NiTi 근관기구가 스테인리스(S-S) 파일 보다 우수한 이유
근관치료(신경치료)를 시행할 때, 최근에는
니켈-티타늄(NiTi) 합금으로 제작된 구동식(rotary) 기구가 널리 사용되고 있다.
니켈-티타늄(NiTi) 근관기구는 기존의
스테인리스 스틸 기구와 비교했을 때
더 뛰어난 유연성과 높은 비틀림 파절 저항성을 가지는 것으로 보고되었다.
실제로 연구 결과에 따르면,
엔진 구동식 NiTi 근관기구는
스테인리스 스틸 기구에 비해 더 유연하기 때문에
✔ 근관 이탈이 훨씬 적고
✔ 성형 오류(ledge, perforation,등) 발생 빈도도 유의하게 낮은 것으로 나타났다.
하지만 아이러니하게도,
회전식 NiTi 근관기구의 파절은 현재까지도 임상에서 완전히 피할 수 없는 문제로 남아 있다.
NiTi 기구의 성능 향상을 위해
제조사들은 단순한 디자인 변경을 넘어
다양한 독자적인 제조 공정을 도입해 왔다.
대표적으로는
- 열처리(thermal treatment)
- 기계적 처리(mechanical treatment)
- 표면 처리(surface treatment)
등이 있다.
2010년대에 들어서면서
제조사들은 NiTi 파일의 열처리 기술을 적극적으로 도입하기 시작했는데,
이는 파절 저항성을 높이고
유연성을 증가시킨 NiTi 기구를 만드는 데 목적이 있다.
NiTi 근관기구는 왜 부러질까?
NiTi 합금은 스테인리스 스틸보다 훨씬 유연하지만,
기구 파절 문제는 여전히 임상에서 중요한 이슈이다.
NiTi 회전 기구의 파절은 크게 두 가지 메커니즘으로 나뉜다.
1️⃣ 비틀림 파절 (Torsional failure)
기구의 끝이나 일부가 근관에 걸린 상태에서
핸드피스는 계속 회전할 경우,
NiTi 기구가 탄성 한계를 초과하면서 파절이 발생한다.
중요한 점은
근관 내 절삭 과정 자체가 항상 비틀림 응력을 동반한다는 사실이다.
비틀림 시험은
파절 시 최대 토크와 회전 각도를 측정하여 평가한다.
2️⃣ 사이클 피로 파절 (Cyclic fatigue)
사이클 피로는
만곡된 근관에서 반복적인 굽힘과 회전을 겪으면서 발생한다.
NiTi 기구의 피로 수명은
1. 미세 균열이 발생하고 성장하는 균열 개시 단계
2. 균열이 확산되며 최종 파절에 이르는 균열 전파 단계
로 나눌 수 있다.
사이클 피로 저항성은
파절까지 걸리는 시간 또는 파절까지의 회전 횟수(NCF)
로 평가된다.
파일의 단면적에 따른 파절 특성 비교
파일의 단면적을 코어(core)라고 부르기도 한다.
이러한 단면적이 상대적으로 더 크고 단단하면
높은 비틀림 파절에 대한 저항성을 보인다.
반면, 단면적이 작은 파일은 더 부드러운 특성을 가져
구조적 균열이 덜 발생될 수 있어
**피로 파절(fatigue fracture)**에 대한 저항성 측면에서는 유리할 수 있다.
구분단면적(코어)이 큰 파일단면적(코어)이 작은 파일
| 코어(core) 크기 | 상대적으로 큼 | 상대적으로 작음 |
| 기계적 성질 | 단단하고 뻣뻣함 | 부드럽고 유연함 |
| 비틀림 파절 저항성(Torsional fracture resistance) | 높음 (큰 토크를 견딤) | 낮음 |
| 피로 파절 저항성(Fatigue fracture resistance) | 상대적으로 낮음 | 높음 |
| 균열(crack) 발생 | 응력 집중으로균열 발생 가능성 ↑ | 구조적 균열 발생 ↓ |
| 임상적 특징 | 걸림(binding)에 강함 | 만곡 근관에서 유리 |
| 대표적 성향 | 절삭력·강성 중심 | 유연성·안전성 중심 |
다른 말로 하면,
- 기구 직경이 클수록 → 최대 토크 증가, 유연성 감소
- 만곡부에서의 인장 변형률이 클수록 → 사이클 피로 저항성 감소
- 직경이 작고 테이퍼가 적은 기구 → 사이클 피로 저항성 증가
NiTi 재료의 특성
NiTi 합금은
오스테나이트 상(Austenite)
마르텐사이트 상(Martensite) 으로 구분할 수 있다.
Martensite vs Austenite의 기계적 특성
마르텐사이트 상은
- 부드럽고(soft)
- 연성이 크며(ductile)
- **형상기억효과(shape memory effect)**를 나타낸다
반면 오스테나이트 상은
- 뻣뻣하고(stiff)
- 단단하며(hard)
- **초탄성(superelasticity)**을 가진다
(휘어도 원래 형태로 돌아옴)
🔹 초탄성(Superelasticity, SE)
초탄성은 **의사탄성(pseudoelasticity)**이라고도 불리며,
외부 힘을 가했다가 제거해도 최대 약 8%까지만
변형이 완전히 회복되는 특성을 말합니다.
이 현상은 재료 내부에서
→ 안정한 오스테나이트(austenite) 상과
→ 응력에 의해 유도된 마르텐사이트(martensite) 상
사이의 상변태(phase transformation) 때문에 발생합니다.
즉, 변형이 단순한 탄성 변형이 아니라 상변태를 동반한 탄성 거동이라는 점이 핵심이다.
🔹 형상기억효과(Shape Memory Effect, SME)란?
형상기억효과는 니켈-티타늄(NiTi) 합금의 대표적인 특성으로,
한 번 변형된 재료가 가열되면 원래의 형태로 되돌아오는 능력을 의미한다.
이 과정은
변형된 안정한 마르텐사이트 상이
→ 가열에 의해 다시 안정한 오스테나이트 상으로 변하면서 일어난다.
쉽게 말해,
“차가울 때는 변형되고, 따뜻해지면 기억해 둔 원래 모양으로 돌아간다”
라고 이해하면 된다.
NiTi 합금의 열처리와 상변태
NiTi 합금은
Mf 이하의 온도에서는 마르텐사이트 상으로 존재하다가,
온도가 상승하여 Af(Austenite finishing temperature) 이상이 되면 오스테나이트 상으로 전환된다.
열처리를 하지 않은 파일은
Af 온도가 상온보다 낮아,
상온에서는 대부분 오스테나이트 상으로만 존재한다.
반면, 열처리된 파일은 Af 온도가 상온보다 높아
상온에서도 마르텐사이트, 오스테나이트 그리고 R-phase
가 혼재된 상태로 존재하게 된다.
즉, 열처리를 통해 Af 온도가 상승하게 되는 것이다.
열처리를 거친 NiTi 합금은 더 유연하며,
높은 사이클 피로 저항성(fatigue resistance)**을 보이는 것으로 알려져 있다.
⚠️ 열처리의 한계와 이를 보완하는 기술
열처리를 통해
✔️ 유연성은 향상되고
✔️ 사이클 피로 저항성은 증가했지만,
❌ 비틀림 파절 저항성(torsional resistance)이 함께 향상된 것은 아니다.
또한
❌ 삭제력(cutting efficiency)이 감소하는 단점도 나타났다.
이를 보완하기 위해
제조사들은
- 표면을 강화하는 코팅 기술을 적용하거나
- 깎지 않고 제작하는 새로운 제조 방식을 도입하여
NiTi 파일을 개발하고 있다.
대표적인 예로는 EDM 방식, EndoRoad 등이 있다.
참고
- ZUPANC, J.; VAHDAT‐PAJOUH, N.; SCHÄFER, E. New thermomechanically treated NiTi alloys–a review. International endodontic journal, 2018, 51.10: 1088-1103.
- 근관치료학, 대한치과근관치료학회 공저