Endodontic instruments made of fibre-reinforced polymer composites : preliminary FEM and experimental investigations

• Autorzy: Modler N. , Hufenbach W. A. , Gäbler S. , Gottwald R. , Schubert F. , Dannemann M.

Warianty tytułu

PL

Endodontyczne narzędzie wykonane z kompozytów włóknistych : wstępne badania FEM i eksperymentalne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Conventional needle-shaped instrument tips under ultrasonic excitation for root canal treatment made of nickel titanium (NiTi) alloys achieve a high cleaning performance, especially when inducing the cavitation phenomenon. Nevertheless, their tendency to spontaneous material failure is disadvantageous. Monolithic polymers, e.g. polyamide (PA) significantly reduce this risk, however, instrument tips made of this material are characterised by low cleaning performance. Fibre-reinforced polymers (FRP) exhibit the possibility to bear dynamic loads at higher life cycles than conventional metallic materials. The use of endless fibre-reinforced polymers allows the realisation of instrument tips offering good damage tolerance and cost-efficiency as well as a high cleaning performance. This paper focusses on preliminary numerical and experimental investigations necessary to prove the suitability of fibre-reinforced materials for endodontic instrument tips. The numerical investigations conducted using a standard FE-Method contain simulations of the eigenfrequencies. The accompanying experiments were done for optical detection of the cavitation effects induced by conventional and fibre-reinforced instrument tips. The calculations and tests of the novel instruments made of PA6 reinforced with carbon fibres (CF-PA6) demonstrate a significantly higher cleaning efficiency and a clear failure tolerant structural behaviour compared to conventional polymer and nickel titanium instruments. The investigations show a large number of influencing factors on the operation of fibre-reinforced instruments under ultrasonic excitation. In this context, further tests have to be done to qualify a potential clinical relevance.

PL

Konwencjonalne igłowe końcówki do leczenia kanałowego wzbudzane ultradźwiękami wykonane ze stopów niklu i tytanu osiągają wysoką wydajność czyszczenia, szczególnie poprzez wykorzystanie zjawiska kawitacji. Niekorzysta jest ich skłonność do samoistnego uszkadzania materiału. Polimery monolityczne, jak np. poliamid, znacząco zmiejszają to ryzyko, jednak narzędzia wykonane z tego materiału charakteryzują się niską wydajnością samoczyszczenia. Kompozyty włókniste umożliwiają przenoszenie obciążeń dynamicznych i osiąganie wyższej liczby ich cykli niż w przypadku typowych stopów metali. Zastosowanie kompozytów polimerowych wzmacnianych włóknami ciągłymi umożliwia ekonomiczną realizacje końcówek narzędzi o dobrej tolerancji na uszkodzenia oraz dużej skuteczności czyszczenia. Artykuł skupia się na wstępnych badaniach numerycznych i eksperymentalnych koniecznych do ustalenia przydatności komozytów włóknistych do endodontycznych końcówek narzędzi. Badania numeryczne wykonane przy użyciu typowych metod elementów skończonych zawierają symulacje częstotliwości własnych. Towarzyszące badania eksperymentalne zostały wykonane w celu optycznej detekcji zjawiska kawitacji wywołanego zarówno przez konwencjonalne, jak i wzmacniane włóknami końcówki narzędzia. Obliczenia i testy końcówek nowego typu narzędzi wykonanych z poliamidu 6 wzmacnianego włóknami węglowymi (CF-PA6) wykazują wyraźnie wyższą wydajność czyszczenia oraz odporność na uszkodzenia od typowych końcówek z tworzyw sztucznych i stopów niklu i tytanu. Badania wykazały znaczną liczbę czynników wpływających na działanie końcówek wykonanych z kompozytów włóknistych wzbudzanymi ultradźwiękami. W tym kontekście wymagane są dalsze badania w celu potwierdzenia ich przydatności klinicznej.

Słowa kluczowe

EN

endodontic instrument; needle-shaped instrument tip; root canal treatment; cavitation; ultrasonic excitation; fibre-reinforcement; experiment; numerical investigation

PL

narzędzia stomatologiczne; leczenie kanałowe; kawitacja; ultradźwięki; zbrojenie rozproszone; eksperyment; badania numeryczne

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 15, nr 2
• Strony: 95--100
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Modler N.

• Technische Universität Dresden, Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK), Holbeinstr. 3, 01307 Dresden, Germany

autor

Hufenbach W. A.

• Technische Universität Dresden, Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK), Holbeinstr. 3, 01307 Dresden, Germany

autor

Gäbler S.

• Dental surgery Dr. Gäbler, 01465 Langebrück, Germany

autor

Gottwald R.

• Technische Universität Dresden, Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK), Holbeinstr. 3, 01307 Dresden, Germany

autor

Schubert F.

• Technische Universität Dresden, Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK), Holbeinstr. 3, 01307 Dresden, Germany
• Department of Lightweight Structures and Polymer Technology, TU Chemnitz, Germany

autor

Dannemann M.

• Technische Universität Dresden, Institute of Lightweight Engineering and Polymer Technology (ILK), Holbeinstr. 3, 01307 Dresden, Germany

Bibliografia

• [1] Castagna F., Rizzon P., et al., Effect of passive ultrasonic instrumentation as a final irrigation protocol on debris and smear layer removal - a SEM analysis, Microsc. Res. Tech. 2013, 76, 5, 496-502.
• [2] v.d. Sluis, L., Ultrasonics in endodontics, Endo 2007, 11, 29-36.
• [3] Hülsmann M., Die Anwendung elektro-physikalisch-chemischer Methoden in der En-dodontie, ZWR, 2004, 85-96.
• [4] Hülsmann M., Die Aufbereitung des Wurzelkanals, [in:] D. Heidemann (Hrsg), Praxis der Zahnheilkunde, Band: Endodontie. München, Jena: Urban und Fischer, 2001. 80-116.
• [5] Macedo R., Verhaagen B., Rivas D.F., Versluis M., Wesselink P., van der Sluis L., Cavitation measurement during sonic and ultrasonic activated irrigation, J. Endod. 2014, 40, 4, 580-583.
• [6] Jiang L.M., Verhaagen B., Versluis M., van der Sluis L., Evaluation of a sonic device designed to activate irrigant in the root canal, J. Endod. 2010, 36, 1, 143-146.
• [7] Fragoudakis R., Saigal A., Predicting the fatigue life in steel and glass fiber reinforced plastics using damage models, Materials Sciences and Applications, 2011, 2, 596-604.
• [8] Wintermantel E., Ha S.W., Biokompatible Werkstoffe und Bauweisen, Springer Verlag, Berlin 1996.
• [9] Hufenbach W., Modler N., Gäbler S., Gottwald R., Schubert F., Ultraschallinstrument in Faserverbundbauweise (Ultrasonic instrument for treating teeth of e.g. human, has reinforcing component made of long or continuous fiber composite material, such that long or continuous fibers are extended in parallel along longitudinal axis). Patentanmeldung TU Dresden, DE102010050884A8, November 2010.
• [10] Mettin R., Untersuchung und Charakterisierung von Kavitationsblasenfeldern, [in:] D. Bathen, H. Schmidt-Traub (Hrsg.), Innovative Energieträger in der Verfahrenstechnik II, Shaker Verlag, Aachen, 2001. 31-37.
• [11] Nowak T., Mettin R., Lauterborn W., Holsteyns F., Frequenzskalierung von Doppelschicht-Kavitationsstrukturen, [in:] U. Jekosch, R. Hoffmann (Hrsg.), Fortschritte der Akustik - DAGA 2008 Dresden, Deutsche Gesellschaft für Akustik e.V. (DEGA), Berlin 2008. 469-470.
• [12] Luther S., Mettin R., Lauterborn W., Dynamik akustischer Blasenfelder, [in:] P. Wille (Hrsg.), Fortschritte der Akustik - DAGA 2000 Oldenburg, DEGA, Oldenburg 2000, 686-687.
• [13] Mettin R., Ohl CD, Lauterborn W., Modellierung der Strukturbildung bei akustischer Kavitation, [in:] P. Wille (Hrsg.), Fortschritte der Akustik - DAGA 97 Kiel, DEGA, Oldenburg 1997, 192-193.
• [14] Flemming M., Roth S., Faserverbundbauweisen: Eigenschaften; Mechanische, konstruktive, thermische, elektrische, ökologische, wirtschaftliche Aspekte, 1. Aufl. Berlin, Springer-Verlag, Heidelberg 1992.
• [15] NN. Produktprogramm und Eigenschaften für Tenax® HTA/HTS Filamentgarn, Toho Tenax Europe GmbH, Wuppertal 2008.
• [16] NN. Infoblatt No. 4, Ausgewählte Eigenschaften von NiTi-Legierungen, Memory-Metalle GmbH, Weil am Rhein 2009.
• [17] Reuver H., von Stetten O., Modelle zur Darstellung und Untersuchung hochdynamischer Effekte bei der Wurzelkanalspülung, Z. Endodontie 2008, 4, 397-409.