根管预备器械的进展及根管成形的研究（综述）

                             

根管预备是根管治疗三大步骤的第一步，也是最重要的一步。随着人们对根管解剖形态的了解不断深入，根管预备的角色发生了转变——从单纯清洁根管的功能转变为打开进入根管系统的通道，使得对未能预备区域的冲洗更有效(Jardine & Gulabivala 2000[5])。理想的根管预备要求在充分清洁根管的同时保持根尖孔的封闭性，并且拥有良好流畅的圆锥形态，以利于根管充填。为了适应复杂的根管系统，获得理想的根管预备形态，长期以来人们不断对根管预备的器械和技术进行改进。

回顾根管预备器械的发展历史，可分为三个阶段。

第一阶段，1960年前，根管治疗器械是由碳钢制成的，这种器械在消毒时易被腐蚀，可导致其抗弯曲、抗扭转性能的下降。1917年，锉和扩大器的基本设计取得专利。

第二阶段，二十世纪六十年代以后，不锈钢根管预备器械完全取代了碳钢器械,消毒对器械的影响大大降低。1976年，由Ingle和Levine于1958年提出的标准化设计被ANSI/ADA接受；1981年，标准化设计进一步改进，锥度统一为0.02；1985年，Roane等提出平衡力法，和用Flex-R锉，以减少弯曲根管预备过程中侧穿的发生。

第三阶段，二十世纪九十年代至今，镍钛合金的引进，为根管预备器械的发展带来了一场革命。镍钛锉的出现不仅提供了更有弹性的器械，而且使机械预备成为可能，并降低了牙医的劳动强度，一定程度上减少了根管预备过程的技术依赖性（Jardine & Gulabivala 2000[5]）。1988年，Walia等首次介绍了高弹性的镍钛锉；1989年，Canal Master和Lightspeed出现，后者的特征是——短小的切割端，无切割力的引导性尖端，细长的柄，宽的切割刃平面。之后又出现了其他具有引导性尖端，宽的切割刃平面，但切割端较长的器械，包括Profile系列和Quantec系列(Schrader et al. 1999 [13.5])。其后为了减少操作步骤，提高工作效率，又先后出现了Hero642和ProTaper等系列，其锥度是变化的或大锥度的。

根管器械的发展与根管预备方法的改进是相辅相成的。传统的步退法（step-back）预备根管存在许多问题，诸如遗留根管冠2/3的不规则形态，根尖段根管的拉直和侧穿，“圆柱内的活塞”作用将碎屑推出根尖孔，以及器械由于易在未开放的根管冠部受阻而造成预备困难等（Morgan & Montgomery 1984 [51]）。Peeso和Gates Glidden drills的出现改进了传统的步退法，但这种技术可能会使牙体组织薄弱和造成根分歧侧穿。为了解决这些问题，相继出现了步进法（step-down technique）(Goerig et al. 1982 [53])、双向扩大法（double-flared technique）（Fava 1983 [52]）和crown-down pressureless（Morgan & Montgomery 1984 [51]）等预备方式，这三种预备方式的共同特点是在根管预备的第一阶段先开敞根管的冠2/3，以及器械的使用往往是从大号到小号。其共同的优点是：根管的冠2/3锥度大，开畅，有利于根管内容物在预备过程中排溢，从而减少将内容物（包括牙髓残余组织、牙本质碎屑、微生物和冲洗液）推出根尖孔的机率（Fava 1983 [52]）。另外，为了减少弯曲根管预备后的移位和变形，根管预备的手法也在不断改进,如Abou-Rass et al. (1980) 提出的反弯曲提拉法（anticurvature filing），以及Roane et al. (1985)提出的平衡力法（balanced-force）。这些都是针对手法预备的。而机用根管预备的方式，除超声预备外，都采用了旋转预备的方式。根管预备的专用手机包括了低速正反向回旋预备手机和低速单向旋转预备手机。近来的发展趋势是低速顺时针旋转的手机结合镍钛锉使用。

镍钛锉最早出现时，几乎完全模仿不锈钢手用锉，也用步退法预备根管。而后迅速出现各种类型的镍钛机用锉，从螺纹设计、几何外形到锥度，都与ISO标准型锉的差别越来越大。这些改变的目的都是为了使根管预备的效率更高，根管的移位和变形更小。现在，crown-down的根管预备方式和镍钛机用锉的联合使用，已经成为根管预备方法的主流。

镍钛合金的物理特性

镍钛合金的成分：约55%的镍和45%的钛，或60%的镍和40%的钛（重量比）。

镍钛合金的弹性模量（E）低，仅为不锈钢的1/5~1/4（Walia et al. 1988[79]）。所谓弹性模量是联系受力与形变的材料性质，量纲是帕斯卡（Pa）。弹性模量越大的材料，要使其发生形变所需的单位截面上的力就越大。镍钛合金的弹性模量小，说明该材料抵抗形变的能力较差，刚度较小。

镍钛锉的广泛应用主要取决于镍钛合金固有的优点——独特的超弹性，又称伪弹性（pseudoelasties）,即可显著变形而不超过其弹性极限。这使镍钛器械在变形后仍可恢复原有形状，将其用于连续旋转的手机，极具优势（Turpin et al. 2000 [9]）。由于在弯曲根管中使用不会发生永久性形变，可用于那些严重弯曲的根管。而另一方面，镍钛锉不能预弯，这又限制了它的使用范围。比如一些有台阶的根管、或根管分叉角度接近90o的根管，镍钛锉就很难通过。

镍钛合金的超弹性的微观表现为：压力诱导的从奥氏体（austenite）向马氏体（martensitic）的转变，以及压力去除后马氏体逆向转变为奥氏体。这种结构变化只发生在有限的温度域中，最适宜的是37℃。

镍钛合金具有形状记忆能力，即125℃以上，镍钛锉的任何形变都会消除（Sch?fer 1997 [31]（综述））。

镍钛锉在弯曲和扭转时显示的弹性3倍于SS锉。而关于镍钛锉的抗折断性能则有争议。许多研究显示，由于其良好的弹性，镍钛锉的根管居中性好（Glosson et al. 1995 [58]，Esposito & Cunningham 1995 [60]），预备后的根管移位和变形较小（Esposito & Cunningham 1995 [60]，Shadid et al. 1998 [25.2]，Schrader et al. 1999 [13.5]，Jardine & Gulabiavala 2000 [5]）。

当然，任何事物都有其两面性。镍钛合金也有缺点——淬火应变带很窄，即Ni-Ti器械可在没有觉察到陈旧变形时就折断，而这种形变是可以警告临床医师的唯一指征（Turpin et al. 2000 [9]）。另外，弹性过好，相应的刚性就较差，这使镍钛锉的预备效率低于不锈钢锉。由于镍钛锉打磨很困难（会很快造成磨头的损耗），其切割缘常显示不规则、缺损或金属薄边，这也可造成切割效率降低。实际上镍钛锉的切割效率远低于不锈钢锉和弹性不锈钢锉。提拉运动时，镍钛H锉或S锉的切割效率仅相当于同类不锈钢锉的40%（Sch?fer 1997 [31]（综述））。为了克服这些缺点，人们对镍钛锉的设计做了多方面的改进，如加大锥度、改良横截面的几何外形等，并获得了良好的预备效果（Turpin et al. 2000 [9]，Turpin et al. 2001 [9.5]，Bertrand et al. 1999 [13.4]，Thompson & Dummer 1998 [24]，Bryant et al. 1999 [17]，Jardine & Gulabiavala 2000 [5]）。

目前商品化的机用镍钛锉的种类很多，包括Lightspeed、Quantec、Profile、ProTaper以及K3等多个系列。相关研究也很多，由于篇幅所限在此不一一介绍了。仅就本研究中选用的Hero642系列(Micro Mega, Switzerland)的研究情况加以概述。

Hero642有三种锥度的锉，即.06, .04, .02三种系列；横截面为三螺旋形（triple helix）；预备方法为crown-down技术。其设计特点是：三种不同锥度，使器械切削根管时的接触面积更小，减少了停转和折断的可能；渐变的螺距与凹槽，减轻了器械的旋入作用；器械尖端总在根管中央，几乎不与根管壁接触；切割刃的特殊设计，使牙本质碎屑不易被挤压进入牙本质小管。

Yared在离体牙中的实验表明，对于熟练牙医而言，在300rpm的转速下，无论是否用有扭距控制的手机，也无论手机的扭距控制是高是低，Hero 642的使用都很安全（Yared GM 2002 [81]）。

Thompson和Dummer在模拟根管上的研究显示Hero 642预备的根管根尖偏移较少，根管形态较好，预备缺陷较少，不同的根管形态对预备后根管锥度和根尖部的偏移量有显著影响。（Thompson和Dummer 2000 [3]、Thompson和Dummer 2000[3.5]）。采用离体牙横断面法评价根管偏移情况时，发现在根尖1/3，根管中心的偏移有明显差异，Hero的根尖偏移较K flexofile小（Bertrand MF等2001[95]）。模拟根管的形态会影响根管锉对根管壁不同部位的切削。Sch?fer E.的研究显示，在28o根管中Hero 642在弯曲部的内外侧壁切割量相近，预备时很好地保持在根管的中心位置；在35o根管中Hero 642主要切割根管外侧壁，少量切削内壁。K file的切削主要集中在根尖1－4mm的外壁，对根尖3mm的内壁几乎没有切削作用。336根Hero 642锉中（每根锉只用一次）有3根折断，比例为1％，48个模拟根管中有3个产生器械折断，占6％（Sch?fer E. 2001[96]）。Hülsmann M等比较了Quantec SC和Hero 642的根管成形能力、清洁能力和安全性，发现两系统都能较好地保持根管的弯曲度。根管弯曲度的拉直，在Quantec SC平均为2.3°,在Hero 642为1.6°。Quantec SC的安全性稍差，与之相比，Hero 642的横截面圆形比率更高，预备时间更短，根管清洁程度更好（Hülsmann M等2001[97]）。

对根管器械研究方法的评价

关于根管治疗器械的研究一直围绕着两个方面：一是器械的根管成形能力和切削效率；一是器械折断问题。下面分别加以阐述。

（一）器械折断问题：

ADA Specification No. 28是美国牙医学会1976年颁布的关于根管治疗器械的行业标准性文件。文中所描述的对根管锉的抗扭转性能和抗弯曲性能的检测方法，是根管器械折断的相关研究中最常引用的方法（Council on Dental Materials and Devices. 1976 [78]）。该方法的基本思想如下：一是模拟根管器械尖端被卡住的情况，获得器械折断时的最大扭距，这一扭距越大意味着器械抗扭转折断的性能越好；二是模拟具有不同程度弯曲（30o、45o、90o）的根管，这时测得的弯曲力矩越大，意味着器械的刚度越大，弹性越差，其沿根管的自然形态走行的能力就越差，这样在预备时造成根管移位和侧穿的可能性就越大。因此，理想的根管治疗器械应是最大扭距越大越好，而弯曲力矩则是越小越好。但真实的情况往往是前者增大，后者也随之增大。在临床工作中如何取其优势，抑其劣势，是根管器械的生产厂家和临床医师应关注的问题。

Ha?kel等（1998）用 ADA Specification No. 28中的方法，比较了四种品牌的镍钛锉与传统不锈钢锉的机械物理性能，发现四种品牌的镍钛锉和抗扭转折断性能均不如不锈钢锉；但四种品牌的镍钛锉的弹性均远远优于不锈钢锉；镍钛锉几乎没有永久挠曲角(Ha?kel et al. 1998[21])。那是不是说，在弯曲根管中如果镍钛锉的尖端不被卡住，那么由于它良好的弹性，它就可以持续旋转而不折断呢？答案是否定的。但这种折断只能用金属疲劳折断的理论来解释，ADA Specification No. 28中的方法并不能检测出这种疲劳折断的极限。

于是Pruett等（1997）采用一种新的方法来测定机用镍钛锉旋转疲劳极限。即让Lightspeed锉穿过模拟根管弯曲度的不锈钢导管中，尖端在测力计中可自由旋转，但被施以持续的10g-cm的扭距，记录30^#、40^#Lightspeed锉在不同转速时的旋转折断时间，并除以转速，求得旋转折断的圈数。该研究选用了恒定的扭距10g-cm，是因为在体内钙化度较高的下前牙做根管预备时，测得的扭距在6－14g-cm之间。该研究中所有的锉都在5分钟内旋转折断。这提示临床上应避免让器械在根管的同一个深度持续旋转，否则会产生类似本实验的持续受相同扭距的结果，会使疲劳寿命减低。

在该研究中，作者描述了镍钛锉的超弹性特点。不锈钢器械在发生折断之前，一般都会出现一些形变，如不可复性弯曲、螺纹松弛等。但镍钛器械则往往在没有发生任何形变时突然折断。由于镍钛器械的超弹性，当遇到可使不锈钢锉发生永久形变的情况时，镍钛锉仍在其弹性范围内，而不会发生不可复的变形。镍钛锉的折断可用疲劳折断理论解释。金属疲劳(又叫循环疲劳)是局部反复受到低强度的拉－压应力造成的。而机用根管器械在根管内旋转时，在根管弯曲的部位受到的就是这种反复的拉－压应力。

疲劳折断面的特点：有疲劳源、疲劳扩展区和瞬间断裂区三个部分。疲劳源是边界上光滑的无特征区域；疲劳扩展区是有特征性纹路的光滑的区域；瞬间断裂区是凹凸不平的颗粒状区域。

镍钛锉的超弹性特点：当应力升至超过屈服应力（yield stress）时，应变的增加值会突然提高，但不会像其它金属那样发生永久形变，镍钛锉的变形仍是可复的。但在这种情况下，镍钛锉的疲劳寿命明显低于小应力状态时的寿命(Pruett et al. 1997[38])。

Dietz等（2000）提出用骨根管模型测量旋转速度对器械折断的影响，因为有实验表明在检测根管器的械切割能力时，牛股骨是牙本质较为合适的替代物(Dietz et al. 2000[11])。这种实验能够较好地模拟根管治疗地实际情况，但也正因为如此，在此实验中的器械折断的原因并非单一因素，既有可能是因器械尖端嵌入骨壁后发生的扭转折断，又有可能是因弯曲度加大，造成的疲劳折断。对这两种折断类型的区分有两种办法：一是观察断面和周围螺纹的状态，扭转折断的近折断点处有螺纹的变形；疲劳折断的断端整齐，附近区段无变形(Sattapan et al. 2000[75])。二是测定器械折断时的扭距，看是否达到了该器械的最大扭距，如达到或超过最大扭距，为扭转折断；如未达到最大扭距，则为疲劳折断。但该研究中，并未就此做详细阐述。

为了观测根管预备中器械受力的动态过程，有学者设计了一种特制的仪器，可以在运动状态下，实时测量根管器械的扭转力矩和离体牙根尖部的压力，并绘制检测曲线。结果发现，在预备直根管离体牙时的实测扭矩远低于折断扭距。其中折断扭距是在模拟根管中预备时，将器械加压至折断所测得的扭距(Sattapan et al.2000[10])。这从一个侧面说明镍钛器械折断的主要因素为疲劳折断。

以上所述的方法都是在模型或离体牙中实测的办法。近来有学者试图建立一个数学模型，这种方法的好处是可以在器械研发过程中，评价不同横截面形态对锉的扭转和弯曲特性的影响。为了简化计算，Turpin等（2001）选择了类圆柱体的模型，用边缘积分法建立反映根管器械的扭转和弯曲特性的数学公式（Turpin et al. 2001[9.5]）。

总之，镍钛锉的折断类型有两大类，一是扭转折断，一是疲劳折断。

影响扭转折断的因素有：（1）器械直径越大，越不易折断；（2）垂直加压越大，越易折断；（3）器械与根管壁间的摩擦力越大，越易折断。

影响疲劳折断的因素有：（1）器械直径越大，越易折断；（2）根管弯曲度越大，器械所受的局部应力越大，越易折断；（3）转速提高不影响疲劳折断圈数，但会大大缩短折断所需的时间。