El Tratamiento de Superficie de Carbono Tipo Diamante Mejora la Resistencia a la Fatiga de las Puntas Ultrasónicas

Resumen

Introducción: El objetivo de este estudio fue comparar E1-Irrisonic (Helse Ultrasonics, Ocoee, FL) e Irri Black (Helse Ultrasonics), una nueva punta ultrasónica con tratamiento de carbono similar al diamante, en cuanto a su diseño, metalurgia, microdureza, resistencia a la flexión y tiempo hasta la fractura bajo la prueba de fatiga oscilatoria.

Métodos: Se seleccionaron un total de 17 puntas ultrasónicas E1-Irrisonic y 17 Irri Black nuevas. La geometría de la punta y el acabado superficial se evaluaron utilizando microscopía electrónica de barrido. La composición elemental se definió mediante espectroscopia de rayos X por dispersión de energía. La dureza Knoop se calculó utilizando un probador de microdureza. La carga máxima requerida para desplazar el instrumento a 45° se registró en gramos/fuerza, la fatiga oscilatoria se midió en segundos en el momento de la fractura del instrumento, y el tamaño de los fragmentos separados se determinó en milímetros. Se utilizó la prueba t de Student para la comparación estadística (α = 5%).

Resultados: Los análisis de microscopía electrónica de barrido revelaron que el E1-Irrisonic tenía una punta de extremo plano, mientras que se observó una punta redondeada no cortante en el Irri Black. La superficie del E1-Irrisonic era más suave que la del Irri Black, que era irregular. Los análisis espectroscópicos de rayos X por dispersión de energía mostraron que las composiciones elementales de las puntas E1-Irrisonic e Irri Black eran consistentes con acero inoxidable y aleaciones de titanio-aluminio, respectivamente. El Irri Black mostró una resistencia a la carga de flexión significativamente mayor, un tiempo hasta la fractura bajo movimiento oscilatorio y una dureza Knoop que la punta E1-Irrisonic (P ˂ .05), mientras que la longitud de los fragmentos fue similar (P ˃ .05).

Conclusión: El tratamiento con carbono similar al diamante mejoró la dureza Knoop y redujo la flexibilidad de la punta ultrasónica Irri Black, mejorando su tiempo hasta la fractura bajo movimiento oscilatorio en comparación con la punta E1-Irrisonic no tratada. (J Endod 2023;49:301–306.)

La irrigación es un paso esencial para optimizar la limpieza y desinfección del conducto radicular al alcanzar áreas no tocadas por los instrumentos endodónticos. En casos necróticos, los desechos de dentina y la capa de lodo producida durante la preparación mecánica pueden estar infectados y pueden inactivar los medicamentos y los irrigantes del conducto radicular y/o bloquear su acceso al biofilm. Además, debido a la complejidad del sistema de conductos radiculares, la investigación ha demostrado continuamente que la irrigación convencional con una jeringa y agujas no logra limpiar los conductos laterales, extensiones ovaladas, istmos e irregularidades en las paredes del conducto radicular. Por lo tanto, para mejorar la desinfección, la irrigación debe proporcionar no solo un flujo adecuado del irrigante a lo largo del sistema de conductos radiculares durante la preparación quimio-mecánica, sino también una mejora en su flujo mediante una fuente de energía.

Richman es acreditado como el primer autor en reportar la aplicación de ultrasonido en endodoncia en 1957, pero fue solo en 1976 que Martin sugirió la activación de instrumentos endodónticos como un método principal de preparación y desbridamiento del canal en la terapia de conductos radiculares. Hoy en día, existen varios conceptos, sistemas y mecanismos disponibles para activar la solución irrigante, pero una de las técnicas más utilizadas es la irrigación activada por ultrasonido (IAU), que anteriormente se conocía como irrigación ultrasónica pasiva. La IAU se basa en la transmisión de una energía mecánica acústica a través de la solución irrigante por la acción de una fuente de energía acoplada a un insert o un archivo. La oscilación ultrasónica de este instrumento induce el flujo del líquido a su alrededor, lo que lleva a presiones alternas y tensiones cortantes en las paredes del canal radicular, optimizando la calidad de limpieza y desinfección en comparación con técnicas convencionales. Por otro lado, la naturaleza oscilatoria de la presión y la tensión cortante puede inducir fatiga al material, aumentando el riesgo de rotura. La efectividad de la IAU en un entorno clínico puede mejorarse insertando la punta ultrasónica a 2–3 mm de la longitud de trabajo en un canal radicular previamente ampliado a un tamaño apical mínimo de 30 o 35.

E1-Irrisonic (tamaño 20, 0.01 de conicidad; Helse Ultrasonics, Ocoee, FL) es una punta ultrasónica de acero inoxidable recomendada para la técnica UAI. Estudios previos demostraron su capacidad para mejorar la desinfección del canal y eliminar restos de tejido duro o de relleno. Recientemente, se lanzó al mercado una nueva generación de esta punta, la Irri Black (tamaño 20, 0.01 de conicidad; Helse Ultrasonic). Según el fabricante, este instrumento tiene el mismo diseño que su predecesor, pero se somete a un tratamiento de recubrimiento de carbono similar al diamante (DLC) con dopaje de capa con titanio, zirconio, niobio y otros elementos que añaden una capa negra en su superficie, lo que mejora la dureza, la resistencia química, la resistencia a la fractura y las propiedades tribológicas de la punta ultrasónica.

En la literatura, la mayoría de los estudios han probado el ultrasonido como un método primario de preparación del canal o como un complemento para la limpieza y desinfección, mientras que solo unas pocas publicaciones han explorado las propiedades mecánicas de las puntas ultrasónicas, como la eficiencia de corte y la resistencia a la rotura. Hasta ahora, ningún estudio ha evaluado las puntas ultrasónicas desarrolladas para la técnica UAI en cuanto a sus características metalúrgicas y propiedades mecánicas. Por lo tanto, el objetivo de este estudio fue comparar los instrumentos E1-Irrisonic e Irri Black en cuanto a su diseño, características metalúrgicas, dureza Knoop, resistencia a la flexión y tiempo hasta la fractura bajo una innovadora prueba de fatiga oscilatoria (OFT). La hipótesis nula probada fue que E1-Irrisonic e Irri Black no tenían diferencias significativas en los parámetros evaluados.

Materiales y métodos

Se seleccionaron y probaron al azar treinta y cuatro nuevas puntas ultrasónicas E1-Irrisonic (n = 17) e Irri Black (n = 17) en cuanto a diseño, acabado superficial, metalurgia, microdureza, resistencia a la flexión y fatiga oscilatoria.

Diseño y Acabado Superficial

En primer lugar, todos los instrumentos fueron inspeccionados visualmente en busca de defectos importantes, y no se descartó ningún instrumento. El diseño y el acabado superficial de las puntas ultrasónicas E1-Irrisonic (n = 3) e Irri Black (n = 3) se evaluaron mediante microscopía electrónica de barrido (S-2400; Hitachi, Tokio, Japón) a aumentos de X30, X150 y X400.

Metalurgia

Las puntas E1-Irrisonic e Irri Black se limpiaron por inmersión en un baño de acetona durante 2 minutos. Cada instrumento se montó en un soporte de muestra, se colocó en la cámara de un dispositivo de microscopía electrónica de barrido (S-2400) configurado a 20 kW y 3.1 A, y se posicionó a una distancia de trabajo de 25 mm de un detector espectroscópico de rayos X de dispersión de energía (Bruker Quantax; Bruker Corporation, Billerica, MA). Se creó un vacío durante ~10 minutos, y se realizaron adquisiciones (realizadas en un área de 400 μm X 400 μm) con un tiempo de vida de 60 segundos para condiciones de imagen optimizadas con ~30% de tiempo de muerte. El análisis elemental fue semicuantitativo utilizando la corrección ZAF, y los resultados se evaluaron en un software dedicado (Systat Software Inc, San José, CA). Se probaron dos puntas de cada tipo para confirmar los resultados, y cada instrumento se evaluó por triplicado.

Prueba de Microdureza

El tamaño de la muestra para esta prueba se calculó en base a la diferencia obtenida después de 3 mediciones iniciales realizadas en las puntas seleccionadas con un poder del 80% y un error tipo alfa de 0.05. Considerando el tamaño del efecto de 14.5, se establecieron un total de 6 indentaciones por grupo. Así, se seleccionaron 2 puntas E1-Irrisonic y 2 puntas Irri Black, y se realizaron 3 indentaciones en cada instrumento para un total de 6 indentaciones por grupo. La punta ultrasónica se estabilizó en un soporte acrílico, y el penetrador de diamante de un probador de microdureza Vickers HV-1000 (Sinowon, DongGuan, China) se posicionó sobre su superficie y se configuró para realizar una carga de presión de 100 g/fuerza durante 15 segundos. La evaluación de las indentaciones se realizó a X40, y los valores de microdureza se expresan como dureza Knoop.

Resistencia a la Flexión y OFT

El tamaño de la muestra se estimó para cada prueba tomando la diferencia obtenida después de 3 mediciones iniciales utilizando un nivel de potencia del 80% y un error tipo alfa de 0.05. Se determinaron un total de 4 y 2 instrumentos para la prueba de resistencia a la flexión (tamaño del efecto = 2.44) y la OFT (tamaño del efecto = 13.5), respectivamente, y el tamaño final de la muestra se estableció en 5 instrumentos por grupo para cada prueba. En la prueba de flexión, cada punta ultrasónica se posicionó a 45° en relación al suelo, mientras que sus 3 mm apicales estaban conectados a un cable conectado a una máquina de pruebas universal (Instron, Norwood, MA). Se registró la carga máxima requerida para desplazar el instrumento a 45° utilizando una carga de 20 N y una velocidad constante de 15 mm/min en gramos/fuerza. La OFT se realizó en un dispositivo que consiste en una unidad ultrasónica piezoeléctrica (Newtron Booster; Satelec Acteon, Me’rignac, Francia) operada a frecuencias de 28–36 kHz y funcionando automáticamente con configuraciones de potencia máxima (20/20). La punta ultrasónica se montó en ligero contacto con un trozo de alambre conectado a un cronómetro electrónico y se activó libremente en el aire bajo enfriamiento por agua de la unidad piezoeléctrica durante ciclos de 60 segundos, con 2 segundos entre cada ciclo (Fig. 1). Este proceso se repitió hasta que se observó la ruptura. En ese momento, se interrumpió el circuito eléctrico, la unidad ultrasónica se detuvo automáticamente y se registró el tiempo hasta la fractura en segundos. Luego, se midió la longitud del fragmento fracturado utilizando un calibrador digital (Mitutoyo, Aurora, IL).

Resultados

Los análisis de microscopía electrónica de barrido revelaron que el E1-Irrisonic tenía una punta final plana, mientras que se observó una punta redondeada no cortante en el Irri Black. La superficie del E1-Irrisonic era más suave que la del Irri Black, que era irregular. No había hoyos, defectos ni puntos de posible fractura en la superficie de ambas puntas (Fig. 2).

Los análisis espectroscópicos de rayos X por dispersión de energía mostraron que las composiciones elementales de las puntas E1-Irrisonic e Irri Black eran consistentes con acero inoxidable (Fe ⁓64.4%, Cr ⁓19.3% y Ni ~13.5%) y aleaciones de titanio-aluminio (Ti ⁓35.8% y Al ⁓54.5%), respectivamente (Fig. 3).

Irri Black mostró una resistencia a la carga de flexión significativamente mayor, tiempo hasta la fractura bajo movimiento oscilatorio y dureza Knoop que la punta E1-Irrisonic (P ˂ .05) (Tabla 1). No se observó diferencia en la longitud de los fragmentos medidos después del OFT (P ˃ .05) (Tabla 1).

Discusión

La fractura de instrumentos ha sido un hallazgo frecuente en la práctica clínica que podría poner en peligro la tasa de éxito del tratamiento endodóntico. En el pasado, hubo algunos informes sobre la rotura de archivos ultrasónicos durante la instrumentación del canal y puntas ultrasónicas en la preparación del extremo radicular. Estos contratiempos se atribuyeron a un manejo clínico inadecuado o defectos de fabricación y a la reducción de la resistencia debido al diseño del instrumento. Tales fracturas ocurrieron principalmente en los nodos de la punta vibrante, que es un punto de máxima tensión. El patrón de nodos y antinodos a lo largo de un instrumento impulsado ultrasónicamente es lo que determina el flujo en el axial, mientras que su multitud conduce a un patrón más complejo de microcorrientes a lo largo del instrumento. Por lo tanto, la evaluación de las principales características de los instrumentos utilizados para el tratamiento de conductos radiculares es necesaria para proporcionar una comprensión adecuada de su rendimiento mecánico. Este estudio presenta resultados originales e innovadores porque esta es la primera investigación que evaluó el diseño y comparó las propiedades metalúrgicas y mecánicas de 2 puntas ultrasónicas (E1-Irrisonic e Irri Black) desarrolladas para ser utilizadas como un paso adicional para mejorar la limpieza y desinfección del conducto radicular. Los análisis de los resultados rechazaron la hipótesis nula porque se observaron diferencias estadísticamente significativas en los parámetros evaluados.

Los análisis de los instrumentos E1-Irrisonic e Irri Black utilizando microscopía electrónica de barrido demostraron diferencias en la geometría de sus puntas, así como en su acabado superficial (Fig. 2). Aunque E1-Irrisonic mostró una punta de extremo plano, se observó una punta redondeada no cortante en Irri Black. Según el fabricante, el diseño de E1-Irrisonic e Irri Black (incluidas sus puntas) es el mismo, y solo difieren en términos de tratamiento DLC. Por lo tanto, se puede inferir que la punta redondeada no cortante de Irri Black es el resultado del tratamiento superficial DLC. Aunque estos instrumentos fueron diseñados para ser utilizados en conductos radiculares ya agrandados, la presencia de un borde afilado en la punta de E1-Irrisonic puede ser un riesgo para dañar la dentina, especialmente en conductos curvados. Es poco probable que este instrumento pueda causar un escalón en las paredes del conducto, pero dependiendo de las irregularidades creadas en el tercio apical, puede comprometer la calidad de sellado de los materiales de obturación en esta área; este es un tema que se explorará en estudios futuros. Por otro lado, la punta redondeada asociada con una sección transversal redonda del instrumento Irri Black ayudaría a prevenir estos contratiempos. Otra diferencia observada en estos instrumentos estaba relacionada con sus superficies. Irri Black mostró varias irregularidades en su superficie en comparación con E1-Irrisonic. Esta característica superficial también se puede encontrar en otros instrumentos sometidos al tratamiento de recubrimiento DLC, como se informa en la literatura. Se ha sugerido que estas irregularidades están asociadas con un tipo de delaminación del recubrimiento, un proceso relacionado con la pérdida de adhesión del recubrimiento a una superficie o entre capas de recubrimiento.

El análisis espectroscópico de rayos X dispersivos por energía reveló que las composiciones elementales de las puntas E1-Irrisonic y Irri Black eran consistentes con acero inoxidable y aleaciones de titanio-aluminio, respectivamente. Ozkomur et al. investigaron el efecto del recubrimiento de DLC sobre el titanio en el comportamiento de corrosión galvánica entre el titanio y la aleación de Ni-Cr y concluyeron que el recubrimiento de DLC puede servir como una capa de película aislante sobre la superficie, previniendo el acoplamiento galvánico. En otros estudios, se demostró que el proceso de recubrimiento de DLC también redujo la fuerza de fricción de los alambres y brackets ortodónticos. En conjunto, estos resultados sugieren que los instrumentos recubiertos con una capa de DLC están sujetos a menos fuerzas de fricción estática y cinética que el acero inoxidable, al tiempo que sirven como una barrera contra la corrosión galvánica, lo que puede resultar en una resistencia a largo plazo.

Solo hay unas pocas publicaciones que utilizan diferentes métodos para evaluar la resistencia a la fractura de las puntas ultrasónicas. Walmsley et al. utilizaron una balanza de doble plato y reportaron que la rotura era más probable que ocurriera en puntas con angulación y flexión excesivas. Lin et al. evaluaron la eficiencia de corte de las 3 puntas ultrasónicas diferentes (acero inoxidable, recubiertas de nitruro de zirconio y recubiertas de diamante) utilizadas para el tratamiento endodóntico ortogrado y reportaron que solo las puntas recubiertas de diamante se rompieron. Wan et al. compararon la rotura de 3 puntas ultrasónicas endodónticas al remover dentina de molares extraídos, y los resultados fueron consistentes con los observados por Lin et al. Una de las principales fortalezas de este estudio fue presentar una nueva propuesta para determinar el tiempo hasta la fractura de las puntas ultrasónicas bajo activación, que es el percance más común observado en la práctica clínica. En este estudio, el OFT se realizó en un dispositivo automático que consiste en una unidad ultrasónica que opera con ciclos de 60 segundos con períodos de descanso de 2 segundos en configuraciones de potencia máxima (20/20). Este montaje fue elegido porque en un estudio piloto la configuración de potencia recomendada por el fabricante (nivel de potencia del 10%) fue insuficiente para fracturar los instrumentos, incluso cuando se operó durante un largo período de tiempo. Utilizar las indicaciones del fabricante es un aspecto importante a considerar para el uso clínico de las puntas ultrasónicas probadas; sin embargo, desde un punto de vista metodológico, no permite medir el tiempo hasta la fractura. Además, estudios anteriores utilizaron configuraciones de potencia máxima al probar la resistencia a la fractura de otros tipos de puntas ultrasónicas. Por otro lado, aunque se puede argumentar que la falta de fractura de las puntas probadas operando bajo una configuración de baja potencia puede confirmar su eficacia, las puntas ultrasónicas desarrolladas para procedimientos de UAI también tienen un riesgo de fractura. Es de notar que el OFT se realizó sin curvar las puntas ultrasónicas, lo que podría haber contribuido a la falta de fractura bajo configuraciones de baja potencia. Esta fue una de las limitaciones de este estudio que podría ser probada en estudios futuros.

La prueba de dureza se realiza típicamente presionando un objeto (indentador) de dimensiones y carga específicas en la superficie de un material, con el objetivo de determinar su resistencia a la deformación permanente. En este estudio, los valores de dureza del Irri Black recubierto de DLC fueron significativamente más altos que los del instrumento de acero inoxidable E1-Irrisonic (Tabla 1). Un aumento en la dureza es a menudo la propiedad mejorada más notable observada en los instrumentos recubiertos de DLC. La mayoría de las películas de DLC son más duras que la mayoría de los materiales metálicos, y el recubrimiento de DLC proporciona valores de dureza que varían de

6–20 GPa dependiendo de las condiciones de deposición. Además, la literatura ha demostrado que el recubrimiento de DLC puede prevenir la corrosión y mejorar la resistencia al desgaste y la dureza cuando se aplica a la superficie de dispositivos médicos, lo que puede explicar el tiempo significativamente mayor hasta la fractura y la carga de flexión del Irri Black en comparación con la punta E1-Irrisonic (Tabla 1). El tiempo mejorado hasta la fractura de los instrumentos ultrasónicos recubiertos de DCL es beneficioso en la práctica clínica porque puede prevenir roturas inesperadas durante la activación de irrigantes dentro del sistema de conductos radiculares.

Sin embargo, es importante enfatizar que el proceso de recubrimiento también redujo significativamente la flexibilidad de la punta Irri Black (Tabla 1), un aspecto que debe ser evaluado en futuros estudios para determinar si esta reducción podría comprometer su eficiencia, especialmente cuando se utiliza en canales curvados.

Aunque este artículo reportó resultados originales utilizando un método novedoso para evaluar la resistencia a la fractura de puntas ultrasónicas, también presentó limitaciones. Por ejemplo, solo se utilizó 1 unidad ultrasónica, y el tiempo hasta la fractura puede diferir dependiendo del dispositivo. Las puntas también fueron probadas activándolas libremente en el aire bajo enfriamiento por agua y no sumergidas en un líquido o dentro del espacio del conducto radicular para simular su uso clínico. Finalmente, las puntas se mantuvieron rectas, y futuros estudios podrían llevarse a cabo utilizando el OFT en condiciones curvadas. De hecho, los fabricantes deben ser conscientes de las principales causas de fractura y utilizar principios científicos sólidos y control de calidad para desarrollar nuevas puntas ultrasónicas. De esta manera, se requieren más estudios sobre las propiedades mecánicas y metalúrgicas que afectan la resistencia a la fractura de las puntas ultrasónicas para que los clínicos estén mejor informados al seleccionar puntas para un procedimiento particular. Bajo las limitaciones de este estudio, se puede concluir que el tratamiento DLC mejoró la dureza Knoop y redujo la flexibilidad de la punta ultrasónica Irri Black, mejorando su tiempo hasta la fractura bajo movimiento oscilatorio en comparación con la punta ultrasónica E1-Irrisonic no tratada.

Autores: Emmanuel J. N. L. Silva, Bruno M. Crozeta, Jorge N. R. Martins, Thiago Moreira, Victor T. L. Vieira, Francisco Manuel Braz-Fernandes y Marco A. Versiani

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