전동식니켈티타늄파일의표면결함및단면형태가반복응력하에서피로파절에미치는영향 전동식니켈티타늄파일의표면결함및단면형태가반복응력하에서피로파절에미치는영향 신유미 1 김의성 1 김광만 2 금기연 1 * 1 연세대학교치과대학보존과, 2 치과생체재료학교실 ABSTRACT EFFECT OF

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인영 아
5 years ago
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1 신유미 1 김의성 1 김광만 2 금기연 1 * 1 연세대학교치과대학보존과, 2 치과생체재료학교실 ABSTRACT EFFECT OF SURFACE DEFECTS AND CROSS-SECTIONAL CONFIGURATION ON THE FATIGUE FRACTURE OF NITI ROTARY FILES UNDER CYCLIC LOADING Yu-Mi Shin 1, Eui-Sung Kim 1, Kwang-Man Kim 2, Kee-Yeon Kum 1 * 1 Department of Conservative Dentistry, 2 Dental Materials, Yonsei University The purpose of this in vitro study was to evaluate the effect of surface defects and cross-sectional configuration of NiTi rotary files on the fatigue life under cyclic loading. Three NiTi rotary files (K3 TM, ProFile, and HERO 642 ) with #30/.04 taper were evaluated. Each rotary file was divided into 2 subgroups: control (no surface defects) and experimental group (artificial surface defects). A total of six groups of each 10 were tested. The NiTi rotary files were rotated at 300rpm using the apparatus which simulated curved canal (40 degree of curvature) until they fracture. The number of cycles to fracture was calculated and the fractured surfaces were observed with a scanning electron microscope. The data were analyzed statistically. The results showed that experimental groups with surface defects had lower number of cycles to fracture than control group but there was only a statistical significance between control and experimental group in the K3 TM (p<0.05). There was no strong correlation between the cross-sectional configuration area and fracture resistance under experimental conditions. Several of fractured files demonstrated characteristic patterns of brittle fracture consistent with the propagation of pre-existing cracks. This data indicate that surface defects of NiTi rotary files may significantly decrease fatigue life and it may be one possible factor for early fracture of NiTi rotary files in clinical practice. [J Kor Acad Cons Dent 29(3): , 2004] Key words : Surface defect, Cross-sectional configuration, Cyclic fatigue, Brittle fracture, Ductile fracture, NiTi rotary files Ⅰ. 서론 * Corresponding author: Kee-Yeon Kum Department of Endodontics, Youngdong Severance Hospital College of Dentistry, Yonsei University Dokok-Dong, Kangnam-Gu, , Seoul, , Korea Tel: Fax: kum6139@yumc.yonsei.ac.kr 니켈티타늄 (NiTi) 전동식파일은 NiTi 합금의특성상스테인리스강파일보다유연하고탄성한계가높기때문에치근단전이나 ledge 등근관의변형을최소화할수있으며, 내구성이강하고비틀림힘에대한파절저항성이높아만곡근관에서효율적으로사용할수있다 1). 본연구는 2003 년도연세학술연구비의부분지원을받아이루어진연구임 267

2 대한치과보존학회지 :Vol. 29, No. 3, 2004 그러나니켈티타늄 (NiTi) 전동식파일은육안으로관찰할수있는구부러짐이나풀림등의소성변형없이기구의탄성한계내에서갑작스럽게파절되는경우가있는데, 만곡근관내에서기구가회전하는동안만곡의안쪽에는압축응력이만곡의바깥쪽에는인장응력이주기적으로가해짐으로써표면에미세파절과균열이발생하고전파되어결국피로파절을일으키기때문이다 2). Mize 1) 는반복응력을받은니켈티타늄 (NiTi) 전동식파일을주사전자현미경 (SEM) 으로관찰한결과균열이형성되면서파절이진행되는것을발견하였고, Pruett 2) 와 Haikel 3) 은반복응력하에서파절된니켈티타늄 (NiTi) 전동식파일을주사전자현미경으로관찰시연성파절양상을나타낸다고보고하였다. Kuhn 4) 등은사용하지않은 NiTi 파일을구부려서응력을받게한상태에서주사전자현미경으로관찰한결과기계가공과정에서발생한균열, 미세결함, 긁힌자국및불균질성등을발견하였다. Karn 5) 은표면결함을갖는니켈티타늄 (NiTi) 전동식파일을산화알루미늄마모제가들어있는 tumbler 에넣고회전시켜표면결함을제거함으로써파절저항성이증가함을보고하였다. 이처럼니켈티타늄 (NiTi) 전동식파일의표면결함은균열의핵으로작용할수있고특히만곡근관내에서반복적인응력의작용은조기파절을일으키는원인이될수있다. 니켈티타늄 (NiTi) 전동식파일을이용한이전의피로파절에대한연구들은파일의직경이나경사도 (taper), 단면형태및회전속도등이피로파절에큰영향을미친다고보고되고있다 1-3,6). 특히니켈티타늄 (NiTi) 전동식파일의단면형태, 즉횡단면적은비틀림, 굽힘등의물리적성질을직접적으로결정하기때문에매우중요한요인으로작용할수있다. 따라서본연구의목적은주사전자현미경을이용하여니켈티타늄 (NiTi) 전동식파일의표면결함이반복응력하에 서파일의조기파절을일으킬수있는지알아보고, 또한파일의단면형태가반복응력하에서피로파절에어떠한영향을미치는지알아보기위한것이다. 1. 실험재료 Ⅱ. 재료및방법 가. 전동식 NiTi 파일 ProFile (Maillefer, Dentsply, Ballaigues, Switzerland), HERO 642 (MicroMega, Besancon, France), K3 TM (SybronEndo, CA, USA) 세가지종류의니켈티타늄 (NiTi) 전동식파일을사용하였다. 각각의파일은길이 21mm 의 #30/.04 taper 를선택하였다 (Figure 1). 각파일에서의횡단면의단면적 (cross sectional configuration area) 은먼저파일을투명레진을이용하여매몰한후파일끝 5mm 부위를 microtome (ISOMET TM, Buehler, Illinois, USA) 을이용하여절단한후주사전자현미경 (HITACHI, Tokyo, Japan) 하에서 150 배율로단면을촬영하였다. 촬영된단면상은스캔후 Scion Image software program (NIH) 을이용하여 core 의단면적 (mm 2 ) 을계산하였다. 나. 실험군의분류실험군은니켈티타늄 (NiTi) 전동식파일표면에인위적으로표면결함을만든군으로 K3 TM, ProFile 및 HERO 642 파일각각 10 개씩총 30 개의니켈티타늄 (NiTi) 전동식파일을엔진구동형핸드피스 (Anthogyr instrument, Sallanches, France, 16:1 감속 ) 에연결하여 300rpm 으로회전시키면서고정된다이아몬드디스크와접촉시켜서파일끝 5 mm 이내에표면결함을형성하였다. 대조군은 200 배로확대한현미경상에서파일끝 5 mm 이내의삭제 [ K3 ] [ PROFILE ] [ HERO ] Figure 1. Cross-sectional configuration of K3 TM, ProFile, and HERO

3 Table 1. Study Design of control and experimental groups. Group Control Experiment (No surface defect) (Surface defects) Sample No. K3 TM #30/.04 #30/ ProFile #30/.04 #30/ HERO 642 #30/.04 #30/ 이부위를다시고배율 (500 배, 1000 배 ) 로관찰하여취성파절, 피로균열성장, 연성파절등파절면의특징을확인하였다. 4. 통계분석 파절회전수에대한평균값과표준편차를토대로각파일에서실험군과대조군간의통계학적유의성은 Wilcoxon Rank Sum Test 를사용하여검증하였고, 단면형태가다른 3 파일과파절저항성과의유의성은 Kruskal-Wallis Test 를사용하여 95 % 수준에서검증하였다. Figure 2. The apparatus developed for fracturing NiTi rotary files under cyclic loading (Schneider s curvature: 40 ). 1. 파절회전수 Ⅲ. 실험결과 날부위에결함이없는군으로 K3 TM, ProFile 및 HERO 642 파일각각 10개씩총 30개를사용하였다 (Table 1). 2. 실험장치의설계및파절회전수측정 금속판에파일끝 5 mm 부위에서 Schneider 만곡도로 40 의만곡을이루도록금속핀을고정시켰다. 각금속핀의표면에는파일이금속판에수평을이루고회전시흔들리지않도록수평으로홈을형성하였다 (Figure 2). 엔진구동형핸드피스를지지대를이용하여금속판에고정한후니켈티타늄 (NiTi) 전동식파일을핸드피스에끼우고금속핀사이에위치시켰다. 엔진구동형핸드피스를전기모터 (Nm up-1500 motor, Nouvag Co., Switzerland) 에연결하고 300rpm 으로회전시켜서파일이파절될때까지초시계를이용하여파절시간을측정하고, 분당회전수 (rpm) 을이용하여파절회전수를계산하였다. 3. 주사전자현미경을이용한파절단면의분석 실험군과대조군에서각군당 5 개씩임의로선택하여파절단면을 S-800 주사전자현미경 (HITACHI, Tokyo, Japan) 으로관찰하였다. 먼저전체파절면을저배율 (150 배 ) 로관찰하여파절이시작되는지점 ( 기시점 ) 을확인하고, 실험군과대조군총 60 개파일의파절시간을측정하고, 파절회전수를계산하여기록하였다. 통계분석결과표면결함을갖는실험군이대조군에비해전반적으로낮은파절회전수를기록하였으며, 특히 K3 TM 파일군은표면결함을유발시킨실험군이대조군에비해유의성있는낮은파절회전수를나타냈다 (Table 2, p < 0.05). 파일의단면형태 ( 단면적의크기 ) 와측정된파절회전수와의비교시실험군과대조군모두에서단면적이제일큰 K3 TM 파일에서통계적으로유의성있게낮은파절회전수를나타냈다 (Table 3, p < 0.05). 2. 주사전자현미경을이용한파절단면의분석 실험군의파일표면을주사전자현미경으로관찰시큰홈, 스크래치, 결함부위등이관찰되었다 (Figure 3). 저배율에서관찰된파절단면의양상은취성파절로시작하여연성파절로이행되는양상이뚜렸히나타났다. 취성파절부위를고배율로보면표면에서발생한홈이나하방의표면손상부위에서파절이시작되어취성파절의특징인빗살무늬를나타내고, 여기에서미세공 (microvoid) 이유합된양상을보이는연성파절로이행되는형태를보였다 (Figures 4 7). 269

$대한치과보존학회지 :Vol. 29, No. 3, 2004 Table 2. Mean number of cycles to fracture and statistical comparison between control and experimental group of each file system.$ $significant at p < 0.05 (Wilcoxon Rank Sum Test). NS: Non-significant Number of cycles to fracture = Time to fracture (sec) 5 (300 rpm = 300 cycles/min) Table 3.$ Group Cross-sectional Control Experimental Statistical area(mm 2 ) (Mean ± SD) (Mean ± SD) significance K3 TM 0.401 ± 0.008 255 ± 48 198 ± 54 ProFile 0.382 ± 0.

$008 393 ± 29 360 ± 80 Statistically significant between cross sectional area (D5) and number of cycles to fracture (Kruskal-Wallis test, p < 0.05) Figure 3.$ $A SEM image of the fractured surface of HERO 642 file after cyclic loading: a control group ( 150). Figure 5.$

4 대한치과보존학회지 :Vol. 29, No. 3, 2004 Table 2. Mean number of cycles to fracture and statistical comparison between control and experimental group of each file system. Group Control Experiment Statistical Mean ± SD Mean ± SD difference K3 TM 255 ± ± 54 S ProFile 429 ± ± 99 NS HERO ± ± 80 NS S: Statistically significant at p < 0.05 (Wilcoxon Rank Sum Test). NS: Non-significant Number of cycles to fracture = Time to fracture (sec) 5 (300 rpm = 300 cycles/min) Table 3. Statistical comparison between the number of cycles to fracture and the cross sectional configuration area at 5 mm level. Group Cross-sectional Control Experimental Statistical area(mm 2 ) (Mean ± SD) (Mean ± SD) significance K3 TM ± ± ± 54 ProFile ± ± ± 99 HERO ± ± ± 80 Statistically significant between cross sectional area (D5) and number of cycles to fracture (Kruskal-Wallis test, p < 0.05) Figure 3. A SEM image of surface defect (arrow) of K3 TM (experimental group, 150). Figure 4. A SEM image of the fractured surface of HERO 642 file after cyclic loading: a control group ( 150). Figure 5. A higher magnification view of the rectangular area shown in Figure 4. Ultimate ductile fracture region that are typically characterized with microvoid formation and dimpling are seen ( 1000). Figure 6. A SEM image of the fractured surface of ProFile after cyclic loading (experimental group, 150): The left square area shows a region of brittle fracture (BF) which transit to ultimate ductile failure (DF). Figure 7. A higher magnification view of brittle fracture (BF) area shown in Figure 6. A region of brittle fracture is shown originating from the pre-existing surface defects ( 500). 270

5 Ⅳ. 총괄및고찰 Karn 5) 은임상사용중파절된 11개의전동식 ProFile 과 Quantec 파일의파절단면을 SEM으로관찰한결과다수의단면에서기계가공과정에서존재했던표면의균열이전파되어발생하는취성파절의양상을보고하였다. 그는이러한표면결함이파절에미치는영향을평가하기위해서 NiTi 파일을산화알루미늄마모제와함께회전시켜표면결함을제거한후굽힘, 비틀림응력을가하였을때파절저항성이상대적으로증가함을보고하였다. 그는이러한표면결함을제거한파일은전반적으로표면결함의크기가작게나타났고, 이것이파절회전수를증가시킨요인이라고보고하였다. 본실험에서는반대로실제임상에서전동식 NiTi 파일의반복사용에따른삭제날의마모로인해표면결함이존재하는경우반복응력의부여후피로파절에미치는영향을평가하고자하였다. 실험결과측정된파절회전수는표면결함을유발시킨실험군에서대조군에비해일관되게낮은파절회전수를보였으며, 특히 K3 TM 파일군에서는두군간에통계학적으로유의성이있는낮은파절회전수를나타냈다. 그러나표면결함의깊이나위치가일정하지않았기때문에실험군내에서의파절회전수는다양한값으로나타났다 번의회전이하에서어떤물질의파절이일어나는것을저회전피로 (low-cycle fatigue) 라고하는데, 본실험에서는실험군과대조군모두에서파절회전수가 500회이하로나타났다. 이렇게적은회전에서기구의파절이일어나는것은재료에탄성한계이상의응력이가해졌거나혹은기존에존재했던표면결함때문에반복응력이가해졌을때피로균열성장단계의 90% 이상을차지하는기시단계가짧아진것이원인이될수있다 5). 그러나본실험상에서는탄성한계이상의응력이가해졌기보다는후자의원인에의해저회전피로가일어난것으로사료된다. 특히이러한표면결함부위가최대만곡부위와중첩될경우에는균열의진행이촉진되어더빨리파절되는결과를나타낼수있다. Turpin 7) 등은서로다른단면형태를갖는 NiTi 파일을 3차원적으로재구성하여분석한결과 triple helix 단면이 triple U 단면보다단면적이 30% 정도커유연성은떨어지지만굽힘이나비틀림저항성은 2배정도강하다고하였다. 또한 triple helix는응력이균등하게분배되기때문에파절저항성이강하지만 triple U 단면은응력이삭제날부위에집중되기때문에파절에취약하다고하였다. 한편본실험에서사용된 3 가지파일의치근단 5 mm level (D5) 에서측정된단면적은 K3 TM (0.403) 및 HERO 642 (0.399), 파일이 ProFile (0.382) 보다약 30% 정도크게측정되 었다. 따라서이론적으로는횡단면적이제일큰 K3 TM 파일에서파절저항성이가장크게나타나야하지만오히려횡단면적의크기에반비례한결과로나타났다. 따라서본연구결과만으로볼때만곡근관내에서전동식 NiTi 의파절역학에관여하는요인가운데파일의횡단면적은크게영향을미치지않는것으로보인다. 그러나본실험조건은응력이최대만곡부위인파일끝 5mm 이내에만집중되고파일의나머지부위는응력을받지않는상태였기때문에 Turpin 7) 의결과와직접비교하기는어렵고또한실제임상에서는파일의 flute design에따라근관내에서형성되는상아질잔사의배출정도가각기다르기때문에이들변수가파절에큰영향을미칠수있음을 8) 고려해야할것이다. 따라서추후실제임상조건과같은표준화된상태에서파절역학에관한실험이계속되어야할것으로사료된다. 한편주사전자현미경상에서관찰된파절단면의양상은실험군과대조군이크게다르지않았으며취성파절로시작하여연성파절로이행되는소견을뚜렷이관찰할수있었다. 연성파절은재료가충분히소성변형을일으켜외부형상이변화된후발생하는파절로파절단면상에서는특징적으로분화구모양의미세공 (microvoid) 이유합된형태로관찰되었다. 한편취성파절부위를고배율로보면피로에의한균열이진행되어생기는피로줄무늬 (fatigue striation) 가관찰되었는데, 이것은균열이성장하면서전파와중단의과정이반복되기때문으로사료된다. 금속의피로균열의성장단계는특징적으로균열의기시, 전파, 연성파절의 3단계로나타나는데 6), 연구결과 1단계기시부위는항상파일표면에존재했던손상부위와연관되어나타났다. 한편본실험에서파절회전수를기록하기위해사용된측정장치는파일이 pecking motion 이아닌고정된위치에서연속적으로회전시켜반복응력을주었기때문에실제임상처럼만곡근관내에서파일이받는응력을정확히재현할수는없지만간단하게 NiTi 파일의피로파절을평가하는데이용할수있을것으로사료된다. 향후파일의 pecking motion 을재현하면서피로파절을평가할수있는실험장치의개발이필요하리라사료된다. 결론적으로 NiTi 파일의표면결함이진행되어발생한균열과반복피로에의한균열을독립적으로구별하기는어렵지만파절기시점으로작용하여파절에중요한역할을하고임상사용시파일의조기파절의한원인이될수있을것으로사료된다. Ⅴ. 결론 본연구는주사전자현미경 (SEM) 을통해서전동식니켈티타늄 (NiTi) 파일의표면결함이반복응력하에서파일의조기파절의원인이될수있는지, 또한 NiTi 파일의 271

6 대한치과보존학회지 :Vol. 29, No. 3, 2004 단면형태가반복응력하에서피로파절에영향을미치는지알아보기위한것이다. #30/.04 크기의 K3 TM, ProFile, HERO 642 세종류의전동식 NiTi 파일을사용하였고, 실험군에는파일끝 5 mm 이내에인위적으로표면결함을유발시켰다. 40 도의만곡을재현시킨실험장치에파일을고정후 300 rpm 으로회전시켜파절회전수를측정하였고, 파절단면은주사전자현미경으로파절양상을관찰하여다음과같은결과를얻었다. 1. 표면결함을갖는실험군이대조군에비해일관되게낮은파절회전수를나타내었으며, 특히 K3 TM 파일에서는두군간에유의성있는차이를나타냈다 (p < 0.05). 2. 파절단면을주사전자현미경으로관찰한결과취성파절로시작하여연성파절로이행되는양상이뚜렷하게알수있었다. 3. 단면형태 ( 단면적 ) 에따른파절저항성을비교했을때단면적이큰 K3 TM 파일에서실험군및대조군모두가장낮은파절회전수를나타냈다 (p < 0.05). 본실험조건하에서전동식 NiTi 파일의횡단면적은파절저항에크게영향을미치지못하는것으로나타났으며, 오히려기계가공과정이나반복사용중에발생할수있는표면의결함이피로파절로진행될수있음을알수있었고, 이러한표면결함은 NiTi 파일의임상사용시조기파절의원인중하나가될수있을것으로사료된다. 참고문헌 1. Mize SB, Pruett JP, Clement DJ, Carnes DL. Effect to sterilization on cyclic fatigue of rotary nickel-titanium endodontic instruments. J Endod 24(12): , Pruett JP, Clement DJ, and Carnes DL. Cyclic fatigue testing of nickel-titanium endodontic instruments. J Endod 23(2):77-85, Haikel Y, Serfaty R, Bateman G, Senger B, Allemann C. Dynamic and cyclic fatigue of engine-driven rotary nickel-titanium endodontic instruments. J Endod 25(6): , Kuhn G, Tavernier B, and Jordan L. Influence of structure on Nickel-Titanium endodontic instrument failure. J Endod 27(8): , Karn T. Fractographic analysis of experimentally separated NiTi rotary files. MS Thesis, University of Connecticut, Li UM, Lee BS, Shih CT, Lan WH, Lin CP. Cyclic fatigue of endodontic nickel-titanium rotary instruments: static and dynamic tests. J Endod 28(6): , Turpin YL, Chagneau F, Vulcain JM. Impact of two theoretical cross-sections on torsional and bending stresses of nickel-titanium root canal instrument models. J Endod 26(7): , Jeon IS, Spangberg LSW, Yoon TC, Kazemi RB, Kum KY. Smear layer production of three NiTi rotary reamers in straight root canals. A SEM study. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol and Endodon, 96(5): ,

012임수진

012임수진 Received : 2012. 11. 27 Reviewed : 2012. 12. 10 Accepted : 2012. 12. 12 A Clinical Study on Effect of Electro-acupuncture Treatment for Low Back Pain and Radicular Pain in Patients Diagnosed with Lumbar