Efficacy of a nickel-titanium ultrasonic instrument for biofilm removal in a simulated complex root canal

Abstract

Disinfection of the root canal is a crucial process in endodontic treatment. Root canals have complex anatomical characteristics, and mechanical methods alone are insufficient to achieve the desired effect, which increases the importance of root canal irrigation. Sodium hypochlorite (NaOCl) is the most commonly used root canal irrigant, with a wide antimicrobial spectrum, capable of dissolving necrotic and vital pulp tissue. However, if sodium hypochlorite is used for irrigation with a simple syringe, issues like stagnation or vapor lock may occur. To enhance the penetrative power of the irrigant and increase its irrigation efficacy, various activation methods have been discussed, including the use of sonic and ultrasonic devices. The energy produced in ultrasonic devices begins with the vibrating wire and is transmitted to the irrigant in the form of ultrasonic waves. This induces acoustic streaming and cavitation phenomena in the cleaning agent. On the other hand, sonic irrigation method involves generating mechanical vibrations at the tip of the device and features the use of flexible polymer tips to avoid mechanically shaping the root canal walls. The debate over which is more effective between ultrasonic and sonic devices is still ongoing. This study evaluated the effectiveness of nickel–titanium (NiTi) ultrasonic tips for Enterococcus faecalis biofilm removal in simulated complex root canals. Sixty root canal models consisting of a 30-degree curved main canal and two lateral canals were constructed from polydimethylsiloxane and incubated with E. faecalis. In this study, a total of 5 different root canal cleaning methods were used, with a 3% sodium hypochlorite solution as the irrigant. Irrigants in root canals were activated using a manual syringe (SI-9), a stainless steel (SS-9) ultrasonic instrument, a NiTi ultrasonic instrument, or a sonic instrument (EA-2). Instruments of SI-9, SS-9, and NT-9 groups were placed 9 mm from the apex, whereas those in NT-2 and EA-2 groups were placed 2 mm from the apex. To evaluate the biofilms formed inside all root canals, observations were made using a fluorescence microscope. The efficacy of each method was determined as the ratio of fluorescence concentration before and after activation. In the apical curved canal, the highest efficacy was found in the NT-2 group (99.40%), followed by SI-9 (84.25%), EA-2 (80.38%), SS-9 (76.93%), and NT-9 (67.29%) groups. In lateral canals 1 and 2, the efficacy was the highest in the NT-2 group and the lowest in the SI-9 group. The NiTi ultrasonic instrument could effectively remove biofilms in the curved canal and lateral canals. Furthermore, the SI-9 group showed a significantly lower irrigation effect compared to all other methods. The method with the highest irrigation effect in the lateral canal 2 was NT-2 (99.86%), while the SI-9 exhibited the lowest cleaning effect (76.19%). In the lateral canal 2, the SI-9 demonstrated a statistically significant lower irrigation effect compared to NT-2, NT-9, and stainless steel (SS-9) methods. According to the linear mixed model analysis of irrigation efficacy based on the location of each root canal and the irrigation method used, there was an interaction between the irrigation method and the root canal location, indicating differences in irrigation efficacy based on the location (p=0.0195). Additionally, when the main efficacy was analyzed, with the irrigation method considered as a fixed effect, there were differences in irrigation efficacy based on the root canal location (p=0.0018, fixed effect: method). When the root canal location was considered as a fixed effect, there were also differences in cleaning effectiveness based on the cleaning method (p=0.0001, fixed effect: canal location). In conclusion, in root canal systems featuring a curved main canal and two lateral canals, the use of ultrasonic activation with a NiTi instrument demonstrated enhanced efficacy in removing biofilms. when nickel-titanium files are operated using ultrasonic, they can effectively remove biofilms in the curved canals and lateral canals. This instrument should be introduced close to the working length. An up-and-down motion of the activation instrument is recommended. 근관계의 소독은 근관치료에 있어 매우 중요한 과정인데, 근관계의 복잡한 해부학적 특성으로 인해, 기계적인 방법으로는 충분한 효과를 얻을 수 없어, 근관 세정의 중요성이 커지고 있다. 차아염소산나트륨(Sodium hypochlorite, NaOCl)는 가장 많이 쓰이는 근관 세정제로 항균 범위가 넓고, 괴사 조직과 생활 치수 조직 모두를 용해시킬 수 있다. 그러나 차아염소산나트륨을 단순한 주사기 사용 방법으로 세정한다면 세정제의 정체(stagnation)나 vapor lock 과 같은 현상이 나타날 수 있다. 이에 세정제의 침투력을 향상시켜 세정 효과를 높이기 위한 활성화 방법이 다양하게 논의되었고, 음파 및 초음파 기기들이 이용되었다. 초음파 기기에서 나온 에너지는 진동하는 와이어에서 시작되어 세정제로 초음파장 형태로 전달되는데, 이는 세정제의 음향류(acoustic streaming)와 공동화 (cavitation) 현상을 유발하게 된다. 음향류는 진동하는 파일 주위에서 유체가 원형 또는 소용돌이 모양으로 빠르게 움직이는 것이고, 공동화는 증기 기포가 생기는 것을 의미한다. 초음파기기로부터 생성된 음향류는 박테리아 응집을 방해하게 된다. 또한 수동적 초음파 세정(Passive ultrasonic irrigation)은 25-40kHz 사이로 음파 세정에 비해 더 높은 주파수를 생성하게 되지만, 음파 세정은 세정기기 끝부분에서 기계적 진동을 발생시키고, 근관벽에 기계적 성형을 하지 않기 위해 유연한 폴리머 팁을 사용하는 특징을 갖는다. 다수의 선행 연구에서 세정제를 단순히 시린지 전달 방법으로 사용하는 것보다 음파 혹은 초음파 활성화 방법을 사용한 경우에 근관을 보다 우수하게 세정할 수 있었다고 보고하였다. 하지만 이러한 활성화 방법 또한 몇 가지 한계점을 갖고 있다. 만약 주 근관이 곡선형일 경우, 근관의 끝 부분을 치료할 때 근관의 너비 및 기하학적 복잡성으로 인해 초음파 파일과 근관 벽 사이에 의도치 않은 접촉이 발생할 수 있다. 이러한 접촉은 초음파 에너지를 감소시키고, 근관 벽의 의인성 형성 및 기구 파절의 위험을 증가시킨다. 또한 음파로 활성화된 기구의 끝 부분은 치근단부의 작은 직경으로 인해 자유로운 진동이 어려워 근관내 세정제의 흐름은 물론 근관벽이나 기구의 끝 부분에서의 공동화 형성도 줄어든다. 근관 세정에서의 음파와 초음파 기기 중 어떤 것이 더 효율적인지에 대해서는 현재까지도 논쟁이 있는 실정이다. 한편 선행 연구에서 발치 치아들을 이용했을 때 근관의 형태가 다양하여 표준화된 조건을 조성하기 어렵다는 한계점이 있다고 보고하였다. 이에 따라 본 연구에서는 만곡된 근관과 측방근관을 지닌 해부학적으로 복잡성을 지닌 투명하고 표준화된 근관계를 고안하였다. 따라서 본 연구의 목적은 투명한 근관 모델에서 E.faecalis biofilm 제거를 위한 다양한 활성화 방법의 효능을 비교하였으며, 위치에 따른 세정 효율도를 평가하였다. 본 실험을 수행하기 위한 해부학적 근관 형태 재현을 위해 캐드 소프트웨어로 디자인하였고, 3D 프린터를 이용하여 근관 모델을 Polydimethylsiloxane(PDMS)로 총 65개 제작하였다. 근관 모델은 30° 각도를 가진 1개의 곡선형 주 근관과 2개의 측방 근관으로 디자인하였다. 본 근관 모델 내부에 세균막을 형성하기 위하여 E.faecalis를 이용하였으며 Brain-heart infusion broth (BHI) (Difco Co., USA) 액체 배지에서 37︒C, 10% CO2 배양 조건하에 성숙시켰다. 모든 근관 내부에 형성된 세균막을 평가하기 위해 형광현미경 (Axio imager M2, Zeiss, Oberkochen, Germany)으로 관찰하였다. 본 연구에서 사용한 근관 세정법은 총 5가지 방법을 이용하였고 세정제는 3% 차아염소산나트륨을 사용하였다. 근관 세정 전과 후의 이미지에서 세균막 제거 효과를 정량화 하기 위해 잔여 세균막의 형광 농도 차이를 평가하였다. 본 연구 결과, 근관 위치에 따른 근관 세정 방법 간의 차이를 비교하였을 때 근관의 근단부에서 세정 효과가 가장 높게 나온 세정법은 NT-2(99.40%)였다. 다음으로 SI-9(84.25%), EA-2(80.38%), SS-9(76.93%), NT-9(67.29%) 순서로 세정 효과가 나타났다. 이 때 NT-2가 NT-9, SS-9, EA-2 에 비해 통계적으로 유의미하게 높은 세정 효과를 나타냈다. 첫 번째 측방 근관에서 세정 효과가 가장 높게 나온 방법은 NT-2(92.10%)였으며, SI-9(50.04%)에서 가장 낮게 나타났다. 또한 단순한 주사기 사용법을 이용한 SI-9는 다른 모든 방법들에 비해 통계적으로 유의하게 낮은 세정 효과 양상을 나타났다. 두 번째 측방 근관에서 세정 효과가 가장 높게 나온 방법은 NT-2(99.86%)였으며 SI-9(76.19%)가 가장 낮은 세정 효과를 나타냈다. 두 번째 측방 근관에서 SI-9는 NT-2, NT-9, SS-9 방법들에 비해 통계적으로 유의미하게 낮은 세정 효과가 나타났다. 각 근관의 위치와 세정법에 따른 세정 효과를 Linear mixed model 분석결과, 세정법와 근관 위치 간의 교호 작용이 있었으므로 위치에 따른 방법 간의 세정 효과의 차이가 나타났다 (p=0.0195, table 1). 또한 주 효과 검정 결과 세정방법을 고정 (fixed effect)로 하였을 때, 근관의 위치에 따라 세정 효과의 차이가 있었으며 (p=0.0018, fixed effect: method), 근관위치를 고정(fixed effect)로 하였을 때, 세정방법에 따라 세정 효과의 차이가 있었다 (p=0.0001, fixed effect: canal location). 결론적으로 니켈-티타늄 파일을 초음파로 작동하면, 곡선 근관과 측면 근관의 세균막을 효과적으로 제거할 수 있었다. 효과적인 세균막 제거를 위해 초음파 기구를 작업 길이(working length)에 근접하게 위치시켜 상하 움직임으로 기구를 동작하는 것을 권장한다.