NiTi歯内治療用ファイルの疲労寿命の解明：計算と実験の統合的研究

Unveiling the fatigue life of NiTi endodontic files: An integrated computational-experimental study.

抄録

根管治療で使用されるニッケルチタン（NiTi）回転ファイルは，根管内で遭遇する複雑な曲面形状と操作条件により，疲労とせん断損傷を経験する．これは、ファイルの早期破折につながり、重篤な合併症を引き起こす可能性がある。さまざまな要因がファイルの損傷にどのように関与しているかを包括的に理解することは、ファイルの機能寿命を向上させるために極めて重要である。本研究では，根管曲率半径，ファイルの根管曲率，および回転速度が，NiTi 歯内治療用ファイルの疲労寿命と破損モードに及ぼす複合的な影響について，計算と実験を統合したアプローチにより検討した．湾曲した管路形状内でのファイルの動的な動きを正確に再現する高度な有限要素シミュレーションを実施した．臨界応力／ひずみ値を抽出し，経験的疲労モデルに組み込んで歯内治療用ファイルの機能寿命を予測した．さまざまな管腔曲率と速度で人工的な湾曲管腔内でファイルを回転させた広範な実験により、検証を行った。管腔の曲率を60より大きくし，曲率半径を5 mmより小さくすると，特に360 rpmを超える回転速度において，歯内治療用ファイルの機能寿命が劇的に低下した．ひずみ振幅に基づくCoffin-Manson疲労モデルは、実験と最も近い一致を示した。管腔の曲率が低い場合にはせん断応力が損傷を支配し、管腔の曲率が高い場合にはせん断-疲労負荷の複合効果が顕著であった。この決定的な研究は、カナル曲率半径、カナル曲率、回転速度のような操作パラメータが、NiTiファイルの疲労損傷プロセスに相乗的にどのように影響するかを解明するものである。この知見は、これらの因子を最適化するための貴重なガイドラインを提供し、歯内治療用ファイルの機能寿命を大幅に延ばし、術中破損のリスクを低減する。検証された計算アプローチは，新しい設計のファイルの製造前の仮想テストと機能寿命の推定に強力なツールを提供する．

Nickel-titanium (NiTi) rotary files used in root canal treatments experience fatigue and shear damage due to the complex curved geometries and operating conditions encountered within the root canal. This can lead to premature file fracture, causing severe complications. A comprehensive understanding of how different factors contribute to file damage is crucial for improving their functional life. This study investigates the combined effects of root canal curvature radius, file canal curvature, and rotational speed on the fatigue life and failure modes of NiTi endodontic files through an integrated computational and experimental approach. Advanced finite element simulations precisely replicating the dynamic motion of files inside curved canal geometries were conducted. Critical stress/strain values were extracted and incorporated into empirical fatigue models to predict the functional life of endodontic files. Extensive experiments with files rotated inside artificial curved canals at various canal curvatures and speeds provided validation. Increasing the canal curvature beyond 60 and shorter curvature radii below 5 mm dramatically reduced the functional life of the endodontic file, especially at rotational speeds over 360 rpm. The Coffin-Manson fatigue model based on strain amplitude showed the closest agreement with experiments. Shear stresses dominated damage at low canal curvatures, while the combined shear-fatigue loading effects were prominent at higher canal curvatures. This conclusive study elucidates how operational parameters like canal curvature radii, canal curvature, and rotational speed synergistically influence the fatigue damage processes in NiTi files. The findings offer valuable guidelines to optimize these factors, significantly extending the functional life of endodontic files and reducing the risk of intra-operative failures. The validated computational approach provides a powerful tool for virtual testing and estimation of the functional life of the new file designs before manufacturing.