Kiến thức về các đặc tính của dụng cụ nội nha niken-titan (hợp kim NiTi) và mối liên hệ của chúng với các đặc tính rất hữu ích để các bác sĩ lâm sàng hiểu được hoạt động của chúng trong ống tủy và giúp họ đưa ra quyết định về dụng cụ nào phù hợp cho từng trường hợp nhất định. Chương này tóm tắt các đặc tính luyện kim của dụng cụ nội nha NiTi, đặc biệt tập trung vào thế hệ dụng cụ NiTi mới nhất. Tác động của những sửa đổi này đối với tính chất cơ học của chúng sẽ được thảo luận.

Giới thiệu và phân loại các pha hợp kim NiTi hiện nay

Dụng cụ niken-titan đã được Walia và các đồng nghiệp mô tả cách đây 30 năm và mang lại bước đột phá lớn cho việc sửa soạn ống tuỷ, giúp giảm hầu hết các biến chứng do dụng cụ gây ra (thường liên quan đến các trâm thép không gỉ). Thành phần của dụng cụ NiTi nội nha là 56% niken và 44% titan tính theo trọng lượng, cũng được biểu thị bằng tỷ lệ nguyên tử 1:1 giữa các nguyên tố.

Cấu trúc tinh thể của NiTi có thể tồn tại ở ba trạng thái khác nhau (austenite, martensite và R-phase), ảnh hưởng đến tính chất vật lý của hợp kim. Hợp kim niken-titan có đặc tính siêu đàn hồi và khả năng ghi nhớ hình dạng. Tính siêu đàn hồi có liên quan sự biến đổi pha của hợp kim khi ứng suất ở quá mức tới hạn, xảy ra khi nhiệt độ môi trường cao hơn nhiệt độ hoàn thiện austenite (Af) của vật liệu. Sự biến đổi martensitic do ứng suất gây ra này đảo ngược một cách tự nhiên khi giải phóng ứng suất, vật liệu sau đó trở lại hình dạng và kích thước ban đầu. Sự biến đổi martensitic đàn hồi nhiệt có thể đảo ngược này là lý do chính giúp tăng tính linh hoạt của dụng cụ NiTi so với dụng cụ bằng thép không gỉ truyền thống và tạo điều kiện thuận lợi cho việc đặt dụng cụ trong ống tuỷ cong.

Tính siêu đàn hồi xảy ra cùng với sự biến đổi pha thuận nghịch giữa austenite và martensite. Do đó, nhiệt độ biến đổi có ảnh hưởng quan trọng đến các tính chất cơ học và hoạt động của NiTi, chúng có thể bị thay đổi bởi những thay đổi nhỏ trong thành phần, tạp chất và xử lý nhiệt trong quá trình sản xuất. Đặc tính khác biệt này của hợp kim NiTi đã tạo ra một cuộc cách mạng trong việc sản xuất dụng cụ nội nha.

Dụng cụ quay NiTi thương mại đầu tiên xuất hiện trên thị trường vào những năm 1990. Ngày càng có nhiều trâm nội nha NiTi siêu đàn hồi với các thiết kế hình học khác nhau xuất hiện trong 20 năm qua. Mặc dù đã có sự cải thiện đáng kể trong những vấn đề thiết kế và phương pháp chế tạo trâm, nhưng gãy dụng cụ quay do mỏi theo chu kỳ vẫn là một mối lo ngại, đặc biệt là trong các ống tủy cong nghiêm trọng. Tính chất cơ học của hợp kim NiTi được xác định bởi tỷ lệ và đặc điểm tương đối của các pha cấu trúc vi mô. Xử lý nhiệt ảnh hưởng đến khả năng chống mỏi của dụng cụ NiTi và là một trong những cách cơ bản để điều chỉnh nhiệt độ chuyển pha của hợp kim NiTi.

Dụng cụ NiTi mới được chế tạo bằng quy trình cơ – nhiệt độc quyền như trâm M-Wire (ví dụ: ProFile GT Series X [Dentsply Tulsa Dental Specialties, Tulsa, OK, USA] và ProFile Vortex [Dentsply Tulsa Dental Specialties]), trâm nhớ được kiểm soát (CM) (ví dụ: HyFlex CM [Coltene Whaledent, Cuyahoga Falls, OH, USA] và Typhoon Infinite Flex NiTi [Clinician’s Choice Dental Products, Milford, CT, USA]) và dây R-phase (ví dụ: Twisted files [TF] [SybronEndo, Orange, CA, USA] và K3XF [SybronEndo]) đã được giới thiệu và được báo cáo là đã cải thiện tính linh hoạt và khả năng chống mỏi theo chu kỳ so với các trâm NiTi siêu đàn hồi truyền thống.

Hệ thống dụng cụ NiTi mới được sản xuất từ hợp kim NiTi được xử lý nhiệt có lớp bề mặt oxit titan (ProFile Vortex Blue [Dentsply Tulsa Dental Specialties], WaveOne Gold [Dentsply Sirona, York, PA, USA] và Reciproc Blue [VDW, Munich, Đức]) (Bảng 12.1), và khả năng chống mỏi tăng lên, bên cạnh đó còn có tính linh hoạt cao hơn so với các sản phẩm làm bằng hợp kim NiTi thông thường.

Phần lớn các trâm thương mại được sử dụng để tạo hình ống tuỷ đều được sản xuất từ NiTi và được dẫn động cơ học theo chuyển động quay liên tục. Năm 2008, Yared đã xác định được các góc không bằng nhau một cách chính xác theo chiều kim đồng hồ/ngược chiều kim đồng hồ sẽ cho phép một dụng cụ ProTaper chuyển động xoay lắc có kích thước 25, độ thuôn 08 (Dentsply Maillefer, Ballaigues, Thụy Sĩ) tạo hình dạng tối ưu cho hầu hết mọi ống tủy. Mặc dù kỹ thuật xoay lắc này đã thu hút được sự quan tâm đáng kể, nhưng trâm ProTaper F2 chưa bao giờ được thiết kế để sử dụng theo cách này.

Vào năm 2011, cả WaveOne (Dentsply Sirona) và Reciproc (VDW) đều được ra mắt dưới dạng kỹ thuật tạo hình một trâm. Cả hai đều được tạo từ M-Wire. Lợi ích của việc xoay lắc bao gồm giảm sự hình thành các vết nứt bên và giảm nguy cơ bị gãy do mỏi khi so sánh với chuyển động quay liên tục. Chuyển động xoay lắc làm cho trâm trải qua ít vòng quay hoàn chỉnh hơn và ít chu kỳ ứng suất kéo-nén hơn so với chuyển động quay liên tục, điều này có thể làm tăng khả năng chống mỏi theo chu kỳ. Nhiều năm sau, các trâm xoay lắc được xử lý nhiệt, WaveOne Gold (Dentsply Sirona) và Reciproc Blue (Hình 12.1), đã được ra mắt và chứng tỏ tính linh hoạt cao hơn so với các sản phẩm tiền nhiệm của chúng.

Tính chất của từng pha (Austenitic, Martinsitic, R-phase)

Sự khác biệt về tính chất cơ học giữa các dụng cụ nội nha NiTi nằm ở tính chất của các pha tồn tại trong hợp kim.

• Pha austenite (pha gốc, có cấu trúc tinh thể lập phương B2) tồn tại ở nhiệt độ cao hơn và bền hơn (khoảng 80-90 GPa).
• Pha martensite (có cấu trúc monoclinic B19′), tồn tại ở nhiệt độ thấp hơn, mềm hơn (khoảng 30-40 GPa) và linh hoạt hơn.

Khi NiTi martensitic được nung nóng vượt quá nhiệt độ bắt đầu biến đổi austenite (As), cấu trúc tinh thể của NiTi bắt đầu thay đổi thành austenite và sẽ trở thành austenite hoàn toàn sau khi được nung nóng qua nhiệt độ Af (finish Austenite) cao hơn. Sự biến đổi do nhiệt gây ra của martensite thành austenite là cơ sở của đặc tính ghi nhớ hình dạng của NiTi.

Ngược lại, khi austenite nguội đi, nó sẽ bắt đầu chuyển đổi thành martensite ở “nhiệt độ bắt đầu biến đổi martensite” (Ms) và sẽ hoàn thành quá trình chuyển đổi thành martensite ở “nhiệt độ kết thúc chuyển đổi martensite” (Mf). Sự chuyển pha từ austenite sang martensite cũng có thể do ứng suất gây ra (chẳng hạn như sự uốn cong dụng cụ), như đã thấy trong các hợp kim NiTi siêu đàn hồi, cho phép NiTi chịu được lượng ứng suất lớn hơn mà không làm tăng biến dạng.

Tính siêu đàn hồi của NiTi cho phép phục hồi hoàn toàn các biến dạng có độ biến dạng lên tới 8%, so với mức tối đa dưới 1% của các hợp kim khác như thép không gỉ. Để tận dụng tốt nhất đặc tính siêu đàn hồi của hợp kim NiTi, các hợp kim này phải ở trạng thái austenit. Nhiều trâm nội nha NiTi thông thường được làm bằng hợp kim NiTi siêu đàn hồi, ở trạng thái austenit ở nhiệt độ cơ thể. Chúng có thể được đưa vào ống tủy dễ dàng nhờ tính đàn hồi và linh hoạt cao, và khi có một lực bên ngoài tác động do ứng suất xoắn và ma sát của trâm với thành ống tủy, sự biến đổi martensitic do ứng suất gây ra sẽ xảy ra, tạo ra một vật liệu đàn hồi hơn với độ bền kéo cuối cùng cao. Bằng này, trâm hoạt động với lực cắt liên tục, ngay cả trong ống tủy có nhiều đường cong.

Khi hợp kim NiTi bị biến dạng ở trạng thái martensite, nó sẽ trải qua một biến dạng (strain) và hoàn toàn có thể phục hồi được khi nung nóng. Hành vi này được gọi là hiệu ứng nhớ hình dạng. Quá trình này được thúc đẩy bởi nhiệt và bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ chuyển đổi. Peters và cộng sự nhận thấy rằng các dụng cụ trong pha martensitic có thể dễ dàng bị biến dạng (ví dụ từ trâm thẳng thành trâm cong) và sẽ phục hồi hình dạng khi được nung nóng vượt quá nhiệt độ chuyển đổi (Hình 12.2).

Pha martensite dễ bị biến dạng ở ứng suất (stress) khá thấp, trong khi austenite có flow stress và yield strength cao hơn nhiều. Bên cạnh tính linh hoạt hơn austenite, pha martensite còn giúp giảm nguy cơ gãy trâm dưới áp lực cao vì nó có thể bị biến dạng dẻo chứ không bị gãy. Vì vậy, nhiều nỗ lực đã được dành để đưa martensite vào dụng cụ nội nha NiTi thương mại như dụng cụ nội nha M-Wire và CM.

Sự chuyển đổi pha martensite sang austenite và austenite sang martensite có thể xảy ra ở một hoặc hai giai đoạn, trong đó sự chuyển đổi hai giai đoạn liên quan đến sự hình thành pha R trung gian. Pha R là pha hình thoi không tương xứng với pha B2 lập phương. Sự biến đổi pha R xảy ra trước quá trình chuyển đổi B2- B19′ và thể hiện các đặc tính của sự biến đổi martensitic nhiệt đàn hồi, tức là các hiệu ứng ghi nhớ hình dạng và siêu đàn hồi.

So với quá trình biến đổi martensite/austenite, biến dạng có thể phục hồi của quá trình biến đổi pha R/ austenite (khoảng 0,5%) nhỏ hơn và độ trễ nhiệt độ cực kỳ nhỏ. Do đó, việc sử dụng chuyển đổi pha R trong thiết kế và chế tạo dụng cụ nội nha NiTi có tiềm năng để sản xuất các dụng cụ nội nha mới, sáng tạo. Twisted file được sản xuất bằng cách xoắn thanh NiTi thay vì mài thông thường nhờ phương pháp xoắn với hợp kim pha R, thể hiện khả năng chống gãy do mỏi cao hơn.

Thông thường, dụng cụ NiTi siêu đàn hồi tồn tại ở pha austenite ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ cơ thể (Hình 12.3), điều này hạn chế việc sử dụng chúng trong các ống tuỷ bị cong nghiêm trọng do độ cứng của dụng cụ và khả năng chống mỏi thấp. Xử lý nhiệt tạo ra dụng cụ NiTi linh hoạt và chống mỏi hơn bằng cách giải phóng sức căng bên trong của hợp kim và tăng nhiệt độ biến đổi pha của NiTi, tạo ra hợp kim martensitic nhiều hơn ở nhiệt độ phù hợp với lâm sàng.

Xử lý bề mặt hợp kim NiTi

Việc tăng cường bề mặt của dụng cụ NiTi giúp giảm thiểu các khiếm khuyết cố hữu và tăng độ cứng bề mặt cũng như độ linh hoạt, khả năng chống mỏi và hiệu quả cắt.

Các vết nứt nhỏ thường được hình thành đầu tiên trên bề mặt dụng cụ, biểu thị giai đoạn đầu tiên của hiện tượng mỏi. Do đó, việc xử lý để cải thiện độ nhẵn bề mặt sẽ ức chế quá trình hình thành vết nứt. Đánh bóng điện là phương pháp hoàn thiện các sản phẩm kim loại để có độ bóng cao, tạo điều kiện cho sự hòa tan có chọn lọc của vật liệu ở các đỉnh/cạnh sắc. Đánh bóng bằng điện đã được chứng minh là cải thiện khả năng chống mỏi của dụng cụ NiTi.

Tuy nhiên, đánh bóng bằng điện chỉ ảnh hưởng đến bề mặt của vật liệu NiTi. Lõi không thay đổi chứa các hạt tạp chất như titan carbonitride và niken-titan oxit. Các tạp chất là không thể tránh khỏi. Kích thước tạp chất trên bề mặt nhẵn của dụng cụ NiTi (chỉ 2-8 µm) thấp hơn kích thước khiếm khuyết tới hạn đối với vết nứt hoàn toàn (Hình 12.4 và 12.5). Do đó, những tạp chất nhỏ này không góp phần gây ra sự phá hủy nhưng có thể đóng vai trò là sự gián đoạn ứng suất cục bộ.

Các kỹ thuật xử lý bề mặt đã được báo cáo là cải thiện độ cứng bề mặt và khả năng chống mài mòn. Một số nhà sản xuất đã phát triển trình tự xử lý cơ nhiệt để tạo ra lớp oxit titan bề mặt, giúp cải thiện hiệu quả cắt và khả năng chống mài mòn.

Xử lý nhiệt sau gia công hợp kim NiTi

Xử lý nhiệt có tác động đến một số tính chất cơ học và đặc tính biến đổi của hợp kim NiTi. Quá trình xử lý nhiệt sẽ được thực hiện trước khi gia công dụng cụ để giảm độ cứng của hợp kim. Ứng dụng của quy trình này cũng được áp dụng sau khi cắt trâm, với mục đích biến hợp kim thành cấu trúc pha tinh thể hơi khác một chút, với các tính chất cơ học được nâng cao.

Khả năng cắt của dụng cụ nội nha phát sinh từ mối quan hệ phức tạp của nhiều yếu tố: hình dạng mặt cắt, độ cứng và độ sắc của lưỡi, thiết kế đầu tip, bôi trơn, v.v. Dụng cụ NiTi được xử lý nhiệt có độ linh hoạt và khả năng chống mỏi vượt trội so với dụng cụ quay NiTi thông thường. Các nghiên cứu phát hiện ra rằng dụng cụ NiTi được xử lý nhiệt (HyFlex CM) là dụng cụ cắt hiệu quả nhất khi tác động theo chiều ngang.

Các nghiên cứu lâm sàng đã chứng minh rằng các dụng cụ được xử lý nhiệt dường như mang lại những lợi ích đáng kể về hiệu quả, hiệu suất, độ bền và độ an toàn của các dụng cụ nội nha hiện đại.

Kết luận

Xử lý nhiệt, trước hoặc sau khi gia công các dụng cụ NiTi trong quá trình sản xuất, nhằm tạo ra điểm chuyển pha tối ưu hơn giữa các pha martensite và austenite. Với việc các dụng cụ mới ngày càng trở nên phổ biến, các bác sĩ lâm sàng có thể gặp khó khăn trong việc lựa chọn một trâm và kỹ thuật phù hợp. Dụng cụ Martensitic được ưu tiên sử dụng trong trường hợp ống tủy bị cong nặng hoặc ống tủy cong 2 lần. Điều quan trọng cần lưu ý là tất cả các dụng cụ đều có điểm mạnh và điểm yếu và các đặc tính đó dựa trên một số đặc điểm, bao gồm loại hợp kim, độ thuôn và thiết kế mặt cắt ngang.

Nguồn tham khảo: Ahmed, H. M. A., & Dummer, P. M. H. (2022). Endodontic advances and evidence-based clinical guidelines. Wiley-Blackwell.

Tự học RHM

• Website: https://tuhocrhm.com/
• Facebook: https://www.facebook.com/tuhocrhm
• Instagram: https://www.instagram.com/tuhocrhm/