4種類ニッケルチタンファイルの周期疲労破折の比較研究
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(2) NiTi ファイル 4 種の周期疲労破折比較 109. 緒 言 ニ ッ ケ ル チ タ ン（NiTi） は 米 国 海 軍 兵 器 研 究 所 （Naval Ordnance Laboratory）にて 1961 年に形状記 憶効果が発見され，NITINOL（ニチノール）と名付け られた1）．1963 年に William J. Buéhler 博士らによって 形状記憶効果と超弾性効果を併せもつことが発表され た2）が，1980 年代初頭まで謎に包まれた材料であった． 歯内療法分野では 1988 年に Walia ら3）によって報告さ れている．そして 1990 年代に入り NiTi ロータリー ファイル（以下 NiTi RF）システムは市場に流通する ようになった．1889 年に根管形成用のハンドピース （低速で 360° 回転する）が開発されるものの，NiTi ファイルが登場する以前の根管拡大はステンレスス チール（SS）製のファイルで行われていた4）．SS ファ イルは柔軟性に乏しく，＃25 以上では号数が上がるほ ど硬くなるため5,6），解剖学的に湾曲している根管では 形成中に本来の根管形態から逸脱し，医原性の合併症 を起こす可能性があった4）．しかし NiTi ファイルの登 場により，その柔軟性と破折抵抗の高さから，湾曲根 管における追従性が改善され，医原性の合併症を少な くした7）．発生率は高くはないものの臨床において ファイル破折はいまだに問題となっている8,9）．ファイ ル破折には，湾曲した根管内で NiTi ファイルが回転 する際に，最大曲率点で引張応力と圧縮応力のサイク ルを繰り返すことで生じる周期疲労破折10～12）と，ファ イルの先端もしくはファイルの一部が根管に食い込ん だ状態で回転することによって生じるねじれ疲労破折 がある13）．近年ではファイルに機械的加工や特定の熱 処 理 を 施 す こ とで，柔軟性や疲労耐性を高 め て い る9,14～16）．そもそも NiTi 合金は高温相（オーステナイ ト相），低温相（マルテンサイト相）という温度変化に よって結晶構造が変化する特性（相変態）をもつ16）． NiTi ファイルに熱処理を施すことで，相変態挙動の変 化による金属特性の変化を利用することが行われてい る16～18）．NiTi ファイルは，形状回復温度よりも高い温 度にあるオーステナイト相の状態で使用すると超弾性 効果を発揮して真っ直ぐに戻ろうとする．またマルテ ンサイト変態を開始する温度よりも低い温度にあるマ ルテンサイト相もしくはマルテンサイト相＋オーステ ナイト相で使用する場合，NiTi ファイルは曲がった形 状が維持される．しかし変形したファイルはオーステ ナイト変態開始温度以上に加熱すると形状記憶効果で 真っ直ぐな元の形状に回復しようとする16）．臨床環境 温度である体温付近（約 37℃）においてマルテンサイ ト相の構造をもつ NiTi ファイルは，臨床環境温度下 でオーステナイト相の構造をもつ従来型の NiTi ファ. イルと違い超弾性効果は有さないが，塑性変形を起こ し柔らかくしなやかであり，オーステナイト相で設定 された NiTi ファイルより高い周期疲労破折抵抗が報 告されている17,19,20）．また，それに伴い実験環境温度が 周期疲労破折抵抗に影響を及ぼすことも確認されてい る21,22）． 本研究では臨床口腔内を想定し，実験環境温度を約 37℃に設定，湾曲根管を想定して，45° の湾曲角度を 付与したステンレス鋼製人工湾曲根管を用いて，NEX NiTi ファイルと，形態は同様だが，熱処理によって金 属特性を改良した NEX Ms NiTi ファイル，熱処理を 施されている Vortex BlueNiTi ファイル，RE fileCT NiTi ファイルを連続回転運動で使用し周期疲労破折 耐性および破折位置に関して一元配置分散分析を行っ た．. 材料および方法 新品未開封の NEX NiTi ファイル＃25/0.06,25 mm （GC）と NEX NiTi ファイル Ms ＃25/0.06,25 mm （GC），Vortex Blue NiTi ファイル＃25/0.06,25 mm （Dentsply Sirona：USA） ，RE ファイル CT NiTi ファ イル＃25/0.06,25 mm（ヨシダ）を無作為に各々 10 本 を 選 択 し た． 本 実 験 で は 熱 処 理 の 施 さ れ て い ない NEX NiTi ファイル 10 本を NX 群，熱処理の施された NEX NiTi ファイル Ms 10 本を MS 群，Vortex Blue NiTi ファイル 10 本を VB 群，RE ファイル CT NiTi ファイル 10 本を RE 群とし周期疲労破折までの時間と ファイル先端から破折断面までの破折の長さを計算し 評価した．試験用の人工根管は Plotino ら23）の実験を参 考にステンレス鋼製のメタルブロックを使用し，湾曲 角度の計測は Schnieder 法24），Pruett ら25）の曲率半径 を参考にした．人工根管は根尖部の大きさを＃60，根 管口部の大きさを＃140 とし，根管の湾曲角度は 45°， 曲率半径は 5 mm，テーパーは 08 に設定した（図 1）． 実験装置環境温度を臨床時口腔内を想定し，随時約 37℃となるようにヒーターおよび空調にて調整を行っ た．NiTi ファイルと試験用人工根管との間に摩擦抵抗 が起こらないように防錆潤滑剤の WD‒40（エステー） を使用した．根管形成用エンドモーターにはミニエン ドエンジン（白水）を使用し（図 2），連続回転運動は 回転数を 300 rpm，トルクは 1.0 N に設定した．ミニ エンドエンジンは 0.5 秒に 4 mm 上昇し，0.5 秒に 4 mm 下降する上下動を行う試験機（図 2）に取り付け た．試験機にはビデオカメラ（HC‒WX970M，パナソ ニック）とタイマー（H5CX，オムロン）を装着し， 破折までの時間を計測した．破折後はマンドレル末端 から破折断面まで長さをノギスにより計測し，元の長.
(3) 110 日歯内療誌 42（2）：108～116，2021 Table ₁ Result of experiment of time taken to fracture of instruments, length of fractured instruments 表 ₁ 周期的破折までの時間と破折片の長さ結果 グループ n＝10 NX 群 MS 群 VB 群 RE 群. Fig. ₁ The artificial canal block made of tempered steel with ₀．₆ mm apical diameter, and ₄₅ angle of curvature（Plastic cover is attached） 図 ₁ 本研究に使用した ₄₅ 度ステンレス鋼製人工根 管（プラスチックカバー装着済み）. 時間（秒）±SD 74.15±7.82 257.6±25.14 241.5±34.16 235.3±20.69. 破折片長さ（mm） ±SD 4.61±0.32 4.62±0.50 4.76±0.94 2.50±0.14. NX 群：NEX NiTi ファイル，MS 群：Nex Ms NiTi ファイル，VB 群：Vortex Blue NiTi ファイル，RE 群：RE ファイル CT NiTi ファイル 統計学的有意差あり（p＜0.01）. により有意水準 1％で検定を行った．計測値は平均± 標準偏差で表記した．. 結 果. Fig. ₂ The custom fabricated static cyclic fatigue testing device 図 ₂ 本研究に使用した試験装置. さより差し引くことによりファイル先端から破折断面 までの長さを測定した．周期疲労破折試験終了後の ファイル（MS 群，VB 群，RE 群のみ）の破折断面は 走査電子顕微鏡（JCM‒5700，日本電子）にて観察し た．試料は 60 秒間金‒パラジウムにてコーティング （JFC1600，日本電子）し，走査電子顕微鏡の加速電圧 を 10 kV，作業距離 8～12 mm，倍率を 200～1,500 倍 で観察した．周期疲労破折までの時間と破折片および 人工湾曲根管内においてファイル先端が根尖孔に達し た時の湾曲最大部までの距離は統計解析ソフトウエア （Microsoft Excel，Microsoft，USA）を用いて一元配 置分散分析後，Tukey‒Kramer 法による多重比較検定. 表 1 に各群の測定結果を示す．周期疲労破折までの 時間を計測したところ，MS 群（257.60±25.14 秒）， VB 群（241.5±34.16 秒），RE 群（235.3±20.69 秒） は NX 群（74.15±7.82 秒）に対して有意に長かった． なお，MS 群と VB 群，RE 群，これら 3 群間に有意差 （p＜0.01）は認められなかった．破折片の長さにおい て RE 群（2.50±0.14 mm） は NX 群（4.61±0.32 mm） ，MS 群（4.62±0.50 mm） ，VB 群（4.76±0.94 mm） に対して有意に短い長さで破折していた．なお， NX 群と MS 群，VB 群，これら 3 群間に有意差（p＜ 0.01）は認められなかった． 破折断面の走査電子顕微鏡での観察では，全群それ ぞれ，くぼみやクレーター状構造がみられた（図 3～ 10）．また，RE ファイル CT の先端から 2～3 mm の 断面コア形状は長方形～台形であることが確認された （図 11）．. 考 察 ₁ ．周期疲労破折時間について 現在市場に多くの機械加工および熱処理された NiTi RF が流通するなか，本実験では固定テーパーか つ断面形態が比較的類似した三角形もしくは凸状三角 形のファイルを選択することで，従来型の超弾性特性 をもった NiTi RF（NEX）と各メーカー独自の熱処理 を施した NiTi RF（NEX Ms，Vorex Blue，RE ファ イル CT）の周期疲労破折抵抗を比較した．また NiTi.
(4) NiTi ファイル 4 種の周期疲労破折比較 111. Fig. ₃ Scanning electron microscopic images of fractured files of NX group Crack initiation area（white arrow）, and dimple area outline（dotted line） indicates overload fast fracture zone 図 ₃ NX 群破折断面 SEM 像 矢印白：破折起始部分，点線囲み部分： くぼみ領域（過負荷の高速破壊領域）. Fig. ₄ Scanning electron microscopic images of fractured files of NX group Black arrow shows craters and white line shows dimples 図 ₄ NX 群破折断面 SEM 像 白線囲み部分：くぼみ（dimples），黒矢 印：クレーター（craters）. 合金は周囲温度や機械的負荷に応じて相変態が生 じ26,27），実験温度環境によって周期疲労破折耐性に変 動が生じることがわかっている21,22）ことから，本実験 では実験周囲環境温度を随時約 37℃となるように調 整した．その結果，周期疲労破折までに要する時間は NX 群では 74.15±7.82 （秒） ，MS 群では 257.6±25.14 （秒），VB 群では 241.5±34.16（秒） ，RE 群では 235.3 ±20.69（秒）で，NX 群と MS 群，VB 群，RE 群間 には統計学的有意差が認められた．しかし，MS 群，. Fig. ₅ Scanning electron microscopic images of fractured files of MS group Crack initiation area（white arrow）, and dimple area outline（dotted line） indicates overload fast fracture zone, River‒like radial marks（white lines） 図 ₅ MS 群破折断面 SEM 像 矢印白：破折起始部分，点線囲み部分： くぼみ領域（過負荷の高速破壊領域） ，白 線：放射線状マーク. Fig. ₆ Scanning electron microscopic images of fractured files of MS group Black arrow shows craters and white line shows dimples 図 ₆ MS 群破折断面 SEM 像 白線囲み部分：くぼみ（dimples） ，黒矢 印：クレーター（craters）. VB 群，RE 群間それぞれには統計学的有意差（p＜ 0.01）は認められなかった． 相変態温度において超弾性特性が発揮されるオース テナイト終了温度（以下 Af）と形状記憶特性が発揮さ れるマルテンサイト開始温度（以下 MS）は重要とな る．NEX NiTi ファイルはオーステナイト相での超弾 性特性を活かしたファイルであり，Af 温度は一般的な.
(5) 112 日歯内療誌 42（2）：108～116，2021. Fig. ₇ Scanning electron microscopic images of fractured files of VB group Crack initiation area（white arrow）, and dimple area outline（dotted line） indicates overload fast fracture zone, River‒like radial marks（white lines） 図 ₇ VB 群破折断面 SEM 像 矢印白：破折発生部，点線囲み部分：く ぼみ領域（過負荷の高速破壊領域），白 線：放射線状マーク. Fig. ₉ Scanning electron microscopic images of fractured files of RE group Crack initiation area（white arrow）, and dimple area outline（dotted line） indicates overload fast fracture zone, River‒like radial marks（white lines） 図 ₉ RE 群破折断面 SEM 像 矢印白：破折起始部分，点線囲み部分： くぼみ領域（過負荷の高速破壊領域） ，白 線：放射線状マーク. Fig. ₈ Scanning electron microscopic images of fractured files of VB group Black arrow shows craters and white line shows dimples 図 ₈ VB 群破折断面 SEM 像 白線囲み部分：くぼみ（dimples），黒矢 印：クレーター（craters）. Fig. ₁₀ S c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o scopic images of fractured files of RE group Black arrow shows craters and white line shows dimples 図 ₁₀ RE 群破折断面 SEM 像 白線囲み部分：くぼみ（dimples） ，黒矢 印：クレーター（craters）. 超弾性 NiTi RF の示差走査熱量測定分析（以下 DSC 28,29） と考えられ，MS 温度は 分析）から（16～31℃） 29～31） （12～20℃） と考えられる．つまり本実験下では完 全にオーステナイト相の状態であることがわかる． 一方 NEX MS NiTi ファイル（Ms‒2835） ，RE ファ イル CT NiTi ファイル（ASTM F2063‒2012）はメー カー独自の熱処理を施されたマルテンサイト相の結晶. 構造を豊富に含んだ形状記憶特性を活かした Con16,17,32） ファイル trolled Memory Wire（以下 CM‒Wire） であり，メーカーによって異なるが CM‒Wire の DSC 分析から Af 温度は （45～55℃）33,34）と報告されている． 本実験における NiTi RF はメーカーのカタログなどの 情報から NEX MS の Af 温度は 35℃，RE ファイル CT は約 60℃（As 温度は約 31℃）とされており，実験環.
(6) NiTi ファイル 4 種の周期疲労破折比較 113. 最大部は先端から 5 mm の位置，テーパーは 08 に設定 した．装置駆動時にメタルブロックと NiTi RF 間に生 じる摩擦抵抗や摩擦熱を抑えるために，潤滑油を用い た．. Fig. ₁₁ S c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o scopic images of RE file CT （ISO＝ #₂₅, taper＝₀．₀₄） The shape of the core is surrounded by a white line（Rectangle or trapezoid） ：Fatigue Striations 図 ₁₁ RE file CT #₂₅/.₀₄ 先 端 か ら ₂～₃ mm 部 SEM 像 白線囲み部分：ファイルコア部分形状 （core）. 境における 37℃では NEX Ms はオーステナイト相， RE ファイル CT はマルテンサイト相とオーステナイ ト相の混合相と考えられる．CM‒Wire は従来型の超 弾性 NiTi RF や M‒Wire NiTi RF と比較して大幅に周 期疲労破折耐性が向上しているという研究報告17,33,35） と一致しているものの，MS 群において実験環境では 超弾性特性が発揮されていると思われた。しかし，優 れた周期疲労耐性を示したことから，Af 温度と考えら れた 35℃はもしかしたら As 温度であり，37℃環境下 では依然としてマルテンサイト相とオーステナイト相 の混合相にあると思われる． さらに Vortex Blue NiTi ファイルも M‒Wire を加 工し熱処理を施したファイルであり36），従来型の超弾 性 NiTi RF や M‒Wire NiTi RF と比較して周期疲労破 折耐性が向上しているという報告37,38）と本実験におい ても一致していた．Af 温度は（36～39℃） ，MS 温度 は（28～31℃）と報告されている29,36）．つまり実験環 境下ではオーステナイトの超弾性特性は生じつつも結 晶構造としてはマルテンサイト相も含まれている可能 性があり，優れた周期疲労破折耐性を示したと考えら れる．今回実験で使用した装置は Plotino ら23）の実験に 基づき，使用するファイル形態に近似させたグルーブ を付与したメタルブロックを使用した．マルテンサイ ト相にある柔軟性に優れた NiTi RF は強い湾曲やダブ ルカーブの症例に向いているとの報告16）から本実験に 使用したメタルブロックの湾曲角度は Schnieder 法24） の角度計測を基準に 45° とし，曲率半径 5 mm で湾曲. ₂ ．周期疲労破折部位について 破折片の長さはすべての群において人工湾曲根管の 湾曲の最大部までの長さより短い結果となっている． 通常疲労破折は湾曲の最大部で起こり39），この部分に 圧縮と伸張が起こるためである．本実験での破折片の ，MS 群（4.62±0.50 長さは NX 群（4.61±0.32 mm） mm） ，VB 群（4.76±0.94 mm） ，RE 群（2.50±0.14 mm）であり，NX 群，MS 群，VB 群間に統計学的有 意差は認められなかったが，RE 群と NE 群，MS 群， VB 群間には統計学的有意差が認められた （p＜0.01）． 全群ともに湾曲の最大部までの距離（5 mm）よりも若 干短い長さで破折した理由は，人工メタルブロック根 管内でのファイルの拘束が若干緩く，人工根管内での ファイル軌道が一律でなく，ファイルにかかる荷重の 位置にズレが生じていた可能性10）や本実験では実際の 臨床における使用を模倣するために，ファイル回転運 動に加えてハンドピースの上下運動40）も行っていたこ とから，ファイルにかかる負荷の位置が分散されたこ とが原因と考えられる．しかしながら RE 群のみ明ら かに破折片の長さが短いことは，ファイルへの負荷の かかり方では解決できない．そのためファイル断面形 状を確認すべく，RE ファイル CT ISO size ＃25 taper 0.04 のファイルを破折が多かった約 2～3 mm 部分で 切断したところ，凸状三角形と考えられていた断面形 状は台形のような形状をしていることが確認された （図 9）．NiTi RF のファイルデザインでコアと外径の 寸法差が小さいと剛性が上がり，ねじれ耐性が上がる 反面，柔軟性が下がり周期疲労破折抵抗は下がるとい う報告41）から RE ファイル CT は先端から 2～3 mm の ところでファイルの断面形状が台形から三角形へと形 状変化している付近で破折したと推測する．今回ファ イルの断面のみ確認したが，ピッチの幅が狭いほど剛 性や最大応力が減少する，センターコアの形状が剛性 と相関する，断面外径よりもセンターコアのサイズと 剛性は相関するなどの報告42）もあることから，今回の 実験においてはファイルのピッチ幅やコア，フルート の深さなどファイルデザインが周期疲労破折に及ぼす 影響に関して精査していないため，今後更なる研究が 必要である． ₃ ．破折ファイル断面について 破折断面の観察において周期疲労破折に特徴的な放 射線状の破折起始部分（crack initiation area）と破折.
(7) 114 日歯内療誌 42（2）：108～116，2021 起始部分の先に広がる fatigue slow fracture zone と過 重負荷により生じるくぼみ状構造（dimple）で占めら れる overload fast fracture zone が観察できた．破折 起始部分はほとんどが刃先付近で確認されたことは， 過去の報告17）と一致しており，overload fast fracture zone の典型的な特徴は破折起始部分から最も離れた ところで観察できるという報告17）とも一致している． 実験したファイルにおいてこれらの特徴は類似してい るものの，overload fast fracture zone の広さや dimple の生じる量などは，金属の組成によって違う可能 性もある．実際に一般的な超弾性 NiTi RF はニッケル の含有量が 54.5～57Ni％wt であるのに対し，CM‒ Wire NiTi RF は 52Ni％wt であり，ニッケルの含有量 が少ないことが報告されている43）．また，CM‒Wire NiTi RF はニッケルの含有量を少なくすることで，柔 軟性が向上し，曲げ抵抗が少なく湾曲根管に適してい るという報告44）もあることから，金属組成に関しても 更なる研究が必要である． 本実験においてエンドモーターの回転数は低く保つ ほうが周期疲労破折を防げるという報告45）からメー カー推奨値よりも低く設定し回転数は 300 rpm で行っ たところ，周期疲労破折耐性は熱処理されたファイル が優れているという報告17,32,35,37,38）と同様の結果と なった． 今回の実験からもメーカー独自の熱処理された 3 種 類の NiTi RF が従来型の超弾性特性 NiTi RF よりも周 期疲労破折耐性に優れていることが証明されたが， ファイルデザインやエンドモーターの回転数，トルク 設定などを組み合わせた更なる調査が必要とされる．. 結 論 本実験から口腔内温度を模倣した環境下（37℃）に おいて，NEX NiTi ファイルは周期疲労破折に関して NEX MS NiTi ファイル，Vortex Blue NiTi ファイル， RE ファイル CT NiTi ファイルよりも早期に破断し た．さらに破折までの時間には統計学的に有意差がみ られ，周期疲労破折耐性には熱処理を施されることが 有効であると考えられる． 本実験における利益相反はありません． 謝 辞 稿を終えるにあたり，指導いただきました石井 宏先生 に感謝とともに厚く御礼を申し上げます．. 文 献 1）宮崎修一：Ti‒Ni 系形状記憶合金の研究と開発経. 緯，まてりあ，51：209‒215，2012 2）Buéhler WJ, Gilfrich JV, Wiley RC：Effect of low temperature phase changes on the mechanical properties of alloys near composition TiNi, J Applied Phys, 34：1475‒1477, 1963. 3）Walia HM, Brantley WA, Gerstein H：An initial investigation of the bending and torsional properties of nitinol root canal files, J Endod, 14： 346‒351, 1988. 4）Hülsmann M, Peters OA, Dummer PM：Mechanical preparation of root canals：Shaping goals, techniques and means, Endod Topics, 10：30‒76, 2005. 5）Schäfer E, Dammaschke T：Development and sequelae of canal transportation, Endod Topics, 15：75‒90, 2009. 6）Dearing GJ, Kazemi RB, Stevens RH：An objective evaluation comparing the physical properties of two brands of stainless steel endoddontic hand files, J Endod, 31：827‒830, 2005. 7）Haapasalo M, Shen Y：Evolution of nickel‒titanium instruments：From past to future, Endod Topics, 29：3‒17, 2013. 8）Wolcott S, Wolcott J, Ishley D et al.：Separation incidence of protaper rotary instruments：A large cohort clinical evaluation, J Endod, 32： 1139‒1141, 2006. 9）Gutmann JL, Gao Y：Alteration in the inherent metallic and surface properties of nickel‒titanium root canal instruments to enhance performance, durability and safety：A focused review, Int Endod J, 45：113‒128, 2012. 10）Plotino G, Grande NM, Cordaro M：A review of cyclic fatigue testing of nickel‒titanium rotary instruments, J Endod, 35：1469‒1476, 2009. 11）Sattapan B, Nervo GJ, Palamara JE et al.：Defects in rotary nickel‒titanium files after clinical use, J Endod, 26：161‒165, 2000. 12）Cheung GS：Instrument fracture：Mechanisms, removal of fragments, and clinical outcomes, Endod Topics, 16：1‒26, 2009. 13）Park SY, Cheung GS, Yum J et al.：Dynamic torsional resistance of nickel‒titanium rotary instruments, J Endod, 36：1200‒1204, 2010. 14）Xu X, Eng M, Zheng Y et al.：Comparative study of torsional and bending properties for six models of nickel‒titanium root canal instruments with different crosssections, J Endod, 32：372‒.
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