅菌，采用溫度為121 ℃，壓力為102.9 kPa，滅菌時(shí)間20～30 min的下排氣式高壓蒸汽滅菌器；也可以采用溫度為132～134 ℃，壓力為205.8 kPa，滅菌時(shí)間為4 min的預(yù)真空式高壓蒸汽滅菌器。滅菌時(shí)將器械裝入滅菌包內(nèi)，使用生物指示劑、化學(xué)指示劑和物理檢測(cè)溫度和壓力進(jìn)行滅菌效果的監(jiān)測(cè)[2]。大量實(shí)驗(yàn)證明高壓蒸汽滅菌可以影響鎳鈦器械的表面形貌、抗折斷性、切削效率，并與鎳鈦器械的熱彈性有關(guān)。因此了解高壓蒸汽滅菌對(duì)鎳鈦器械的影響，進(jìn)而了解其對(duì)臨床使用的影響至關(guān)重要。

1 高壓蒸汽滅菌對(duì)抗折斷性的影響

雖然與不銹鋼相比，鎳鈦合金具有更低的彈性模量，從而使鎳鈦根管器械具有更高的柔韌性[3]，但在臨床使用中仍然不可避免地發(fā)生器械分離，循環(huán)疲勞斷裂和扭轉(zhuǎn)斷裂是其發(fā)生的主要原因[4-5]。有研究表明，鎳鈦器械的臨床斷裂發(fā)生率在0.26%～21.00%[6]。根管內(nèi)分離的器械會(huì)影響根方感染的控制，斷端的取出會(huì)有根管側(cè)穿和降低牙根抗折性的風(fēng)險(xiǎn)[7]。由于熱處理技術(shù)被用于部分鎳鈦器械的生產(chǎn)，其形狀記憶和超彈性特性被認(rèn)為高度依賴于制造過(guò)程中的熱處理工藝，滅菌過(guò)程中的高溫可能會(huì)影響其機(jī)械性能[8]。

1.1 高壓蒸汽滅菌對(duì)抗循環(huán)疲勞性的影響

鎳鈦器械保持一定曲率旋轉(zhuǎn)時(shí),銼的最大彎曲處曲線外側(cè)的一半銼受到拉應(yīng)力，曲線內(nèi)側(cè)的一半銼受到壓應(yīng)力，經(jīng)過(guò)反復(fù)的拉伸和壓縮[9]，致使表面裂紋萌生并沿著晶面或晶界擴(kuò)展，導(dǎo)致最終的斷裂，為循環(huán)疲勞斷裂[10]。鎳鈦器械在臨床使用過(guò)程中，疲勞斷裂不會(huì)預(yù)先表現(xiàn)出形變[11]，且目前對(duì)其限用次數(shù)缺乏研究，因此難以預(yù)測(cè)疲勞斷裂的發(fā)生。

一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)，高壓蒸汽滅菌對(duì)鎳鈦器械抗循環(huán)疲勞性的影響與有無(wú)熱處理程序有關(guān)。目前鎳鈦器械的熱處理工藝包括M-wire、R相、CM-wire、Gold，與傳統(tǒng)超彈性鎳鈦器械相比，有更好的抗循環(huán)疲勞性[12-15]。Zhao等[16]在曲率角為60°、曲率半徑為3 mm的金屬模擬根管中，對(duì)(30#/0.06)K3、K3XF、HyFlex CM、TF和Race器械進(jìn)行了10次預(yù)滅菌和循環(huán)應(yīng)力后的滅菌，表明循環(huán)應(yīng)力前后的滅菌使HyFlex CM和K3XF的抗循環(huán)疲勞性增強(qiáng)，而對(duì)TF、K3和Race沒(méi)有影響?？赡苡捎贖yFlex CM是熱處理CM-wire合金，K3XF和TF雖都是熱處理R相，但TF是扭曲成形，而K3和Race無(wú)熱處理程序。?zyürek等[17]在60°曲率角、5 mm曲率半徑的金屬模擬根管中對(duì)ProTaper Gold、ProTaper Next、ProTaper Universial使用類似的方法進(jìn)行研究，顯示循環(huán)應(yīng)力前后的滅菌使熱處理Gold合金制成的ProTaper Gold、熱處理M-wire合金制成的ProTaper Next的抗循環(huán)疲勞性增強(qiáng)，而對(duì)無(wú)熱處理的ProTaper Universial無(wú)影響。Khabiri等[18]也得出了滅菌對(duì)非熱處理器械Hero642的抗循環(huán)疲勞性無(wú)顯著影響的結(jié)論。

一些學(xué)者對(duì)此有不同的觀點(diǎn)。Hilfer等[19]發(fā)現(xiàn)在90°曲率角、5 mm曲率半徑的模擬根管中，對(duì)GT Series X(20#/0.04)、GT Series X(20#/0.06)及TF(25#/0.04)、TF(25#/0.04)進(jìn)行循環(huán)應(yīng)力后的滅菌。發(fā)現(xiàn)M-wire熱處理的GT Series X(20#/0.04)、(20#/0.06)及TF(25#/0.04)的抗循環(huán)疲勞性不受循環(huán)應(yīng)力后滅菌的影響，而TF(25#/0.06)的抗循環(huán)疲勞性在滅菌后下降。認(rèn)為該結(jié)果可以用先前的研究來(lái)解釋，晶體開(kāi)始重新排序需要170 ℃的溫度，430～440 ℃時(shí)有最大的抗循環(huán)疲勞性[20]，高溫高壓滅菌時(shí)溫度為121～134 ℃，不足以提供能量來(lái)實(shí)現(xiàn)晶體相變[21]。對(duì)于Hilfer等的實(shí)驗(yàn)中TF器械的結(jié)果，Zhao等認(rèn)為可能與不同的TF器械尺寸(25#/0.04和30#/0.06)、不同的模擬根管尺寸(90°曲率角5 mm曲率半徑和60°曲率角3 mm曲率半徑)等有關(guān)。楊殷杰等[22]在60°曲率角、3.5 mm曲率半徑的金屬模擬根管中，對(duì)K3XF和K3進(jìn)行10、20、30次預(yù)滅菌，與無(wú)滅菌器械相比，K3XF的抗循環(huán)疲勞性無(wú)明顯變化，K3在30次滅菌后顯示增加，可能由于從室溫加熱到134 ℃，滅菌5 min，干燥25 min后，再冷卻到室溫的滅菌過(guò)程可能消除K3內(nèi)部積存的一部分殘余應(yīng)力，使裂紋成核和擴(kuò)展的速度減慢。

1.2 高壓蒸汽滅菌對(duì)抗扭轉(zhuǎn)性的影響

鎳鈦器械的扭轉(zhuǎn)斷裂，被認(rèn)為與根管預(yù)備時(shí)向根方用力過(guò)度有關(guān)，并能在斷端觀察到形變。扭轉(zhuǎn)斷裂為器械在根管中旋轉(zhuǎn)時(shí)，器械尖端在根管中卡住，而柄部還在繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，使器械發(fā)生扭轉(zhuǎn)，當(dāng)超過(guò)其彈性極限時(shí)，則發(fā)生扭轉(zhuǎn)斷裂[23]。

近年來(lái)，高壓蒸汽滅菌對(duì)鎳鈦根管器械抗扭轉(zhuǎn)性影響的研究較少且結(jié)果存在爭(zhēng)議。Casper等[8]對(duì)Profile Vortex、TF、和10 Series CM Wire files進(jìn)行了1、2、3、7次的高壓蒸汽滅菌。與無(wú)滅菌器械相比，多次高壓蒸汽滅菌對(duì)25#/0.04的Profile Vortex、TF和10 Series CM Wire files的抗扭轉(zhuǎn)性沒(méi)有影響。認(rèn)為滅菌不會(huì)影響新的鎳鈦器械的扭轉(zhuǎn)行為。King等[24]對(duì)GT Series X(20#/0.06)和TF(25#/0.06)進(jìn)行1、3、5、7次高壓蒸汽滅菌。與無(wú)滅菌器械相比，3次和7次滅菌后，GT Series X抗扭轉(zhuǎn)性顯著降低，而對(duì)TF無(wú)影響。認(rèn)為其抗扭轉(zhuǎn)性的降低可能與滅菌對(duì)器械表面的腐蝕作用有關(guān)。

2 高壓蒸汽滅菌對(duì)表面形貌的影響

觀察鎳鈦器械表面微觀形貌的方法有兩種，分別為掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)和原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)。前者為主觀觀察SEM拍攝的圖像，后者為對(duì)器械表面進(jìn)行高空間分辨率三維成像[25]。鎳鈦合金在較高溫度下表現(xiàn)出較高腐蝕速率[26]。Rapisarda等[27]發(fā)現(xiàn)新的和高壓蒸汽滅菌后的器械，表面均顯示出碳和鎳鈦氧化物的污染，表面到內(nèi)層碳含量逐漸減少，而鎳和鈦元素的含量增加。滅菌后，氧的總量高于新器械，特別是在靠近表面的層中，由內(nèi)層向表面與鈦平行增加，表明存在鈦氧化物。滅菌后鎳鈦根管器械表面鈦氧化物的沉積[23]，與器械表面粗糙度的增加有關(guān)。

楊殷杰等[22]對(duì)K3、K3KF進(jìn)行10、20、30次預(yù)滅菌，SEM觀察發(fā)現(xiàn)新的K3表面加工痕跡平滑，K3KF表面存在特殊的微孔結(jié)構(gòu)，10、20、30次預(yù)滅菌后，K3表面加工痕跡變形裂開(kāi)，K3KF表面微孔結(jié)構(gòu)變大增多，并發(fā)現(xiàn)高壓蒸汽滅菌對(duì)鎳鈦器械表面結(jié)構(gòu)的影響有累積效應(yīng)。Spagnuolo等[28]對(duì)ProTaper和有TiN涂層的AlphaKite進(jìn)行1、5、10次滅菌，使用SEM觀察發(fā)現(xiàn)ProTaper經(jīng)過(guò)5和10個(gè)高壓蒸汽滅菌后，表面出現(xiàn)腐蝕痕跡并隨滅菌次數(shù)增加而增加。而AlphaKite的表面沒(méi)有。使用AFM檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，與無(wú)滅菌器械相比，1次滅菌后兩種器械表面無(wú)明顯變化，ProTaper經(jīng)過(guò)5和10個(gè)滅菌后，表面粗糙度顯著增加，而AlphaKite在僅在10次滅菌后表面粗糙度顯著增加。認(rèn)為可能與TiN涂層增加了器械表面的硬度和耐腐蝕性有關(guān)。目前，各種表面處理工藝，用于鎳鈦器械的生產(chǎn)，研究發(fā)現(xiàn)它可以不同程度地提高鎳鈦器械的抗折性、耐腐蝕性及耐磨性[29-30]。Ylmaz等[31]對(duì)HyFlex CM和電火花加工(EDM)工藝拋光表面的HyFlex EDM進(jìn)行了與Spagnuolo等類似的實(shí)驗(yàn)。AFM檢測(cè)顯示，與對(duì)照組相比，1次滅菌對(duì)兩種器械的表面粗糙度沒(méi)有影響，5次滅菌僅提高了HyFlex EDM表面粗糙度，10次滅菌提高了兩種鎳鈦根管器械表面粗糙度。以上研究表明，新的器械表面存在加工痕跡及結(jié)構(gòu)缺陷[32]，高壓蒸汽滅菌增加了器械的表面缺陷，提高了器械的表面粗糙度，器械的表面處理工藝會(huì)影響滅菌對(duì)表面的作用。

3 高壓蒸汽滅菌對(duì)切削效率的影響

高壓蒸汽滅菌后器械近表面層中的鈦氧化物的含量增加[27],與表面粗糙度的增加有關(guān)[23]。滅菌導(dǎo)致的表面粗糙度的增加和化學(xué)成分的變化可能與切割效率的降低有關(guān)[33]。

Rapisarda等[27]對(duì)ProFile進(jìn)行了7、14次高壓蒸汽滅菌。發(fā)現(xiàn)與未滅菌的ProFile相比，7次高壓蒸汽滅菌后切削效率下降了20%，14次滅菌后，切削效率下降了50%。表明高壓蒸汽滅菌對(duì)器械的切割效率有不利影響，隨著滅菌次數(shù)的增加，切割效率逐漸降低。ProTaper和Mtwo[34]、鎳鈦手動(dòng)K銼[35]等的類似實(shí)驗(yàn)，取得了與上述研究類似的結(jié)論。

4 高壓蒸汽滅菌與熱彈性

鎳鈦合金中存在兩種溫度依賴型的晶體結(jié)構(gòu)，為奧氏體相和馬氏體相。奧氏體相與馬氏體相含量不同，賦予鎳鈦合金不同的性能[36]。奧氏體含量多時(shí)器械較硬，不易變形，馬氏體含量多時(shí)器械軟而韌，容易變形。熱彈性即為馬氏體含量多的器械，在體溫環(huán)境中，依然能保持馬氏體相，受力形變后不能自動(dòng)回彈，在高壓蒸汽滅菌的高溫環(huán)境中，馬氏體相轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體相，使形變恢復(fù)，溫度降至室溫后，又從奧氏體相轉(zhuǎn)變回馬氏體相，稱為形狀記憶性[37]。在體溫環(huán)境中，傳統(tǒng)的鎳鈦合金主要含奧氏體相，但CM-wire熱處理的HyFlex CM，含有較多的馬氏體相，擁有形狀記憶特性[36]。

Shen等[36]在臨床中重復(fù)使用HyFlex CM器械(n=468)預(yù)備根管，高壓蒸汽滅菌后，發(fā)現(xiàn)約3.4%(n=16)的器械仍然保持變形，其中尺寸20#/0.04變形最多(n=5)，其次是25#/0.08(n=4)。表明高壓蒸汽滅菌后發(fā)生形變的鎳鈦器械多數(shù)可以恢復(fù)原貌，但小號(hào)器械易發(fā)生永久性變形，不能恢復(fù)形狀的原因可能是器械的冶金性能改變，并推測(cè)HyFlex的塑性變形可能是一個(gè)有用的警示信息，應(yīng)將其在斷裂前丟棄。Alfoqom Alazemi等[38]，Bürklein等[39]在體外預(yù)備模擬根管并滅菌后，取得了類似的結(jié)果，并建議小號(hào)的Hyflex CM器械的應(yīng)一次性使用。

5 總結(jié)

綜上所述，多次高壓蒸汽滅菌對(duì)鎳鈦根管器械抗折斷性的影響尚存在爭(zhēng)議。多次高壓蒸汽滅菌會(huì)導(dǎo)致鎳鈦器械表面粗糙度增加，使切割效率下降，根管預(yù)備時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致鎳鈦器械循環(huán)疲勞增加。高壓蒸汽滅菌能引發(fā)CM-wire鎳鈦根管器械的熱彈性,使大部分變形的器械恢復(fù)原貌。高壓蒸汽滅菌使鎳鈦根管器械抗循環(huán)疲勞增加的機(jī)制尚不明確，鎳鈦器械重復(fù)使用的臨床限用次數(shù)尚未達(dá)成共識(shí)，有待進(jìn)一步研究，以便更好地指導(dǎo)臨床。