Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: aleación níquel-titanio convencional, aleación titanio-molibdeno y aleación titanioniobio
Autor: Aldana Ojeda, Laura Marcela
Asesor: Cortes Rodríguez, Carlos Julio (Thesis advisor)
Fecha: 2016-11-22
Programa: Bogotá - Medicina - Especialidad en Anestesiología y Reanimación
Facultad: Facultad de Medicina

Resumen: El objetivo de este trabajo fue comparar las propiedades mecánicas y  estructurales de la aleación Níquel – Titanio convencional con las de las  aleaciones Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio y determinar si pueden ser  útiles para fabricación de instrumentos de preparación en endodoncia. Se  utilizaron arcos de ortodoncia de aproximadamente 150mm con dimensiones de  0,16mm x 0,22 mm para las aleaciones de Níquel – Titanio y Titanio – Molibdeno  y 0,18mm x 0,22mmm para el Titanio – Niobio. Metodología: Se realizaron  pruebas mecánicas y estructurales para las aleaciones con análisis de  composición por elementos mediante microscopia electrónica de barrido (SEM) y  espectroscopia de dispersión de rayos X (EDX), ensayos de esfuerzo –  deformación, torsión a la fractura, difracción de rayos X (DRX) y pruebas de fatiga  cíclica. Resultados y discusión: En SEM se encontró que la aleación con  mayores defectos de superficie es el Titanio – Molibdeno. En EDX en las  aleaciones se encontraron elementos químicos que corresponden con lo indicado  en la literatura. En los ensayos de esfuerzo-deformación, se encontró mayor  elasticidad para el Níquel - Titanio. Para la prueba de torsión las tres aleaciones  presentaron resistencia al torque similar. En DRX se encontró que la cristalinidad  en las tres aleaciones disminuyó al ser sometidas a esfuerzo, aunque la  intensidad de los picos disminuye las fases cristalográficas se mantienen. Para la  fatiga cíclica se encontró que la prueba Kruskal Wallis concluye que al menos un  grupo es diferente y para la prueba de U Mann Whitney que hay diferencias  estadísticamente significativas tanto para la sumatoria de segundos y el número  de ciclos en las dos pruebas, encontrando significativamente un mayor número  de ciclos para el Titanio - Niobio. Conclusión: Se concluye que la aleación  Titanio – Niobio podría ser utilizada en la fabricación de instrumentos de  preparación en endodoncia, debido a los resultados obtenidos de sus  propiedades mecánicas y estructurales. La aleación Titanio – Molibdeno podría  ser utilizada para la fabricación de instrumentos que requieran una mayor rigidez  como las limas manuales.

COMPARACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y ESTRUCTURALES
EN TRES TIPOS DE ALAMBRE: ALEACIÓN NÍQUEL-TITANIO
CONVENCIONAL, ALEACIÓN TITANIO-MOLIBDENO Y ALEACIÓN TITANIO-
NIOBIO
Laura Marcela Aldana Ojeda
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Odontología
Bogotá, Colombia
2016COMPARACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y ESTRUCTURALES
EN TRES TIPOS DE ALAMBRE: ALEACIÓN NÍQUEL-TITANIO
CONVENCIONAL, ALEACIÓN TITANIO-MOLIBDENO Y ALEACIÓN TITANIO-
NIOBIO
Laura Marcela Aldana Ojeda
Tesis o trabajo de investigación presentada como requisito parcial para optar al
título de:
Especialista en Endodoncia
Director:
Javier Laureano Niño Barrera, Msc.
Codirector:
Carlos Julio Cortes Rodríguez, PhD.
Línea de Investigación:
Biomecánica
Grupo de Investigación:
Grupo de investigación en Biomecánica
Universidad Nacional de Colombia
Facultad de Odontología
Bogotá, Colombia
2016A mis padres por su incondicional apoyo.Agradecimientos
A mi director, el Doctor Javier Niño Barrera, por darme la oportunidad de volver a
trabajar a su lado, lo cual siempre ha sido motivo de orgullo para mí; aprecio tanto
interés, dedicación y confianza, no sólo en la realización de éste proyecto sino
también en todos estos años en los que aportó a mi formación académica.
Siempre será mi modelo a seguir.
A Manuel Acosta, por su disposición y conocimiento en el análisis de resultados y
a Cristian Silva por su apoyo en la realización de los ensayos mecánicos.Resumen y Abstract IX
Resumen
El objetivo de este trabajo fue comparar las propiedades mecánicas y
estructurales de la aleación Níquel – Titanio convencional con las de las
aleaciones Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio y determinar si pueden ser
útiles para fabricación de instrumentos de preparación en endodoncia. Se
utilizaron arcos de ortodoncia de aproximadamente 150mm con dimensiones de
0,16mm x 0,22 mm para las aleaciones de Níquel – Titanio y Titanio – Molibdeno
y 0,18mm x 0,22mmm para el Titanio – Niobio. Metodología: Se realizaron
pruebas mecánicas y estructurales para las aleaciones con análisis de
composición por elementos mediante microscopia electrónica de barrido (SEM) y
espectroscopia de dispersión de rayos X (EDX), ensayos de esfuerzo –
deformación, torsión a la fractura, difracción de rayos X (DRX) y pruebas de fatiga
cíclica. Resultados y discusión: En SEM se encontró que la aleación con
mayores defectos de superficie es el Titanio – Molibdeno. En EDX en las
aleaciones se encontraron elementos químicos que corresponden con lo indicado
en la literatura. En los ensayos de esfuerzo-deformación, se encontró mayor
elasticidad para el Níquel - Titanio. Para la prueba de torsión las tres aleaciones
presentaron resistencia al torque similar. En DRX se encontró que la cristalinidad
en las tres aleaciones disminuyó al ser sometidas a esfuerzo, aunque la
intensidad de los picos disminuye las fases cristalográficas se mantienen. Para la
fatiga cíclica se encontró que la prueba Kruskal Wallis concluye que al menos un
grupo es diferente y para la prueba de U Mann Whitney que hay diferencias
estadísticamente significativas tanto para la sumatoria de segundos y el número
de ciclos en las dos pruebas, encontrando significativamente un mayor número
de ciclos para el Titanio - Niobio. Conclusión: Se concluye que la aleación
Titanio – Niobio podría ser utilizada en la fabricación de instrumentos de
preparación en endodoncia, debido a los resultados obtenidos de sus
propiedades mecánicas y estructurales. La aleación Titanio – Molibdeno podría
ser utilizada para la fabricación de instrumentos que requieran una mayor rigidez
como las limas manuales.
Palabras Clave:
Aleaciones con memoria de forma, Aleación Níquel–Titanio, Aleación Titanio-
Molibdeno, Aleación Titanio-Niobio, Ensayos mecánicos, Rayos X.Resumen y Abstract XI
Abstract
The aim of this study was to compare the mechanical and structural properties of
the conventional nickel-titanium alloy as well as compare them with Titanium-
Molybdenum and Titanium – Niobium alloys in order to determine if they can be
useful for manufacturing shaping instruments in endodontics. The dimension
wires used for orthodontic arches were approximately 150mm, for the alloys
nickel-titanium and Titanium- Molybdenum a value of 0.18mm x 0.22mmm, while
the dimension for Titanium – Niobium alloy was 0.16mm x 0.22 mm.
Experimental: mechanical and structural tests for alloys were performed with
chemical analysis by scanning electron microscopy (SEM) and dispersive
spectroscopy X-ray (EDX), tests of stress - strain, torsional fracture, X-Ray
diffraction ( XRD) and cyclic fatigue tests. Results and discussion: SEM results
suggest that higher surface defects were found in Titanium – Molybdenum
alloy.Chemical analysis by EDX where consistent with those reported in the
literature. Stress-strain tests were reported, where the greater elasticity for Nickel-
Titanium alloy was found. Torsion tests for the three alloys were resistant to the
same torque. In XRD, crystallinity it was found that in the three alloys decreased
with stress, although the peak intensity decreases crystallographic phases are
remained. For cyclic fatigue, it was found that the Kruskal-Wallis concludes that at
least one group is different and test Mann Whitney U if no statistically significant
difference for both the sum of seconds and the number of cycles in the two tests,
finding significantly greater number of cycles for Titanium – Niobium alloys.
Conclusion: It is concluded that the titanium alloy - niobium could be used in the
manufacture of endodontic instruments preparation, due to the results of its
mechanical and structural properties. The titanium alloy - Molybdenum could be
used to manufacture instruments that require greater rigidity hand files.
Keywords: Mechanical Testing, Nickel-Titanium alloy, Titanium-Molybdenum
alloy, Titanium-Niobium alloy, Shape memory alloys, X-rays.Contenido XIII
Contenido
Pág.
Resumen ......................................................................................................................... IX
Lista de figuras ............................................................................................................. XV
Lista de tablas ........................................................................................................... XVIII
Introducción .................................................................................................................... 1
1. Justificación ............................................................................................................. 3
2. Pregunta de investigación ....................................................................................... 4
3. Objetivos ................................................................................................................... 5
3.1 Objetivo General .............................................................................................. 5
3.2 Objetivos Específicos....................................................................................... 5
4. Generalidades .......................................................................................................... 7
4.1 Inicios de los Instrumentos de Preparación en Endodoncia ............................. 7
4.2 Níquel – Titanio y su inicio en endodoncia ....................................................... 8
4.2.1 Fases cristalográficas del Níquel – Titanio ............................................ 9
4.2.2 Fabricación y características de limas de Níquel – Titanio convencional
en endodoncia y modificaciones termomecánicas de la aleación ...................... 11
4.3 Aleación de Titanio – Molibdeno .................................................................... 16
4.4 Aleación Titanio – Niobio ............................................................................... 17
4.4.1 Fases cristalográficas del Titanio – Niobio. ......................................... 18
4.5 Métodos de estudio de los instrumentos de preparación ............................... 19
4.5.1 Caracterización metalúrgica ................................................................ 19
4.5.2 Comportamiento Mecánico ................................................................. 21
5. Materiales y métodos ............................................................................................. 29
5.1 Tipo de estudio .............................................................................................. 29
5.2 Selección del material .................................................................................... 29
5.3 Análisis de composición por elementos mediante microscopia electrónica de
barrido y espectroscopia de dispersión de rayos X ................................................... 29
5.4 Ensayo de Tensión ........................................................................................ 30
5.5 Ensayo de Torsión ......................................................................................... 31
5.6 Difracción de Rayos X. .................................................................................. 32
5.7 Ensayo de Fatiga Cíclica ............................................................................... 34
6. Resultados .............................................................................................................. 37
6.1 Microscopía Electrónica de Barrido y Análisis por Composición de Elementos37XIV Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
6.1.1 Níquel - Titanio ...................................................................................37
6.1.2 Titanio – Molibdeno .............................................................................39
6.1.3 Aleación Titanio – Niobio. ....................................................................41
6.2 Grafica Esfuerzo Deformación ........................................................................43
6.2.1 Níquel – Titanio ....................................................................................43
6.2.2 Titanio – Molibdeno .............................................................................44
6.2.3 Titanio – Niobio ....................................................................................45
6.3 Ensayo de Torsión .........................................................................................46
6.4. Difracción de rayos X .....................................................................................47
6.4.1. Níquel – Titanio ....................................................................................47
6.4.2. Titanio – Molibdeno .............................................................................48
6.4.3. Titanio - Niobio.....................................................................................49
6.5. Ensayo de Fatiga Cíclica ................................................................................51
6.5.1. Comparación de segundos según los tres grupos ...............................52
6.5.2. Comparación del número de ciclos según los tres grupos ...................53
7. Discusión .................................................................................................................55
7.1. Análisis de composición de elementos mediante microscopía electrónica de
barrido y espectroscopia de dispersión de rayos X ...................................................55
7.2. Ensayo esfuerzo deformación ........................................................................56
7.3. Ensayo de Torsión .........................................................................................58
7.4. Difracción de Rayos X ....................................................................................59
7.5. Ensayo de Fatiga Cíclica ................................................................................60
8. Conclusiones y recomendaciones ........................................................................62
Referencias ....................................................................................................................63Contenido XV
Lista de figuras
Pág.
Figura 4- 1. a. La estructura cristalina de la matriz (Fase austenita: Cristalina Cúbica
centrada en el cuerpo), b. Transición entre las dos fases (fase romboédrica o fase R), c.
Fase Martensita (disposición hexagonal). (a, b, c, a’, b’ y c’: distancias interatómicas).
Tomado de (27). ............................................................................................................... 9
Figura 4- 2. Propiedad de súper elasticidad de la aleación Níquel – Titanio. Tomado de
(10). ................................................................................................................................ 10
Figura 4- 3. Propiedad de memoria de forma en la aleación Níquel – Titanio. Tomado de
(10). ................................................................................................................................ 10
Figura 4- 4. Transformación martensita de la aleación Níquel-Titanio. Tomado de (10). 11
Figura 4- 5. Proceso de manufactura del Níquel – Titanio. Tomado de (10). .................. 12
Figura 4- 6. Ejemplo de un sistema de la primera generación: Instrumento ProFile
rotatorio (DENTSPLY Tulsa Dental, Tulsa, OK). (a.) Nótese el apoyo radial (land) ancho
del instrumento (flechas). Tomado de (32). .................................................................... 13
Figura 4- 7. Sistemas de segunda generación: a. representación de ángulo de corte
positivo, b. Diseño transversal lima K3®, c. Diseño transversal MTwo®. Tomado de (32,
33) .................................................................................................................................. 13
Figura 4- 8. Sistema de tercera generación: Vortex® (Dentsply Tulsa Dental Specialties,
Tulsa), sistema sin áreas radiales. Tomado de (33). ...................................................... 14
Figura 4- 9. Sistemas de cuarta generación: cortes trasversales de dos diseños de limas
de funcionamiento con movimiento reciprocante: a. Reciproc ® (VDW, Munich, Alemania)
y b. WaveOne ® (Dentsply Maillefer, Ballaigues, Switzerland). Tomado de (39). ........... 15
Figura 4- 10. Sistema de quinta generación: Corte transversal ProTaper Next® (PTN,
Denstply Tulsa Dental). Tomado de (40). ....................................................................... 16
Figura 4- 11. Estructura de la interface de fases β - Ω: a. disposición típica de la fase β
cúbica centrada en el cuerpo en interfaz, b. Dos tipo de unidad de celda que competan la
interfaz (A,B,C: distancias interatómicas) Tomado de (42). ............................................ 17
Figura 4- 12. Fases cristalográficas del Ti – Nb: a. fase β: cúbica centrada en el cuerpo,
b. fase α’: hexagonal, c. fase α": ortorrómbica. (a, b, c, a’, b’ y c’: distancias
interatómicas). Tomado de (32) . .................................................................................... 18
Figura 4- 13. SEM Lima Twisted File® (SybronEdo, USA): a. Visualización de defectos, b.
Visualización de microgrietas Tomado de (51). .............................................................. 20
Figura 4- 14. Ley de Bragg. La reflexión de Bragg puede producirse únicamente para
longitudes de onda l ≤ 2d (55) ....................................................................................... 21
Figura 4- 15. Gráfica esfuerzo-deformación convencional. Tomado de (59). .................. 23XVI Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Figura 4- 16. Representación de fluencia en la curva esfuerzo deformación. Tomado de
(59). ................................................................................................................................ 24
Figura 4- 17. Gráfica esfuerzo - deformación: a. Un material dúctil, b. Un material frágil.
Tomado de (59, 60). ....................................................................................................... 25
Figura 4- 18. Términos ilustrados en una típica gráfica esfuerzo deformación de Níquel –
Titanio. Tomado de (61). ................................................................................................. 26
Figura 4- 19. Demostración de máquina para medir torsión según la especificación de la
ANSI/ADA #28: Prueba para limas manuales tipo K con una restricción a 3mm de la
punta. Tomado de (63). ................................................................................................... 27
Figura 4- 20. a. Lima sometida a fatiga cíclica en un conducto simulado: flecha señala
zona de la curvatura donde se generó la fractura (40). b. Ensayo de fatiga cíclica donde
tres puntos hacen un recodo en un instrumento. Tomado de (66)................................... 28
Figura 5- 1. Equipo SEM-EDX. ....................................................................................... 30
Figura 5- 2. Máquina de Ensayos Universal (Shimadzu modelo AG-IS). ......................... 31
Figura 5- 3. Máquina de torsión con medición directa sobre el transductor de torque. .... 32
Figura 5- 4. Difractómetro Panalytical X’Pert Pro MPD. .................................................. 33
Figura 5- 5. Montaje de los alambres que no fueron sometidos a carga: a. Níquel -
Titanio, b. Titanio - Molibdeno, c. Titanio - Niobio. ........................................................... 34
Figura 5- 6. Montaje de los alambres que fueron sometidos a torsión: a. Níquel - Titanio,
b. Titanio - Molibdeno, c. Titanio - Niobio. ....................................................................... 34
Figura 5- 7. Dimensiones del conducto simulado (Adaptado de la referencia (69)). ........ 35
Figura 5- 8. Montaje para realizar pruebas de fatiga cíclica en alambres. ....................... 36
Figura 5- 9. Acercamiento del conducto simulado con el montaje de cada una de las tres
aleaciones. ...................................................................................................................... 36
Figura 6- 1. Micrografía SEM de alambre de Níquel – Titanio. Caracterización morfológica
del alambre, (a.) Magnificación a 400X, (b.) Magnificación a 1000X. .............................. 37
Figura 6- 2. Micrografía SEM de corte transversal de alambre Níquel – Titanio a 400X. . 38
Figura 6- 3. Espectro EDX para la aleación de Níquel – Titanio. ..................................... 38
Figura 6- 4. Micrografía SEM de alambre de Titanio – Molibdeno. Caracterización
morfológica del alambre, a. Magnificación a 400X, b. Magnificación a 1000X. ................ 39
Figura 6- 5. Micrografía SEM de corte transversal de alambre Titanio - Molibdeno a 400X.
....................................................................................................................................... 40
Figura 6- 6. Espectro EDX para la aleación de Titanio - Molibdeno. ................................ 40
Figura 6- 7. Micrografía SEM de alambre de Titanio - Niobio: Caracterización morfológica
del alambre, (a.) Magnificación a 400X, (b.) Magnificación a 1000X. .............................. 41
Figura 6- 8. Micrografía SEM de corte transversal de alambre Titanio - Niobio a 400X. .. 42
Figura 6- 9. Espectro EDX para la aleación de Titanio - Niobio. ...................................... 42
Figura 6- 10. Gráfica esfuerzo deformación para la aleación de Níquel-Titanio: módulo de
elasticidad trazado linealmente, también se muestra el punto máximo esfuerzo. ............ 44Contenido XVII
Figura 6- 11. Gráfica esfuerzo deformación para la aleación de Titanio – Molibdeno:
módulo de elasticidad trazado linealmente, también se muestra el punto máximo
esfuerzo. ........................................................................................................................ 45
Figura 6- 12. Gráfica esfuerzo deformación para la aleación de Titanio – Niobio: módulo
de elasticidad trazado linealmente, también se muestra el punto máximo esfuerzo. ...... 46
Figura 6- 13. Difractograma comparativo entre la muestra inicial y la muestra que se
sometió a torsión de la aleación Níquel -Titanio. ............................................................ 47
Figura 6- 14. Difractograma comparativo entre la muestra inicial y la muestra que se
sometió a torsión de la aleación Titanio - Molibdeno. ..................................................... 48
Figura 6- 15. Difractograma comparativo entre la muestra inicial y la muestra que se
sometió a torsión de la aleación Titanio – Niobio. ........................................................... 49
Figura 6- 16. Número de ciclos a fractura para las tres aleaciones estudiadas............... 54
Figura 7- 1. Gráfica esfuerzo deformación del Níquel Titanio, señalada por zonas. ....... 56XVIII Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Lista de tablas
Pág.
Tabla 5- 1. Condiciones de medición para los difractogramas. ....................................... 32
Tabla 6- 1. Porcentajes atómicos de los elementos presentes en la aleación de Níquel –
Titanio. ............................................................................................................................ 39
Tabla 6- 2. Porcentajes atómicos de los elementos presentes en la aleación de Titanio -
Molibdeno. ...................................................................................................................... 41
Tabla 6- 3. Porcentajes atómicos de los elementos presentes en la aleación de Titanio -
Niobio. ............................................................................................................................ 43
Tabla 6- 4. Resultados obtenidos mediante el ensayo de tensión para la aleación de
Níquel – Titanio. .............................................................................................................. 43
Tabla 6- 5. Resultados obtenidos mediante el ensayo de tensión para la aleación de
Titanio - Molibdeno. ........................................................................................................ 44
Tabla 6- 6. Resultados obtenidos mediante el ensayo de tensión para la aleación de
Titanio – Niobio. .............................................................................................................. 45
Tabla 6- 7. Valor Máximo de Torsión para Níquel - Titanio ............................................. 46
Tabla 6- 8. Valor Máximo de Torsión para Titanio - Molibdeno ....................................... 46
Tabla 6- 9. Valor Máximo de Torsión para Titanio – Niobio. ............................................ 47
Tabla 6- 10. Resultados Fatiga Cíclica para aleación Níquel – Titanio. ........................... 51
Tabla 6- 11. Resultados Fatiga Cíclica para aleación Titanio - Molibdeno. ...................... 51
Tabla 6- 12. Resultados Fatiga Cíclica para aleación Titanio – Niobio. ........................... 52
Tabla 6- 13. Sumatoria de Segundos .............................................................................. 52
Tabla 6- 14. Diferencias entre grupos en la comparación de segundos. ......................... 53
Tabla 6- 15. Comparación de la Sumatoria de Ciclos...................................................... 53
Tabla 6- 16. Diferencias entre grupos en la comparación de número de ciclos ............... 53Introducción
Durante el tratamiento endodóntico, uno de los objetivos es realizar una correcta
preparación y conformación de los conductos radiculares, concepto que fue
implementado por Schilder en 1974 (1), esta conformación se realizó con limas de
preparación endodóntica.
Es así como estas limas han sido un tópico de gran estudio en cuanto a su
fabricación refiere, ya que cada vez toma una mayor importancia que su utilidad
clínica sea más eficiente y segura. Dentro de los accidentes que aún se
presentan están las fracturas de estos instrumentos dentro del conducto radicular
durante la preparación, ya sea por una incorrecta técnica al ser utilizadas o por un
uso excesivo por parte del operador (2).
La fractura de una lima dentro del conducto radicular puede tener consecuencias
negativas para el diente, ya que no permite una correcta finalización de la
preparación y por lo tanto una deficiente eliminación del tejido (3); Grossman en
1969 informó que un instrumento fracturado puede influenciar disminuyendo la
cicatrización cuando hay una lesión periapical preoperatoria en un 47% en
comparación a un 89% cuando no hay lesión periapical previa (4). Otro tipo de
implicaciones asociadas son las de tipo legal, ya que puede existir algún tipo de
reclamación por parte del paciente al tener un fragmento del instrumento retenido
dentro del conducto (5).
La fractura de una lima puede estar asociada a diferentes factores como la
conformación de su diseño transversal, configuración o curvatura del canal
radicular, número de usos (6), la dinámica de uso (7), pero un factor determinante
es el tipo de aleación con las que son fabricadas, ya que esto nos permite
conocer sus propiedades mecánicas y como se deben utilizar para prevenir
accidentes.
En endodoncia se han utilizado principalmente aleaciones en acero al carbón,
acero inoxidable, y en las últimas dos décadas mayormente el uso de Níquel –
Titanio (Ni-Ti) (8). Desde que Walia y col. en 1988 introdujeron la aleación de
Níquel-Titanio en endodoncia (9), su uso se ha aumentado ya que es una
aleación con características específicas como lo son la súper-elasticidad y la
memoria de forma que permiten al clínico un mejor desempeño mecánico de éste
tipo de instrumental (10).2 Introducción
Sin embargo, la fractura de instrumentos en el conducto radicular sigue siendo un
evento que se presenta en la práctica endodóntica, los instrumentos de Níquel –
Titanio presentan una prevalencia a la fractura entre el 5% y el 21% (11). La
fractura de las limas puede ser de dos tipos: torsional o flexural. La fractura
torsional se presenta cuando una zona a lo largo del instrumento se atrapa pero
la rotación continúa hasta que el material llega a su límite de deformación plástica
y se fractura. La fractura flexural se genera cuando un instrumento en rotación
continua dentro de una curvatura genera repetidamente ciclos de tensión y
compresión, los cuales llevan al límite de máxima flexión (12). La fatiga torsional
está reportada con una ocurrencia aproximada del 55.7% y la flexural con
44.3%(13). Todos estos factores hacen necesaria la investigación en el desarrollo
del material de fabricación; actualmente, en muchos sistemas de preparación de
Níquel - Titanio, la aleación presenta tratamientos termomecánicos que mejoran
considerablemente sus propiedades características mecánicas (14).
Con tal fin, se hace necesario no solo buscar mejorar las aleaciones ya
presentes, si no investigar nuevos materiales para la fabricación de instrumental
de preparación en endodoncia. Algunas aleaciones que se han utilizado en otros
campos de la odontología como la ortodoncia, donde se encuentran el uso de
alambres en aleaciones diferentes a las utilizadas en endodoncia, como el
Titanio-Molibdeno (TMA), que en ortodoncia es utilizado cuando las magnitudes
de fuerza requeridas son mayores a las del Níquel - Titanio y aleación en Titanio-
Niobio que se utiliza en ortodoncia, mayormente, para acabados con mayor
precisión (15).
Estas aleaciones pueden ser estudiadas como una opción de material para su
posible uso en endodoncia, por lo tanto, el presente estudio evaluará la
propiedades mecánicas y estructurales del alambre en aleación de Níquel –
Titanio convencional ya utilizada en endodoncia y comparar con alambres en
aleaciones de Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio y determinar si posiblemente
alguna de estas últimas pueden ser sugeridas en la posible fabricación de
instrumentos de preparación en endodoncia.
Este estudio busca comparar las propiedades mecánicas y estructurales de la
aleación de Níquel - Titanio convencional comparándolas con la aleación Titanio –
Molibdeno y Titanio - Niobio, y según los resultados obtenidos determinar si sus
propiedades pueden ser de utilidad en la fabricación de limas endodónticas.1. Justificación
A lo largo de la historia se han manejado diferentes aleaciones en la fabricación
de limas para preparación biomecánica, en la actualidad hay dos opciones de
aleaciones en endodoncia, una es el acero inoxidable pero su mayor limitante es
que tiene una deformación del 1% antes de fracturarse (8). Buehler y col. en
1963, desarrollaron el Níquel-Titanio para el programa espacial en el Laboratorio
Naval Ordenance en Silver Springs, Maryland, EE.UU. (10); en endodoncia, esta
aleación se introdujo en 1988 por Walia y col., demostrando con pruebas
mecánicas que las limas en Níquel -Titanio tenían un mejor desempeño que las
de acero inoxidable (9).
El Níquel-Titanio es una aleación con memoria de forma, esto ofrece un
comportamiento superelástico (alrededor del 8%) (9) (16). Se han realizado
tratamientos térmicos en la aleación en busca de mejorar sus propiedades
mecánicas, como es el caso del M-wire® (Dentsply), que es Níquel - Titanio
termomecánicamente modificado; éste tratamiento térmico se enfoca hacia el
ajuste de la temperatura de transición de fase austenita a martensita generando
una fase intermedia, llamada fase R que modifica la aleación
microestructuralmente; lo que aumenta la resistencia a la fatiga (17). Otra de
estas modificaciones es el CM wire® (DS Dental), el cual por medio de un
proceso termomecánico especial controla la memoria del material, hace las limas
aún más elásticas, pero sin la memoria de forma del Níquel - Titanio convencional
(14). Esta nueva generación de limas, presenta también Vortex Blue® (Tulsa
Dental Specialties), sometida a un proceso de fabricación en busca de reducir la
memoria de forma para que el operador pueda preformarla (18).
A pesar del avance, siguen presentándose fracturas de los instrumentos, por que
el Níquel – Titanio puede mostrar un fracaso repentino, ya que no es fácil detectar
signos de deformación visibles (10). La aleación Titanio–Molibdeno (Ti - Mo),
ampliamente utilizada en ortodoncia, está compuesta por un 78.4% de Titanio,
11.33% de Molibdeno, 6.28% de Zirconio y un 4.05% de Estaño, tiene una
resistencia a la corrosión comparable con la del acero inoxidable (19). La aleación
Titanio Niobio (Ti - Nb) también utilizada en ortodoncia, dentro de su composición
presenta elementos como el Titanio, Niobio, Tantalio y Circonio, tiene una alta
resistencia a la corrosión y una buena biocompatibilidad (20).4 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
2. Pregunta de investigación
Teniendo en cuenta que una de las aleaciones más utilizadas en fabricación de
limas para preparación biomecánica en endodoncia es el Níquel-Titanio, se
plantea como pregunta de investigación:
¿Cuáles son las diferencias en la comparación de las propiedades mecánicas y
estructurales en tres tipos de alambre en aleación de Níquel-Titanio convencional,
aleación de Titanio-Molibdeno y aleación de Titanio-Niobio?Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 5
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
3. Objetivos
3.1 Objetivo General
Comparar las propiedades mecánicas y estructurales de alambre en aleación de
Níquel Titanio convencional con alambres en aleaciones de Titanio-Molibdeno y
Titanio-Niobio.
3.2 Objetivos Específicos
• Determinar las propiedades mecánicas para los tres tipos de
aleaciones.
• Determinar las propiedades estructurales para los tres tipos de
aleaciones.
• Contrastar los resultados obtenidos en las pruebas para determinar si
las aleaciones de Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio pueden ser
utilizadas como material de fabricación de limas endodónticas.4. Generalidades
4.1 Inicios de los Instrumentos de Preparación en
Endodoncia
Al realizar un tratamiento endodóntico en la fase de la preparación, se tiene como
objetivo eliminar tejido y microorganismos que están asociados como la principal
causa de enfermedad periapical (21). Los instrumentos utilizados para realizar la
preparación de los conductos radiculares han tenido una evolución significativa; el
primer instrumento que se utilizó para eliminar el tejido pulpar, fue fabricado por
Pierre Fauchard en 1746, el cual se basaba en un alambre templado y cortado al
cual se le adaptó un mango; en 1838, Mynard diseñó un instrumento con un
muelle de reloj (22). Ya para 1915 en una aleación de acero al carbono se crea la
primera lima tipo K(23).
Durante ese periodo de tiempo las limas fueron producidas con especificaciones
establecidas según el fabricante, hasta que John Ingle en 1955, propuso una
estandarización en la numeración y diámetros de las limas, la especificación nº 28
de la ANSI/ADA fue aprobada hasta 1974 (23); al tiempo que también se empezó
a reemplazar la aleación de los instrumentos por acero inoxidable, que no sufría
de la misma corrosión al esterilizarse y al entrar en contacto con el hipoclorito de
sodio, (NaClO) (24). La casa comercial Kerr fue la primera en fabricar limas tipo K
en acero inoxidable, torsionando en sentido antihorario un vástago que tenía un
diseño transversal triangular o cuadrado, generando un ángulo helicoidal
constante con ángulos de corte. La misma casa comercial para 1984 fabricó las
limas K-Flex que tienen un diseño transversal romboidal el cual le genera mayor
flexibilidad (22).
Para el mismo año, la especificación nº 28 ANSI/ADA 3630 de la ISO FDI #58,
generó limas con corte más agresivo que posee un diseño transversal circular,
conocidas como limas Hedströem (22). Sistemas como el Canal Finder,
Giromatic, Mecasonic o Excalibur, fueron las primeras piezas de mano
automatizadas que en los 80 fueron comercializadas para trabajar limas de acero
inoxidable, pero por la rigidez de la aleación se reportó que tiende a desviar el
conducto (25).8 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
4.2 Níquel – Titanio y su inicio en endodoncia
El Laboratorio de Artillería Naval en Silver Springs, Maryland, EE.UU, a principios
de 1960 desarrolló la aleación de Níquel – Titanio por William Buehler ya que él
estaba investigando aleaciones no magnéticas y resistentes a la corrosión (26).
Una de la propiedades más importantes encontradas en ésta aleación es la
memoria de forma, la cual permite que después de someter el material a carga o
aumento de temperatura y sufrir deformación, éste tiende a recuperar su forma
original (10). El nombre que se le dio a la aleación fue Nitinol, que es un acrónimo
de Níquel: Ni, Titanio: Ti y Naval Ordnance Laboratory: NOL (26).
Las aleaciones de Níquel – Titanio se han aplicado con éxito como biomateriales
en diferentes áreas de la salud, sin embargo, se ha señalado que el Níquel puro
es un elemento tóxico y causa hipersensibilidad; aunque la aleación se
consideran estar sin riesgo en el cuerpo(27). En 1971 inició el uso de esta
aleación en odontología, la introdujo Andreasen para ser utilizada como alambre
de ortodoncia, ya que por su recuperación elástica, confiere un distinto rango de
trabajo y diferentes movimientos en comparación con otras aleaciones (28). Ya
para 1988 la aleación aparece en endodoncia, sugerida por Walia, Breantley y
Gerstein en la fabricación de limas, ellos realizaron pruebas mecánicas en las
cuales sometieron a torsión limas de Níquel – Titanio y acero inoxidable #15/0,2,
encontrando una resistencia a la fractura de 2,5 revoluciones en sentido horario
para el Níquel – Titanio y 1,75 para el acero inoxidable; en sentido anti-horario el
comportamiento fue de 1,25 y 0,75 revoluciones respectivamente. Demostrando
la mayor flexibilidad en las limas de Níquel - Titanio que podrían ser utilizadas
para una preparación más segura de conductos con curvaturas, en comparación
con las limas ya realizadas en acero inoxidable (9).
El Níquel – Titano es una aleación con memoria de forma, posee un efecto
Térmico de Memoria, permitiendo que al calentarse sobre cierta temperatura
adopte una forma ya programada, ya que su estructura cristalina se conserva
mejor al ser sometida a carga y se reconstituye al ser expuesta a altas
temperaturas(29). La aleación de Níquel- Titanio utilizada en endodoncia está
compuesta aproximadamente por un 56% de peso en Níquel y un 44% de peso
en Titanio, mostrando una relación en similar proporción química (29), el término
para ésta aleación es conocido como 55-Nitinol ®, que tiene la capacidad de
modificar el tipo de enlace atómico y causar cambios significativos en las
propiedades mecánicas y causar cambios en la disposición cristalográfica,
cambios ocasionados por el estrés mecánico y aumento de la temperatura (10).Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 9
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
4.2.1 Fases cristalográficas del Níquel – Titanio
Durante la preparación biomecánica con limas de Níquel –Titanio, la aleación
puede presentar una transformación de la fase austenita a martensita como
resultado al estar sometida a esfuerzo, cuando esta carga excede el límite
elástico de la aleación, causa una deformación permanente. Entre estas dos
fases cristalográficas hay una fase intermedia (fase romboédrica o fase R de
transformación) que se puede formar por el alargamiento a lo largo de cualquiera
de las direcciones de la estructura austenita que es cúbica centrada en el cuerpo
(Figura 4-1) (27). La propiedad de superelasticidad y memoria de forma de la
aleación está relacionada con una propiedad de esfuerzo inducido, con la
transformación de sus fases cristalinas (Figuras 4-2 y 4-3). La fase austenita se
transforma en martensita, lo que requiere poca fuerza para ser doblada. Después
de retirar la carga, regresa a su fase austenita recuperando su forma original,
propiedad de memoria de forma (10). A pesar de presentar propiedades de súper
elasticidad y memoria de forma, la aleación puede llegar a su límite elástico,
iniciando una fase deformación plástica que puede llegar al límite de fractura,
imperceptible macroscópicamente.
a. b. c.
Figura 4- 1. a. La estructura cristalina de la matriz (Fase austenita: Cristalina
Cúbica centrada en el cuerpo), b. Transición entre las dos fases (fase
romboédrica o fase R), c. Fase Martensita (disposición hexagonal). (a, b, c, a’, b’
y c’: distancias interatómicas). Tomado de (27).
.10 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Figura 4- 2. Propiedad de súper elasticidad de la aleación Níquel – Titanio.
Tomado de (10).
Figura 4- 3. Propiedad de memoria de forma en la aleación Níquel – Titanio.
Tomado de (10).
La fase austenita es una fase cristalina cúbica de cuerpo centrado de la aleación
que se da en rangos altos de temperatura (100 °C), es una fase estable que
cuando se enfría en un rango de temperatura crítica de transformación, muestra
cambios en su módulo de elasticidad y límite elástico. La fase martensita
corresponde a una estructura cristalina de disposición hexagonal de la aleación,
que se da por la reducción de temperatura (-50°C) y consecuente cambio de la
estructura. La transformación de fases es dada en función de la temperatura
inicial y temperatura final, que provoca un cambio de las propiedades físicas (29).
Cuando la temperatura en fase martensita aumenta, empieza la transformación a
fase austenita, denominada temperatura de transformación inicio austenita; y la
temperatura con la que fase se completa es la temperatura de transformaciónComparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 11
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
final austenita, lo que significa que por encima de esta temperatura la aleación
adquiere sus propiedades de memoria de forma y súperelasticidad. El
enfriamiento de esta fase austenita representa el inicio de la transformación de la
fase martensita, denominada temperatura de transformación inicio martensita; la
temperatura a la que la fase martensita es totalmente revertida se denomina fase
de transformación final martensita (Figura 4-4). Cuando ocurre este fenómeno,
se generan las propiedades características físicas y mecánicas del material;
propiedades como su bajo módulo de elasticidad, aproximadamente 33 GPa,
generando una deformación elástica de aproximadamente 8% (10).
Figura 4- 4. Transformación martensita de la aleación Níquel-Titanio. Tomado de
(10).
4.2.2 Fabricación y características de limas de Níquel – Titanio
convencional en endodoncia y modificaciones
termomecánicas de la aleación
Las limas de Níquel – Titano tienen un proceso de elaboración más complejo en
comparación con las realizadas con acero inoxidable, las cuales se fabrican por
medio de una técnica de entorchado de un vástago (22). La fabricación inicia con
un proceso de fusión de vacío doble la cual garantiza que la pureza y la calidad
manteniendo las propiedades mecánicas. Posteriormente la refusión por arco en
vacío tiene lugar, con el fin de mejorar la aleación en cuanto a homogeneidad y
estructura. Después de fabricada la aleación, se forja con una prensa dando una
forma cilíndrica y se realiza una estampación rotatoria a presión para crear un
alambre estirado, a continuación el alambre se enrolla para producir una forma
cónica con una presión uniforme a partir de una serie de rodillos, este alambre
enrollado pasa por un proceso llamado Wire Drawing o trefilado que consiste en12 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
reducir el área de la sección transversal; posteriormente se realiza un tratamiento
de calor o recocido en una configuración recta (Figura 4-5). El fortalecimiento de
la aleación se produce por deformación a bajas temperaturas, manteniendo un
mínimo de deformación del 12% a la tracción. Algunas variantes en la aleación de
Níquel – Titano son más sensibles a los tratamientos térmicos que pueden
interferir tanto en la memoria de forma y el comportamiento súper elástico. Ya que
un aumento en la temperatura del recocido aumenta también la temperatura de
transformación (10).
Figura 4- 5. Proceso de manufactura del Níquel – Titanio. Tomado de (10).
El proceso de fabricación de los instrumento de preparación de Níquel – Titanio,
se realiza de manera maquinada ya que la propiedad de memoria de forma no
perimite que el entorchado se mantenga fácilmente. Es así como un alambre
deber ser tallado para dar forma y diseño al instrumento. Este proceso puede
generar defectos de superficie en el material, como irregularidades (marcas de
fresado), y en los bordes de corte que pueden modificar el funcionamiento de la
lima, aunque se introdujo proceso de electropulido para disminuir los defectos de
estas microgrietas y se ha reportado que éste mejora la resistencia a la fractura
de estos instrumentos (30). Algunos parámetros influyen en la temperatura de
transformación, como lo es el contenido de Níquel o una sustitución de elementos
como el Cobalto que reduce la temperatura de transformación (10).
Las limas de Níquel – Titano, también se han realizado con múltiples diseños
transversales y diferentes conicidades. En 1991 aparece la primera generación de
instrumentos rotatorios con áreas radiales pasivas, conicidad constante y un solo
diseño en el corte transversal, cada sistema tenía entre 4 – 18 instrumentos,
como lo fue la aparición de sistemas Maillefer ProFile® (Dentsply/Maillefer),
ProFile serie 29® (Dentsply/Tulsa) (Figura 4-6), Hero 642® (MicroMega), ProFile
GT® (Dentsply/Tulsa) (31).Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 13
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
a. b.
Figura 4- 6. Ejemplo de un sistema de la primera generación: Instrumento ProFile
rotatorio (DENTSPLY Tulsa Dental, Tulsa, OK). (a.) Nótese el apoyo radial (land)
ancho del instrumento (flechas). Tomado de (32).
La segunda generación de instrumentos de Níquel – Titanio, aparece
aproximadamente en el año 2001, venía acompañada de instrumentos con un
ángulo de corte activo y conicidad variables. Algunos ejemplos de éstos tipos de
instrumentos fueron RaCe® (FKG Dentaire Swiss Dental), K3® (Sybron Dental
Specialities), MTwo® (VDW, Munich,Germany). (Figura 4-7) (31).
a. b. c.
Figura 4- 7. Sistemas de segunda generación: a. representación de ángulo de
corte positivo, b. Diseño transversal lima K3®, c. Diseño transversal MTwo®.
Tomado de (32, 33)
La tercera generación se caracterizó por una modificación de los instrumentos, ya
que se generaban fracturas tanto por torsión como por flexión o una combinación
de ambas (12). Este tipo de eventos pueden influir en el resultado final del
tratamiento, disminuyendo el pronóstico hasta en un 20% (34).
La modificación que trajo esta generación fue una reforma en el proceso de
fabricación, que modifica la microestructura de la aleación, mejorando así la
respuesta de resistencia a la fatiga. En 2007 un cambio en la aleación de limas
de Níquel – Titanio fue llamada M-Wire® (Dentsply Tulsa Dental Specialties) por
su fase martensita, es una modificación del NiTi SE508®, la cual es producida por
la aplicación de una serie de tratamientos de calor y mecánicos a los espacios en14 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
blanco de la aleación convencional; la aleación es llevada a un aumento de la
temperatura (600°C) se somete a un proceso de enfriamiento rápido
(aproximadamente -80°C), posteriormente el material se estira en fase martensita
(17). Johnson y col. informaron que los instrumentos realizados con M-Wire® con
un diseño ProFile® (Maillefer SA, Ballaigues, Switzerland), mostraron casi un
400% de mayor resistencia a la fatiga cíclica comparada con los instrumentos de
aleación convencional (35) (33). El M-Wire® tiene diferentes características en
cuanto a las fases microestructurales: austenita, fase R y martensita. La fase R es
una fase de transición con una estructura cristalina romboédrica que se presenta
en la transformación al calentamiento de martensita a austenita y de
trasformación de austenita a martensita durate el enfriamiento, esta fase R se
produce en un rango de temperatura estrecho (14). M-Wire también tiene como
propiedad aumentar la tempreatura de transformación de fase austenita (14),
(35). Algunos de los sistemas pertenecientes a esta generación son GTX-GT®
Series X (Dentsply, Germany), TF- Twisted Files® (SybronEndo, USA), BioRace
(FKG Dentaire Swiss Dental) Vortex® (Dentsply Tulsa Dental Specialties, Tulsa)
(Figura 4-8). (31).
a. b.
Figura 4- 8. Sistema de tercera generación: Vortex® (Dentsply Tulsa Dental
Specialties, Tulsa), sistema sin áreas radiales. Tomado de (33).
La cuarta generación de instrumentos, es donde inician los sistemas de
preparación con lima única, con conicidades y diseños transversales variables a
lo largo del instrumento; uno de los cambios más significativos es el cambio a
movimientos reciprocantes asimétricos basado en el movimiento de técnica de
fuerzas balanceadas propuesto por Roane en 1985 (36). Algunos de sus
instrumentos más característicos son Reciproc ® (VDW, Munich, Alemania) y
WaveOne ® (Dentsply Maillefer, Ballaigues, Switzerland) (31). La disposición de
sus hojas de corte están hacia la izquierda lo que hace que movimiento de corte
esté dispuesto en sentido antihorario, en esta misma dirección pero con un
ángulo de corte aumentado garantizando el avance del instrumento dentro del
conducto, mientras que un ángulo más corto en sentido horario permite a la lima
desactivarse y permitir un avance más seguro. Este tipo de movimiento alterno
permite disminuir el riesgo a la fractura por torsión (37). Los dos sistemas más
representativos de esta generación, manejan sus movimientos reciprocantes con
diferentes ángulos, WaveOne® tiene un movimiento en sentido antihorario deComparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 15
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
170° y 50° en sentido horario; por su parte Recirpoc ® tiene un movimiento
antihorario de 150° y 30° en sentido horario (Figura 4-9) (38).
a. b.
Figura 4- 9. Sistemas de cuarta generación: cortes trasversales de dos diseños de
limas de funcionamiento con movimiento reciprocante: a. Reciproc ® (VDW,
Munich, Alemania) y b. WaveOne ® (Dentsply Maillefer, Ballaigues, Switzerland).
Tomado de (39).
La quinta generación de instrumentos (31), retoma en algunos sistemas de nuevo
la preparación con rotación continua, sistemas con conicidades variables y
diseños que varían en su configuración transversal a lo largo del instrumento.
Algunos se siguen fabricando con aleación M-Wire ®, como el sistema ProTaper
Next® (PTN, Denstply Tulsa Dental) (Figura 4-10), y otros con Níquel – Titanio
convencional con tratamientos térmicos que modifican las propiedades de
memoria de forma, es decir que estos sistemas se pueden preformar, algunos de
los sistemas más representativos son Vortex Blue® (Dentsply Tulsa Dental,
Tulsa, OK) que tiene un tratamiento termomecánico en ausencia de Oxigeno que
hace que la lima sea de color azul; por su parte WaveOne Gold® (Dentsply
Maillefer) que al igual que WaveOne® mantiene un movimiento de tipo
reciprocante, pero por su tratamiento térmico la lima adquiere un color amarillo ya
que su tratamiento se realza en presencia de Oxígeno (39). Otra de estas
modificaciones es el CM wire® (DS Dental - 2010), el cual por medio de un
proceso termomecánico especial controla la memoria del material, hace que las
limas adquieran mayor propiedad de súperelasticidad, pero sin la memoria de
forma del Níquel -Titanio convencional (14).16 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Figura 4- 10. Sistema de quinta generación: Corte transversal ProTaper Next®
(PTN, Denstply Tulsa Dental). Tomado de (40).
4.3 Aleación de Titanio – Molibdeno
La aleación Titanio – Molibdeno, es utilizada en odontología en el campo de la
ortodoncia. Fue introducida en por Burstone y Goldberg en 1980 como alternativa
para arcos que se pudieran utilizarse en cualquier momento del tratamiento
ortodóntico, está disponible comercialmente como TMA. Es una aleación
compuesta por un 79% de Titanio, un 11% de Molibdeno, un 6% de Zirconio y un
4% de Estaño. Es comúnmente conocida como β Titanio, utilizada por sus
propiedades como lo son la alta recuperación elástica, baja rigidez y alta
capacidad de conformación en comparación al acero inoxidable. Adquiere su
nombre de β Titanio gracias a que la aleación se reorganiza cristalográficamente
en un cuerpo cúbico centrado, referido como la fase β. El Molibdeno hace que la
aleación a base de Titanio pueda mantener su estructura en fase β, incluso
cuando se enfría a temperatura ambiente. Al aumentar la temperatura a 480°C
obtiene propiedades de resistencia similares al acero inoxidable. El módulo
elástico de esta aleación es dos veces mayor que el Níquel – Titano y menos de
la mitad que la del acero inoxidable (41). Esta aleación también presenta una fase
Ω, la estructura de esta fase y su formación se da mediante tratamientos térmicos
en ciertas aleaciones de Titanio. (Figura 4-11) (42).Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 17
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
a. b.
Figura 4- 11. Estructura de la interface de fases β - Ω: a. disposición típica de la fase β
cúbica centrada en el cuerpo en interfaz, b. Dos tipo de unidad de celda que competan la
interfaz (A,B,C: distancias interatómicas) Tomado de (42).
Es bastante utilizado en ortodoncia por su rigidez intermedia entre el Níquel –
Titanio y el acero inoxidable, ya que puede ser desviado casi dos veces tanto
como el acero inoxidable pero sin deformación permanente. La aleación ha sido
modificada por procesos de implantación de iones en una cámara de vacío
generando un color diferente en el alambre (Purpura, Violeta, turquesa); este
proceso genera un aumento considerable de la resistencia a las fuerzas
compresivas en el material a nivel atómico, aumentando la resistencia a la fatiga
cíclica (15).
Dentro de la aleaciones súper elásticas que ha sido desarrolladas recientemente
que incluyen el Molibdeno en aleación con otros elementos están por ejemplo Ti-
Mo-Ga (Kim y col., 2004a), Ta-Mo-Sn (Maeshima y Nishida, 2004) y Ti (8-10) Mo-
4Nb-2V-3Al (% en masa) (Zhou y col., 2004) (27).
4.4 Aleación Titanio – Niobio
En odontología la aleación de Titanio – Niobio (Titanium Niobium: FATM, Sybron
Dental Specialities Inc., Orange, CA, USA) se utiliza en ortodoncia, sus primeros
reportes son del año 2000; se denomina como” alambre de acabado”, ya que es
diseñado para utilizar en las últimas etapas del tratamiento ortodóntico y así dar
acabados más precisos. Tiene un rango de trabajo similar al acero inoxidable, su
rigidez es un 20% menor al Titanio – Molibdeno y un 70% menor al acero (15)
(43). Es una aleación que se le confieren propiedades como una buena
elasticidad, fuerza y maleabilidad en frío. El Niobio tiene buena biocompatibilidad
y citocompatibilidad, además de ser una aleación libre de Níquel, uno de los
metales que más comúnmente genera alergias (44). Comercialmente se conoce
como Gummetal (Ti-Nb alloy, Gummetal, RMMC Inc., Tokyo, Japan), este último
con una composición química de Ti-Nb-Ta-Zr-O, conocidos por mostrar una alta18 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
resistencia, bajo módulo de Young y una deformación elástica hasta 2,5%,
también reporta la presencia de oxígeno aunque esté a menos del 1%. Se ha
reportado que la presencia de la unión entre el Zr-O tiene un papel importante
para generar estabilidad a la estructura cristalina (cúbica centrada en el cuerpo)
característica de la aleación (45).
Dentro de la aleaciones súper elásticas que ha sido desarrolladas recientemente
que incluyen el Titanio – Niobio en aleación con otros elementos están por
ejemplo, Ti-Nb-Sn (Takahashi y col., 2002), Ti-Nb-Al (Fukui y col., 2004), Ti-Nb-
Ta (H. Y. Kim y col., 2006a, b), Ti-Nb-Zr (H.Y. Kim y col., 2005a; JI. Kim y col.,
2006), Ti-Nb-O (Kim y col., 2005b), Ti-Nb-Pt (Kim y col., 2007). Se ha informado
que aleaciones binarias de Ti-Nb exhibieron propiedades con memoria de forma
y una súperelasticidad a temperatura ambiente, y éstas propiedades
súperelásticas pueden mejorarse considerablemente mediante el tratamiento
termomecánico (H. Y. Kim y col., 2004, 2006). También se ha informado que las
propiedades súperelásticas de aleaciones de Ti-Nb pueden ser mejoradas por la
adición de elementos químicos en la aleación, tales como Zr, Ta, Pt y O (H. Y.
Kim y col., 2006, 2007; J. I. Kim y col., 2005, 2006) (27). Las nuevas aleaciones
ternarias Ti-Nb-Mo se consideran como candidatas potenciales para su aplicación
biomédica, sobre la base tanto de sus características microestructurales como
resistencia a la corrosión (46).
4.4.1 Fases cristalográficas del Titanio – Niobio.
En la transformación de las fases cristalográficas de la aleación de Titanio –
Niobio, el enfriamiento de la fase β (cúbica centrada en el cuerpo, Figura 4-12
(a)), conduce a una transformación martensita de esta fase β ya sea a una fase
α’ (hexagonal) (Figura 4-12 (b)) o una fase α" (ortorrómbica) (Figura 4-12 (c)). El
efecto de memoria de forma en aleaciones a base de Titanio -Niobio está
asociada con la transformación reversible entre la fase β y fase α" (27).
a. b. c.
Figura 4- 12. Fases cristalográficas del Ti – Nb: a. fase β: cúbica centrada en el
cuerpo, b. fase α’: hexagonal, c. fase α": ortorrómbica. (a, b, c, a’, b’ y c’:
distancias interatómicas). Tomado de (32) .Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 19
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
4.5 Métodos de estudio de los instrumentos de
preparación
Con el aumento del uso de los sistemas de preparación en Níquel – Titanio, se
han investigado por medio del uso de técnicas y herramientas de otros campos;
existiendo una gran variedad de modelos y métodos aplicados.
4.5.1 Caracterización metalúrgica
Las transformaciones de fase en la aleación pueden ser detectadas por medio de
los cambios de temperatura, es decir el cambio de temperatura a la que la fase
inicia su transformación, una técnica metalúrgica para detectar este tipo de
variaciones y que ha sido utilizada en endodoncia para evaluación en limas es la
calorimetría diferencial de barrido (47). Las temperaturas de transformación
pueden ser alteradas por pequeños cambios en la composición, las impurezas, y
el calor del tratamiento durante el proceso de fabricación, uno de los métodos de
detección es por medio de microscopía electrónica de transmisión (48). Otras
pruebas asociadas en investigar la microestructura y trasformación de las fases y
que han sido utilizadas en endodoncia son la microscopía óptica, la microscopía
electrónica de barrido y la difracción de rayos X (49).
Análisis de composición por elementos mediante microscopía electrónica
de barrido (SEM) y espectroscopía de dispersión de rayos X (EDX)
Es una técnica que permite realizar la caracterización morfológica estructural de
las superficies mediante imágenes con diversas resoluciones. Ésta técnica utiliza
un microscopio electrónico de barrido el cual utiliza un haz de electrones en lugar
de un haz de luz y así formar una imagen ampliada del objeto.
El microscopio tiene un haz de electrones que recorre la muestra, los electrones
del haz interactúan con la muestra y pueden:
• producir una reflexión elástica sin pérdida de la energía;
• pueden ser absorbidos por la muestra y producir un haz de luz;
• ser absorbidos por la muestra y producir electrones secundarios de baja
energía los cuales se originan a pocos nanómetros de la superficie de la
muestra.
Los electrones serán detectados como una distribución de intensidad, que
depende de la cantidad de electrones que lleguen al detector. Conforme el ángulo
del haz incidente aumenta, la distancia de escape de un lado del haz disminuirá y20 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
más electrones secundarios serán emitido. La imagen del objeto puede ser
ampliada alrededor de 100.000 veces (50).
Éste microscopio puede estar acoplado con una sonda para realizar análisis
químico, que brinda información sobre la composición química del material. El
sistema funciona con un haz de electrones que produce la excitación de un
electrón de la capa interna del átomo generando su expulsión, que será
reemplazado por un electrón de una capa de energía más externa, el exceso de
energía del electrón reemplazante se libera en rayos X que son detectados y
generan la lectura de las líneas espectrales de cada elemento presente (47).
En el análisis de instrumental endodóntico, la microscopía electrónica de barrido
ha sido utilizada principalmente en la evaluación de defectos en la superficie del
proceso de fabricación, zonas de microgrietas que son factor predisponente a la
fractura de instrumentos, visualización de las zonas de inicio de fractura (Figura
4-13), como también cambios de superficie de instrumentos sometidos a
procesos de esterilización (51) (52).
a. b.
Figura 4- 13. SEM Lima Twisted File® (SybronEdo, USA): a. Visualización de defectos, b.
Visualización de microgrietas Tomado de (51).
Difracción de Rayos X
La difracción de rayos X es una técnica fisicoquímica no destructiva que nos
permite obtener información cualitativa y cuantitativa de las propiedades de los
compuestos tales como estructura cristalina, parámetros de red, fases presentes
y posiciones atómicas; es decir, su caracterización estructural. Los rayos X son
dispersados en el cristal a causa de la interacción de los fotones con las
densidades electrónicas de los átomos y no con el átomo como un todo (53, 54).
Cuando un haz de rayos X monocromático de longitud de onda incide sobre un
material cristalino con un ángulo θ, la difracción solamente ocurre cuando las
reflexiones procedentes de planos de átomos paralelos interfieren
constructivamente como se indica en la Figura (4-14):Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 21
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Figura 4- 14. Ley de Bragg. La reflexión de Bragg puede producirse únicamente
para longitudes de onda l ≤ 2d (55)
Se produce interferencia constructiva de la radiación procedente de planos
sucesivos cuando la diferencia de trayectos es un número entero n de la longitud
de onda θ, de modo que (ecuación (4.1)):
nl =2dseqn (4.1)
Graficando las intensidades resultantes de la difracción en función del ángulo de
incidencia se obtienen un patrón que es característico para cada material. Para el
análisis de materiales mediante la técnica de difracción de rayos X se utiliza un
difractómetro de rayos X que tiene un contador de radiación para detectar el
ángulo y la intensidad del haz difractado (53).
En la evaluación de limas endodónticas de Níquel – Titanio, este método ha sido
utilizado para identificar las fases cristalográficas de la aleación normalmente
después de ser utilizadas y así registrar su trasformación. Muchas veces la
difracción de rayos X para evaluación de instrumentos ha sido utilizada en
conjunto con técnicas como la calorimetría diferencial de barrido como
complemento (49).
4.5.2 Comportamiento Mecánico
La tendencia a la fractura de los instrumentos de Níquel – Titanio durante su uso
ha sido una preocupación para los clínicos (11), ya que un instrumento retenido
en el conducto puede limitar el libre acceso del irrigante y afectar la acción de
éste, impidiendo la eliminación de tejido y de microorganismos, como también
impedir el paso de otros instrumentos y así afectar la preparación de las paredes
del conducto radicular (3, 56). Hasta la fecha, múltiples pruebas han sido
desarrolladas para evaluar los aspectos clínicos de uso más relevantes de los22 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
instrumentos durante la preparación, estos aspectos son la torsión, la flexión y la
fatiga cíclica (49).
Ensayos de tensión: Gráfica del esfuerzo en función de la deformación.
Es un ensayo que se utiliza para la medición de las propiedades mecánicas de
los materiales. Éste se realiza tradicionalmente en una máquina de ensayos
universal. Las probetas ensayadas deben estar normadas según la pieza que se
va a someter a tensión. La información de comportamiento del material en cuanto
a elasticidad, resistencia y ductilidad, se obtiene realizando una prueba de tensión
que deformará la probeta del material por medio de una carga progresiva uniaxial,
generando una elongación de manera longitudinal, la cual se encogerá en
dirección al plano perpendicular. La probeta estará sujeta por medio de mordazas
que estarán ubicadas a los extremos de ésta, dichas mordazas estarán
conectadas a la celda de carga, la cual entrega una señal que representa la carga
que está siendo aplicada; las mordazas deben estar firmes e impedir el
deslizamiento de la probeta durante el ensayo. La máquina de ensayos universal
empezará a desplazar el cabezal móvil a la velocidad a la cual fue programada,
arrojando los datos del desplazamiento al computador con el cual está
comunicado; este computador registra los datos de fuerza y alargamiento, que
posteriormente serán convertidos en datos de esfuerzo y deformación para
construir la gráfica que permite caracterizar las propiedades mecánicas propias
del material que está siendo ensayado (55, 57, 58).
Al realizar una fuerza de tracción uniaxial en el material se produce una
deformación, si al retirar la carga el material recupera sus dimensiones iniciales
se determina que dicha deformación fue de tipo elástica. Por el contrario si la
deformación fue lo suficiente que no permite que el material se recupere y no
regrese a sus dimensiones originales, se determinará que la deformación fue de
tipo plástica (55).
La gráfica esfuerzo deformación es la curva resultante que tiene los valores de
esfuerzo y la correspondiente deformación calculada a partir de los datos de un
ensayo de tensión y va a mostrar el esfuerzo necesario del material para que
fluya hacia cualquier deformación dada (figura 4-15).Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 23
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Figura 4- 15. Gráfica esfuerzo-deformación convencional. Tomado de (59).
El esfuerzo se define como la intensidad de las fuerzas internas que resisten un
cambio en la forma de un cuerpo. Ésta puede ser de tres tipos: tensional,
compresión y de corte. La deformación es el cambio en la forma de un cuerpo,
que puede estar dada por esfuerzo o cambios térmicos. El análisis de la gráfica
nos puede arrojar datos como: rigidez (módulo de elasticidad), límite elástico,
fluencia, resistencia y porcentaje de deformación. El módulo de elasticidad va a
definir la mayor o menos capacidad del material de deformase bajo tensiones y
puede ser interpretado como rigidez, es así que a mayor módulo de elasticidad,
mayor rigidez del material, menor deformación elástica que se origina cuando se
aplica tensión (57).
El límite elástico es el nivel de tensión al que en este caso una aleación muestra
el inicio de una deformación plástica significativa, así que se define como la
tensión a la que se produce una deformación elástica definida (55). Se determina
trazando una línea paralela a la zona eslástica (lineal) a una deformación de
0,2%, después se traza una línea horizontal desde el punto de intersección entre
la línea anterior y la parte superior de la curva hasta alcanzar el eje de las
tensiones (59). La fluencia o cedencia es el punto de división en el final de la
deformación elástica y donde inicia la fase de deformación plástica, en los
metales este fenómeno suele presentarse de manera gradual; puede definirse
como la desviación inicial de la linealidad de la curva esfuerzo deformación y se
encuentra por encima del módulo elástico (57, 58). Cuando se alcanza la tensión
máxima, la probeta desarrolla una disminución localizada de la sección
transversal, la tensión convencional disminuirá con el incremento de la
deformación hasta producirse la fractura. Se traza por medio de una línea
horizontal desde el punto máximo de la curva hasta el eje de tensiones, y el valor24 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
donde esta línea se intercepta se denomina resistencia a la tracción (55) (Figura
4-16).
Figura 4- 16. Representación de fluencia en la curva esfuerzo deformación. Tomado de
(59).
El porcentaje de alargamiento de la probeta proporciona un valor de la ductilidad
de la aleación en este caso. Cuanto más dúctil es, más capacidad de deformación
y por ende mayor porcentaje de alargamiento (55). Los materiales dúctiles se
caracterizan por la capacidad de fluir a temperaturas normales. Cuando la
probeta se somete a una carga que va en aumento, su longitud se aumenta
linealmente al inicio, es por eso que la primera parte de la gráfica es en línea
recta con una pendiente pronunciada, pero al alcanzar cierto valor de esfuerzo la
probeta experimenta una mayor deformación con incremento relativo de la carga
(Figura 4-17 a.) (55). Los materiales frágiles se caracterizan por una fractura que
ocurre sin cambio notable previo de la tasa de elongación, en ellos no se
encuentra una diferencia entre la última resistencia y la resistencia a la fractura
(Figura 4-17 b.) (55, 59, 60).Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 25
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
a. b.
Figura 4- 17. Gráfica esfuerzo - deformación: a. Un material dúctil, b. Un material
frágil. Tomado de (59, 60).
El coeficiente de Poisson relaciona la deformación elástica longitudinal producida
por un esfuerzo simple a tensión con la deformación lateral que ocurre
simultáneamente. Cuando se aplica una fuerza de tracción a un metal se va a
producir una deformación ((cid:1) ) en dirección a la carga aplicada, y como resultado
(cid:2)
de este alargamiento se van a producir constricciones en direcciones laterales
(x,y) perpendiculares a la dirección de la aplicación de la tensión. A partir de
estas, se van a determinar las deformaciones de compresión ((cid:1) y (cid:1) ). El
(cid:3) (cid:4)
coeficiente de Poisson es el cociente entre las deformaciones axiales y laterales y
se calcula mediante la ecuación (4.2) (58, 59).
e e
v=- x=- x (4.2)
e e
z z
La ASTM (American Society for Testing and Materials), estandariza las pruebas.
La normalización de estas pruebas incluye: el desarrollo de los métodos de
ensayo para los materiales, establecimiento de definiciones normales,
formulación de especificaciones de materiales y formulación de prácticas
recomendables que influyen en varios procesos de utilización de materiales. En el
caso de los alambres de Níquel – Titanio, la norma ASTM que se ha designado
es la F2516-07E2 un método de prueba de tensión de los materiales súper
elásticos de Níquel – Titanio (61). Este ensayo proporciona información sobre
elasticidad, resistencia y ductilidad mediate esfuerzos de tracción uniaxial
gradualmente aplicados.
La norma determina la gráfica donde se incluyen los siguientes datos ilustrados
en la Figura (4-18):
• Fuerza meseta superior (UPS). Se determinó como el valor del esfuerzo a
una deformación del 3% durante la carga inicial de la muestra.26 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
• Fuerza meseta inferior (LPS): Se determinó como el valor del esfuerzo a
una deformación de 2,5% durante la descarga de la muestra.
• Elongación residual (El): Se determinó por la diferencia entre deformación
r
a un esfuerzo de 7,0 MPa durante la descarga y la deformación a un
esfuerzo de 7,0 MPa durante la carga.
• Elongación uniforme (El ): Se determinó por el alargamiento cuando se
u
alcanza la fuerza máxima justo antes de la formación de muescas, fractura
o ambos.
Figura 4- 18. Términos ilustrados en una típica gráfica esfuerzo deformación de
Níquel – Titanio. Tomado de (61).
Ensayos de Torsión
Los ensayos de torsión son realizados en materiales para determinar propiedades
como el módulo de elasticidad en corte, el esfuerzo de fluencia torsional y el
módulo de ruptura. Es un ensayo que no ha sido tan ampliamente estandarizado
como un ensayo de tensión y rara vez se requiere para especificaciones en
materiales. Una máquina de torsión consiste en un cabezal giratorio con un
husillo que aplica el momento giratorio a la muestra y una cabeza bascular que
sujeta el material y realiza la medición te torque. La deformación del espécimen
se efectúa mediante el desplazamiento angular de un punto cercano a la
terminación de alguna sección de trabajo de la pieza, con respecto a un punto en
la misma sección longitudinal del elemento en una terminación opuesta (62).
En endodoncia, la fractura de tipo torsional de los instrumentos ocurren cuando la
lima al entrar en contacto con las paredes del conducto, en algún sitio a lo largo
del instrumento se genera atrapamiento, el motor que la acciona al seguir en
funcionamiento y el instrumento al no poder liberarse, sobrepasa su límite elásticoComparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 27
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
y llega a la fractura, es así como las limas deben poseer suficiente resistencia al
cizallamiento para resistir a la fractura por torsión (13).
Para el instrumental endodóntico las normas de la American National Standards
Institute y la American Dental Association (ANSI/ ADA) en su especificación
número 28 del año 2002, normaliza las pruebas para medir la resistencia bajo
torsión y flexibilidad de las limas manuales tipo K de acero inoxidable; estas
pruebas fueron adoptadas por la norma ISO 3630-1 en el 2008 para instrumentos
con una conicidad del 0,02% (Figura 4-19) (63). Hasta la fecha, no hay una
especificación o norma internacional para la prueba de resistencia a la torsión de
instrumentos rotatorios en endodoncia. Es así que hay múltiples reportes de
variadas metodologías para su medición (49).
Figura 4- 19. Demostración de máquina para medir torsión según la especificación
de la ANSI/ADA #28: Prueba para limas manuales tipo K con una restricción a
3mm de la punta. Tomado de (63).
Ensayos de Fatiga Cíclica
La fatiga cíclica es un ensayo que determina el comportamiento relativo de los
materiales cuando se les somete a cargas repetidas. El material es sometido a
esfuerzos alternativos de tensión y compresión de igual magnitud mientras se
hace girar la muestra. Los principales factores que afectan la resistencia la fatiga
de un material son:
• Concentración de esfuerzos: la resistencia se reduce por aumentos de
tensión en hendiduras, agujeros, cuñas o cambios de secciones
dimensionales. Los fallos se ven minimizados dependiendo del diseño.
• Rugosidades superficiales: en general entre más lisa sea la superficie de la
muestra mayor será la resistencia a la fatiga.
• Estado de la superficie: las fallas se originan en la superficie del material,
cualquier cambio en las condiciones de superficie afecta la resistencia. Los28 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
tratamientos superficiales o termoquímicos mejoran la respuesta del
material.
• El ambiente: si un ambiente corrosivo está presente durante los esfuerzos
cíclicos, el ataque químico, acelera la velocidad a la cual se propaga la
fatiga. Este fenómeno es conocido como fatiga por corrosión (62).
En endodoncia la fractura de instrumentos de tipo flexural se genera cuando la
lima gira libremente dentro de una curvatura, generando constantemente ciclos
de tensión (área externa de la curva) y de compresión (área interna de la curva),
debilitando el material y generando la propagación de microfisuras, esto lleva al
punto de máxima flexión y posteriormente la fractura del instrumento (12, 49). Es
así como los instrumentos deben ser resistentes a la fatiga cíclica por tener la
suficiente flexibilidad para girar en canales radiculares curvos, Hasta la fecha, no
hay una especificación o norma internacional para la prueba de resistencia a la
fatiga cíclica de instrumentos de preparación en endodoncia. Es así que hay
múltiples reportes de variadas metodologías para su medición (49). Se denomina
entonces la llamada “resistencia a la fatiga”, que generalmente es definida como
el número de revoluciones que sostiene antes de la fractura (64).
Todos estos estudios intentan simular un instrumento rotatorio en una curvatura y
determinar cuánto (en términos de tiempo o número de revoluciones) durará
antes que se produzca la fractura (65). Idealmente, el dispositivo para ensayos de
fatiga debe confinar la lima rotatoria en una trayectoria precisa, en términos de
radio y ángulo de la curvatura (49). Hasta la fecha hay cuatro tipos de
modalidades para confinar el instrumento a una curvatura: un tubo metálico
curvado (o una aguja hipodérmica curvada), un bloque ranurado dándole forma a
un surco, rotación en contra de un plano inclinado y tres puntos que hacen un
recodo en un instrumento (Figura 4-20) (11). Cabe resaltar que en estos ensayos
los instrumentos son accionados por medio de los motores de uso clínico.
a. b.
Figura 4- 20. a. Lima sometida a fatiga cíclica en un conducto simulado: flecha señala
zona de la curvatura donde se generó la fractura (40). b. Ensayo de fatiga cíclica donde
tres puntos hacen un recodo en un instrumento. Tomado de (66).Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 29
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
5. Materiales y métodos
5.1 Tipo de estudio
Se realizó un tipo de estudio experimental.
5.2 Selección del material
Arcos superiores de ortodoncia con alambres de medidas similares y
conformación rectangular en su diseño transversal, se usaron tres tipos de
aleaciones diferentes:
• Aleación Níquel - Titanio de 0,16mm x 0,22mm de diámetro.
• Aleación Titanio - Molibdeno de 0,16mm x 0,22mm de diámetro.
• Aleación Titanio - Niobio de 0,18 x 0,22mm de diámetro.
Cada arco tiene aproximadamente una longitud de 150mm. Se utilizaron 10
alambres por cada tipo de aleación según la referencia (67).
5.3 Análisis de composición por elementos mediante
microscopía electrónica de barrido y espectroscopía
de dispersión de rayos X
En el laboratorio de microscopía electrónica de barrido, del departamento de
Física de la facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Colombia, se llevó
a cabo el análisis los alambres correspondientes con las tres aleaciones
utilizando el microscopio electrónico de barrido (FEI® modelo Quanta
200_Metalizador) (Figura 5-1). Esto nos suministró información acerca de la
textura y composición química de los dos materiales.30 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Figura 5- 1. Equipo SEM-EDX.
5.4 Ensayo de Tensión
En el laboratorio de ensayos mecánicos de la Facultad de Ingeniería de la
Universidad Nacional de Colombia se llevaron a cabo los ensayos utilizando una
máquina de ensayos universal para cargas tensionales (Shimadzu modelo AG-IS)
(Figura 3-2), ya que por tener tres tipos diferentes de aleaciones no se realiza la
prueba según la norma ASTM F2516-07E2 para el caso específico del Níquel –
Titanio (61), se decide realizar una prueba de factibilidad con una velocidad
constante de 1N∙mm para evaluar con el mismo régimen de carga las tres
aleaciones. A cada segmento de alambre se le realizaron pruebas mecánicas que
exploran tensión, resistencia, fluencia y módulo elástico.Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 31
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Figura 5- 2. Máquina de Ensayos Universal (Shimadzu modelo AG-IS).
5.5 Ensayo de Torsión
En un laboratorio externo de metrología (Pinzuar Ltda), se realizan las pruebas de
torsión de las tres aleaciones (tres repeticiones por cada aleación), haciendo una
medición directa sobre el transductor de torque durante el accionamiento del
alambre, teniendo como patrón de referencia una fuerza de 5N∙m (Figura 3-4). La
incertidumbre de medición se calcula utilizando un factor de cobertura k=2, para
un nivel de confianza aproximado del 95.45%, para una distribución t de student.32 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Figura 5- 3. Máquina de torsión con medición directa sobre el transductor de torque.
5.6 Difracción de Rayos X.
Se realizó en el Laboratorio de difracción de rayos x del departamento de Física
en la facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Colombia. El equipo es
un difractometro Panalytical X’Pert Pro MPD (Figura 5-4). Las condiciones de
medición son las mostradas en la Tabla 5-1.
Tabla 5- 1. Condiciones de medición para los difractogramas.
Parámetros Valores
Posición inicial [°2q ] 30
Posición final [°2q ] 80
Tamaño de paso [°2q ] 0,0260
Tiempo de paso de barrido [s] 18,6860
Temperatura de medición [°C] 25,00
Ánodo Cu
Kα [Å] 1,54060
1
Kα [Å] 1,54443
2
Kβ [Å] 1,39225
Kα / Kα 0,50000
2 1
El programa usado para la identificación de fases fue el X’Pert HighScore Plus 2.2
y la base de datos PDF 2- 2004 (68).Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 33
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Se prepararon las muestras para realizar las lecturas de difracción de los
alambres de las tres aleaciones de la siguiente manera:
• Alambres que no han sido sometidos a ningún tipo de carga se cortaron y
montaron en una disposición continua formando un área de 1 cm2 (Figura
5-5).
• Los alambres que fueron sometidos a las pruebas de torsión se cortaron y
montaron en una disposición continua formando un área de 1 cm2 (Figura
5-6). Se escogió realizar la lectura en esta muestra ya que es el tipo de
fractura que más se presenta en las limas (13).
Figura 5- 4. Difractómetro Panalytical X’Pert Pro MPD.
a. b. c.34 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Figura 5- 5. Montaje de los alambres que no fueron sometidos a carga: a. Níquel -
Titanio, b. Titanio - Molibdeno, c. Titanio - Niobio.
a. b. c.
Figura 5- 6. Montaje de los alambres que fueron sometidos a torsión: a. Níquel - Titanio,
b. Titanio - Molibdeno, c. Titanio - Niobio.
5.7 Ensayo de Fatiga Cíclica
Se realizó un conducto simulado con una varilla de acero inoxidable de 4,5mm de
diámetro, así como una perforación en el centro con una broca de 1,5mm de
diámetro, posteriormente se recortó a una longitud de 30mm y se dividió
longitudinalmente a la mitad. Se dio una angulación de 86° como ha sido
reportado por Rodrigues (69), se realizó una soldadura sobre una placa y
finalmente se instaló un vidrio para evitar el desplazamiento del alambre al
colocarlo en funcionamiento (Figura 5-7).Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 35
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Figura 5- 7. Dimensiones del conducto simulado (Adaptado de la referencia (69)).
En la literatura se reporta el uso del motor de uso clínico para accionar las limas,
estos instrumentos tienen un mango fabricado para que adapte en la pieza de
mano del motor; en este experimento para accionar el movimiento del alambre se
realizó un montaje experimental basado en un dispositivo de control numérico.
Dicho montaje se hizo directamente sobre un taladro, que tiene un sistema de
control de velocidad. Para realizar la medición de las revoluciones se utilizó un
optoacoplador con un circuito Arduino®, el cual se programó con un medidor de
frecuencia de revoluciones por minuto (rpm). Dicho medidor se programó
directamente sobre la tarjeta (Arduino Mega) visualizando directamente sobre el
software de Arduino®, que es quien finalmente toma la lectura de las revoluciones
por minuto mediante el monitor serial (Figura 5-8).36 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Figura 5- 8. Montaje para realizar pruebas de fatiga cíclica en alambres.
Se realizó la prueba a una velocidad de 370rpm, ya que ésta fue la más estable.
Se efectuaron 10 repeticiones por aleación (69), cada alambre con una longitud
de 50mm, se sobrepasaba aproximadamente 10mm del alambre fuera del
conducto para evitar el atrapamiento dentro de éste y para hacer más fácil la
visualización de la fractura del fragmento y realizar el conteo del tiempo, ya que
con la velocidad y el tiempo se puede obtener el número de ciclos a la fractura
(Figura 5-9) (65).
a. b. c.
Figura 5- 9. Acercamiento del conducto simulado con el montaje de cada una de
las tres aleaciones.Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 37
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
6. Resultados
6.1 Microscopía Electrónica de Barrido y EDX
Teniendo en cuenta que las propiedades mecánicas de las aleaciones están
relacionadas por su composición química, se realizó una evaluación por
microscopía electrónica de barrido (SEM) y análisis de composición química por
espectroscopía de dispersión de rayos X (EDX) para las aleaciones de Níquel –
Titanio, la aleación de Titanio – Molibdeno y la aleación de Titanio – Niobio.
6.1.1 Níquel - Titanio
En la Figura 6-1 se muestran las micrografías SEM para la aleación de Níquel –
Titanio, a diferentes magnificaciones.
a. b.
Figura 6- 1. Micrografía SEM de alambre de Níquel – Titanio. Caracterización
morfológica del alambre, (a.) Magnificación a 400X, (b.) Magnificación a 1000X.
En la Figura 6-2 se muestra la micrografía SEM del corte transversal realizado al
alambre a una profundidad de 200 m m y magnificación 400X.38 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Figura 6- 2. Micrografía SEM de corte transversal de alambre Níquel – Titanio a
400X.
Figura 6- 3. Espectro EDX para la aleación de Níquel – Titanio.
El espectro EDX para el alambre de Níquel -Titanio es mostrado en la Figura 6-3,
mostrando los elementos químicos presentes en la muestra. Los porcentajes
atómicos son registrados en la Tabla 6-1.Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 39
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Tabla 6- 1. Porcentajes atómicos de los elementos presentes en la aleación de
Níquel – Titanio.
Elemento Porcentaje Atómico
Ni 49,07%
Ti 49,80%
Al 1,13%
6.1.2 Titanio – Molibdeno
La micrografía SEM para el alambre de Titanio - Molibdeno a las dos
magnificaciones (400X y 1000X)) son mostrados en la Figura 6-4.
a. b.
Figura 6- 4. Micrografía SEM de alambre de Titanio – Molibdeno. Caracterización
morfológica del alambre, a. Magnificación a 400X, b. Magnificación a 1000X.
En la Figura 6-5 se muestra la micrografía SEM del corte transversal realizado al
alambre a una profundidad de 200 m m y magnificación 400X.40 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Figura 6- 5. Micrografía SEM de corte transversal de alambre Titanio - Molibdeno a
400X.
El espectro EDX para el alambre de titanio-molibdeno es mostrado en la Figura 6-
6, en la que se detectaron los elementos Ti, Mo, Zr, y Sn.
Figura 6- 6. Espectro EDX para la aleación de Titanio - Molibdeno.
Los porcentajes atómicos de los elementos químicos observados se registraron
en la Tabla 6-2.Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 41
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Tabla 6- 2. Porcentajes atómicos de los elementos presentes en la aleación de
Titanio - Molibdeno.
Elemento Porcentaje Atómico
Ti 89,41%
Mo 5,35%
Zr 3,72%
Sn 1,52%
6.1.3 Aleación Titanio – Niobio.
a. b.
Figura 6- 7. Micrografía SEM de alambre de Titanio - Niobio: Caracterización
morfológica del alambre, (a.) Magnificación a 400X, (b.) Magnificación a 1000X.
En la Figura 6-8 se muestra la micrografía SEM del corte transversal realizado al
alambre a una profundidad de 200 m m y magnificación 400X.42 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Figura 6- 8. Micrografía SEM de corte transversal de alambre Titanio - Niobio a
400X.
Figura 6- 9. Espectro EDX para la aleación de Titanio - Niobio.Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 43
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Tabla 6- 3. Porcentajes atómicos de los elementos presentes en la aleación de
Titanio - Niobio.
Elemento Porcentaje Atómico
Ti 51,69%
O 31,98%
Nb 15,80%
Ta 0,53%
6.2 Gráfica Esfuerzo Deformación
Después de realizar el ensayo de esfuerzo deformación por factibilidad, con una
velocidad constante de 1N(cid:215)mm para las probetas de 150mm de cada una de las
aleaciones, se obtuvieron los siguientes resultados.
6.2.1 Níquel – Titanio
Tabla 6- 4. Resultados obtenidos mediante el ensayo de tensión para la aleación
de Níquel – Titanio.
Níquel - Titanio
Fuerza Máxima 274,344 N
Máximo desplazamiento 15,005 mm
Límite de falla por fractura 7793,86 N/mm2
Máxima deformación 30,01 %
Módulo de elasticidad 86262,1 N/mm2
Posteriormente, los datos de fuerza y alargamiento que fueron transferidos por la
máquina de ensayos universal al ordenador, se conformaron los valores de
esfuerzo y deformación para construir la gráfica y así caracterizar sus
propiedades mecánicas.44 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
8500
NiTi
8000
Max
7000
6000
5000
)2mm/N(ssertS
4000
3000
2000
1000
0
-960
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 32
Stroke Strain(%)
Figura 6- 10. Gráfica esfuerzo deformación para la aleación de Níquel-Titanio:
módulo de elasticidad trazado linealmente, también se muestra el punto máximo
esfuerzo.
6.2.2 Titanio – Molibdeno
Tabla 6- 5. Resultados obtenidos mediante el ensayo de tensión para la aleación
de Titanio - Molibdeno.
Titanio – Molibdeno
Fuerza Máxima 290,75 N
Máximo desplazamiento 2,714 mm
Límite de falla por fractura 8259,94 N/mm2
Máxima deformación 5,428 %
Módulo de elasticidad 268939 N/mm2Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 45
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
8500
Max
TiMb-2
8000
7000
6000
5000
)2mm/N(ssertS
4000
3000
2000
1000
0
-960
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Stroke Strain(%)
Figura 6- 11. Gráfica esfuerzo deformación para la aleación de Titanio –
Molibdeno: módulo de elasticidad trazado linealmente, también se muestra el
punto máximo esfuerzo.
6.2.3 Titanio – Niobio
Tabla 6- 6. Resultados obtenidos mediante el ensayo de tensión para la aleación
de Titanio – Niobio.
Titanio - Niobio
Fuerza Máxima 249,813 N
Máximo desplazamiento 3,42 mm
Límite de falla por fractura 6308,4 N/mm2
Máxima deformación 6,84 %
Módulo de elasticidad 122058 N/mm246 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
8500
TiNb-2
8000
7000
Max
6000
5000
)2mm/N(ssertS
4000
3000
2000
1000
0
-960
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Stroke Strain(%)
Figura 6- 12. Gráfica esfuerzo deformación para la aleación de Titanio – Niobio:
módulo de elasticidad trazado linealmente, también se muestra el punto máximo
esfuerzo.
6.3 Ensayo de Torsión
Después de realizar el ensayo de Torsión para las probetas de cada una de las
tres aleaciones, se determinó la incertidumbre de medición que fue de 0,08 N (cid:215)cm
para todas las aleaciones, calculada utilizando un factor de cobertura k=2. Los
resultados obtenidos son los registrados en las Tablas 6-7, 6-8 y 6-9.
Tabla 6- 7. Valor Máximo de Torsión para Níquel - Titanio
Valor Máximo de Torsión para Ni - Ti
N∙cm 3.5
Tabla 6- 8. Valor Máximo de Torsión para Titanio - Molibdeno
Valor Máximo de Torsión para Ti - Mo
N∙cm 3,0Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 47
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Tabla 6- 9. Valor Máximo de Torsión para Titanio – Niobio.
Valor Máximo de Torsión para Ti - Nb
N∙cm 2,7
6.4. Difracción de rayos X
En este apartado se muestran los difractogramas tomados a los materiales en estudio.
6.4.1. Níquel – Titanio
Figura 6- 13. Difractograma comparativo entre la muestra inicial y la muestra que
se sometió a torsión de la aleación Níquel -Titanio.48 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
6.4.2. Titanio – Molibdeno
Figura 6- 14. Difractograma comparativo entre la muestra inicial y la muestra que
se sometió a torsión de la aleación Titanio - Molibdeno.Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 49
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
6.4.3. Titanio - Niobio
Figura 6- 15. Difractograma comparativo entre la muestra inicial y la muestra que
se sometió a torsión de la aleación Titanio – Niobio.6.5. Ensayo de Fatiga Cíclica
Después de realizar el ensayo de fatiga cíclica con las probetas de 50 mm de
cada una de las tres aleaciones en un conducto simulado con una curvatura de
86° a una velocidad de 370 rpm, los resultados se registraron en las Tablas 6-10,
6-11 y 6-12.
Tabla 6- 10. Resultados Fatiga Cíclica para aleación Níquel – Titanio.
Grupo 1: Ni Ti
ciclos a
la
repeticiones segundos fractura
1 9,75 61
2 9,67 60
3 10,8 68
4 9,81 61
5 9,78 61
6 8,9 56
7 9,92 62
8 9,95 62
9 9,5 59
10 9,88 62
Tabla 6- 11. Resultados Fatiga Cíclica para aleación Titanio - Molibdeno.
Grupo 2: Ti Mo
ciclos a
la
repeticiones segundos fractura
1 4,3 27
2 4,23 26
3 4,84 30
4 4,96 31
5 4,47 28
6 4,33 27
7 5,17 32
8 4,33 27
9 5,66 35
10 4,27 2752 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Tabla 6- 12. Resultados Fatiga Cíclica para aleación Titanio – Niobio.
Grupo 3: Ti Nb
Ciclos a
la
repeticiones Segundos fractura
1 14,99 94
2 15,03 94
3 14,25 89
4 15,11 94
5 15,05 94
6 15,23 95
7 15,13 95
8 14,86 93
9 14,93 93
10 14,95 93
6.5.1. Comparación de segundos según los tres grupos
Se realizó mediante una prueba Kruskal-Wallis, determinando un valor de
probabilidad p de 0,0001. Se concluyó que al menos uno de los grupos era
diferente, es decir, no hay diferencia significativa entre ellos (Tabla 6-13).
Tabla 6- 13. Sumatoria de Segundos
Grupo Media Desviación Número de
estándar repeticiones
1 Ni - Ti 9,796 0,46702856 10
2 Ti - Mo 4,656 0,4833724 10
3 Ti - Nb 14,953 0,26932213 10
Total 9,8016666 4,2945844 30
Diferencias entre grupos: Se realizó una prueba U Mann Whitney para ver cuál
grupo es diferente encontrando que hay diferencias significativas entre los tres
grupos, y como se observó en la Tabla 6-13 al tener más segundos de resistencia
el Titanio - Niobio se concluyó que presenta una significativamente mayor
duración de segundos antes de la fractura que el Níquel - Titanio y éste a su vez
es significativamente mejor que el Titano - Molibdeno (Tabla 6-14).Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 53
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Tabla 6- 14. Diferencias entre grupos en la comparación de segundos.
1 vs 2 p < 0,05
1 vs 3 p < 0,05
2 vs 3 p < 0,05
6.5.2. Comparación del número de ciclos según los tres grupos
Se realiza una prueba Kruskal Wallis para determinar la diferencia en el número
de ciclos entre los grupos, se determinó un valor de probabilidad P de 0,002 lo
que permitió concluir que al menos uno de los grupos fue diferente.
Tabla 6- 15. Comparación de la Sumatoria de Ciclos
Grupo Media Desviación Número de
estándar repeticiones.
1 Ni - Ti 61,2 3,0110906 10
2 Ti - Mo 29,0 2,9059326 10
3 Ti - Nb 93,4 1,7126977 10
Total 61,2 26,859019 30
Diferencias entre grupos: Para determinar cuál o cuáles fueron los grupos con
diferencias significativas Se realizó una prueba U Mann Whitney. Se encontró que
también en el valor de número de ciclos a la fractura hubo diferencias
estadísticamente significativas. En la Tabla 6-15 se observó que la aleación que
presentó un significativamente mayor número de ciclos a la fractura fue el Titanio
- Niobio, seguido por el Níquel - Titanio y con un valor significativamente inferior
para el Titanio – Molibdeno (Tabla 6-16).
Tabla 6- 16. Diferencias entre grupos en la comparación de número de ciclos
1 vs 2 p < 0,05
1 vs 3 p < 0,05
2 vs 3 p < 0,05
En la Figura 6-16 se muestra el número de ciclos a la fractura para todas las
aleaciones estudiadas.54 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
Figura 6- 16. Número de ciclos a fractura para las tres aleaciones estudiadas.7. Discusión
7.1. Análisis de composición de elementos mediante
microscopía electrónica de barrido y espectroscopía
de dispersión de rayos X
Para el análisis de la muestra correspondiente con la aleación Níquel – Titanio
observamos que coincide con lo reportado en diferentes artículos (10, 14, 47,
70), se evidenciaron trazas de Aluminio en bajo porcentaje (1%), por lo que no fue
representativa, dada la homogeneidad de la muestra (Tabla 6-1). Los elementos
químicos presentes en la muestra de Titanio – Molibdeno (Tabla 6-2) se
asociaron con la descripción que comercialmente se conoce como TMA®, que
inicialmente introdujeron para manejo en ortodoncia Burstone y col. (41). La
medición correspondiente para la aleación de Titanio – Niobio, presentó algunos
de los elementos correspondientes a la descripción comercial del Gummetal®, ya
que éste reportó la presencia de Zirconio y Oxígeno en bajos porcentajes. En la
Tabla 6-3 se observó que en las mediciones de este ensayo el porcentaje de
Oxígeno es mayor al reportado en la literatura y no se detectó Zirconio (45). La
detección de un alto porcentaje de Oxigeno podría ser una variación en la técnica
con la que se realizó la lectura de la muestra.
En relación a las micrografías SEM para las tres aleaciones, se observó la falta
de homogeneidad de la superficie en los tres materiales, detectando en la
aleación Titanio – Molibdeno mayor cantidad de defectos de superficie a 400X
(Figura 6-4), lo cual podría ser uno de los factores determinantes para el inicio de
fracturas en una aleación al ser sometida a cargas como la fatiga cíclica (62, 67,
71). Se observó en la superficie líneas continuas en disposición longitudinal en las
tres aleaciones (Figuras 6-1, 6-4, 6-7), correspondientes al proceso de producción
ya que al hacer el alambre, éste es forjado con una prensa (10).56 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre:
Aleación Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
7.2. Ensayo esfuerzo deformación
Al realizar una comparación de la gráfica esfuerzo deformación entre la aleación
de Níquel Titanio (Figura 6-10) y la norma ASTM F2516-07E2 (Figura 4-18) (61),
se encontraron coincidencias en la distribución de la gráfica en correlación con la
identificación de fases. Se evidencia una zona inicial de deformación elástica
(fase de deformación austenita del material) representada desde el inicio de la
gráfica con una zona lineal hasta el punto I, donde inicia una zona de
transformación de austenita a martensita (o fase R de la aleación) caracterizada
por la presencia de una meseta que se comunica hasta el punto II (final de la fase
R) la cual indica el inicio de una deformación plástica (inicio de fase de
deformación martensita) con una distribución en forma lineal que va en aumento
hasta comunicarse con el punto III, la deformación sigue en progreso hasta llegar
al punto IV representado el esfuerzo máximo a la fractura (Figura 7-1).
Figura 7- 1. Gráfica esfuerzo deformación del Níquel Titanio, señalada por zonas.
Encontramos que en los valores referenciados en la norma, indicó que la zona de
comportamiento súper elástico (de 0 a I) presentó una deformación hasta de 1,14
% encontrando que coincidió con los datos hallados en el presente ensayo. A
partir del punto I, una meseta hasta el punto II la cual es una zona de transición
que representa en la norma y en otros reportes de la literatura cercanos al 8%,
coincidió aproximadamente con los datos de este ensayo mostrando un
porcentaje alrededor de 9% (Figura 7-1) (9, 72). La norma indicó que se debeComparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 57
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
realizar una descarga de la probeta a menos de 7MPa cuando alcanza una
deformación del 6% para que el material regrese a su posición inicial (área
graficada bajo la meseta, como se muestra en la Figura 4-18 (61)) evaluando la
histéresis, pero en este ensayo no se realizó ninguna variación en la aplicación de
la carga desde el inicio de la prueba hasta la fractura de la probeta. Se encontró
también el esfuerzo incrementado linealmente debido a la deformación martensita
y finalmente el esfuerzo sigue en aumento hasta llegar al punto de límite de falla
por fractura que siguiendo la norma se ha reportado con un valor de 1270 MPa
con una deformación del 16% (73), para nuestro ensayo los valores fueron
7793,86 MPa y una deformación del 30%. Se infirió que al no realizar el ensayo
según lo establecido en la norma y por efecto de aplicar una carga en forma
continua se puede dar una variación de los datos sin que ésto afecte la
identificación de las zonas características representadas gráficamente para esta
aleación.
Al realizar la comparación de la gráfica esfuerzo deformación de las aleaciones
de Titanio – Molibdeno (Figura 6-11) y Titanio – Niobio (Figura 6-12) se
encontraron diferencias en el comportamiento de los materiales; la principal
diferencia es el comportamiento súper elástico representado en la aleación de
Níquel – Titanio (Figura 6-10) (inicio de la gráfica al punto II). En las gráficas de
las aleaciones de Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio la principal característica
es no que evidencia la presencia de la zona de transición del Níquel – Titanio
(punto I a II). Por lo tanto, la fractura del Níquel – Titanio tiene las
especificaciones de una fractura de tipo dúctil siendo su característica más típica
la deformación del material (55, 74), que para esta aleación en el presente
ensayo fue del 30%. El Titanio – Molibdeno y Titanio - Niobio que presentaron las
características de un tipo de fractura frágil, la cual ocurre antes o durante del
momento de la deformación plástica y tampoco aumenta su resistencia a los
esfuerzos a causa de la deformación (55, 60, 74). Los valores de deformación
para estas dos aleaciones fueron más bajos que los registrados para el Níquel –
Titanio, siendo alrededor del 6% para el Titanio – Molibdeno y cerca del 7% para
el Titanio – Niobio. Para Titanio – Molibdeno (Figura 6-11) se pudo observar que
la carga máxima y la carga a la fractura no es la misma, esto se debe a que el
material se deformó plásticamente hasta alcanzar su carga máxima y después
empieza a ceder hasta el punto de fractura (74).
La mayor ductilidad que presentó la aleación de Níquel – Titanio, en la práctica
clínica puede no tener ninguna ventaja aparente, reportes demostraron que la
fractura de los instrumentos de Níquel – Titanio durante su uso pueden
presentarse de una manera abrupta, este evento repentino no presenta signos
clínicos visibles de deformación aparente (10, 33, 75, 76).
Dentro de las propiedades obtenidas se encuentra el módulo elástico definido
como la mayor o menor capacidad del material de deformarse bajo tensiones, con58 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre:
Aleación Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
este valor podemos interpretar la rigidez o flexibilidad de un material (57), los
resultados arrojaron que la aleación de Níquel – Titanio tiene un módulo elástico
de 86.262 MPa (Tabla 4-4), donde la literatura reporta datos cercanos a los 33000
MPa (10), al igual que los valores reportados para el punto de límite de falla por
fractura, la variación de datos se puede deber a la naturaleza de la prueba que no
fue realizada según la norma ASTM. Las aleaciones de Titanio – Molibdeno y
Titanio – Niobio presentaron un mayor módulo elástico, siendo 3 veces mayor
para el Titanio – Molibdeno (268939 MPa) (Tabla 6-5) y un 50% mayor para el
Titanio – Niobio (122058 MPa) (Tabla 6-6), el cual sigue siendo un bajo módulo
elástico para éste último. En la práctica clínica es importante manejar
instrumentos de preparación que tengan un bajo módulo de elasticidad,
especialmente en conductos con mayores ángulos de curvatura, ya que
instrumentos con más flexibilidad conservan mejor la morfología del conducto
radicular y evitan en mayor proporción la presencia errores durante la preparación
como las transportaciones apicales (77).
7.3. Ensayo de Torsión
Los datos obtenidos en la prueba de torsión para las tres aleaciones fueron
similares, teniendo mejor valor de resistencia a la fractura por torsión la aleación
de Níquel – Titanio con 3.5 N∙cm (Tabla 6-7), 3.0 N∙cm para el Titanio –
Molibdeno (Tabla 6-8) y 2.7 N∙cm (Tabla 6-9) para la aleación de Titanio - Niobio.
Se han reportado también valores de torque similares para las tres aleaciones,
pero registrando un mayor valor de resistencia a la fractura torsional para el
Titanio – Molibdeno (20).
Los datos encontrados en este ensayo se correlacionaron con los valores de
torque recomendados por las casas comerciales para la utilización de limas tanto
de movimiento rotatorio como movimiento reciprocante de aleación Níquel –
Titanio, los cuales pueden estar en un rango entre 2 a 5 N∙cm aproximadamente,
aunque hay sistemas actualmente que pueden variar aumentando este rango de
valores de torque al ser realizados con aleaciones de Níquel – Titanio térmica o
termomecánicamente modificadas, y que generaron mayor resistencia a la
torsión, como lo son los sistemas realizados con aleaciones MWire® (Dentsply
Tulsa Dental Specialties) o sistemas de última generación como HyFlex® CM™
que posee una aleación con control de memoria de forma que maneja un torque
superior a 5 N∙cm (78). Es importante tener en cuenta que los valores de torque
para funcionamiento de las limas recomendados por las casas comerciales, no
sólo dependen de la aleación y sus modificaciones, sino también de la geometría
transversal del instrumento y el diámetro que éste tenga. Instrumentos con una
mayor masa en el núcleo central requerirán mayor torque para su funcionamiento
(79). Algunos estudios sugirieron que el diseño influye fuertemente en elComparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 59
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
comportamiento mecánico, pues afectaron la distribución de tensiones y la
concentración de esfuerzos (80-83). Los instrumentos de preparación inicial con
poco diámetro en la punta y poca conicidad, como por ejemplo las limas
PathFile® o ProGlider® (Dentsply Maillefer, Ballaigues, Switzerland), requieren un
valor de torque menor (cercano a los 2 N∙cm). Con los valores encontrados en
este ensayo se puede sugerir que las aleaciones de Titanio – Molibdeno y Titanio
– Niobio podrían ser útiles en la fabricación de limas en endodoncia con diseños
transversales que tengan poca área y por ende, poca masa.
7.4. Difracción de Rayos X
En el difractograma realizado a la muestra Níquel - Titanio inicial (Figura 6-13), el
cual no se le realizó ningún tipo de esfuerzo; la fase corresponde a la PDF-Card
018-0899 (68), asociada con Níquel – Titanio con estructura tipo austenita (84),
exhibiendo los planos (110) y (101), el cual es el más intenso, así como los
planos (200) y el (211), las cuales están en las posiciones 38,0°, 42,5°, 61,6° y
79,8 °2θ respectivamente. Al realizar los ensayos de torsión, se midió
nuevamente y el resultado es mostrado en la (Figura 6-13). Al comparar dichos
difractogramas, se observó que los picos de difracción en la muestra sometida a
torsión se mantienen, pero la intensidad disminuye. La cristalinidad también
disminuyó (La cristalinidad se observa en la forma de los picos de difracción).
Dicha cristalinidad de las muestras disminuye con el esfuerzo mecánico de la
torsión, así como incrementa el ruido del difractograma.
Con respecto a la aleación de Titanio - Molibdeno, de igual manera se realizaron
las mediciones por difracción de rayos X, en la (Figura 6-14) se mostró el
difractograma para la muestra que no fue sometida a esfuerzos. Aquí se
muestran otros picos de difracción del titanio: el plano (100) y el (112) (35,0° y 76
°2q respectivamente), las cuales están asociadas a las fases a y b del Ti (85). La
baja cantidad de Molibdeno hace que se puedan observar más planos de
difracción del Titanio en la muestra. Dadas las condiciones que presenta la
aleación, es probable que exista una mezcla de fases, ya que se encuentran
picos de difracción pertenecientes a la fase tipo austenita (84). Al comparar con la
muestra que fue sometida a torsión (Figura 6-14), de igual manera se observó
que los picos de difracción se mantienen, lo cual indicó que no existe un cambio
estructural. La intensidad de los picos de difracción disminuyó con el esfuerzo, e
incrementó el ruido.
En la (Figura 6-15) se muestra el difractograma correspondiente a la muestra de
Titanio-Niobio sin someterse a esfuerzos de torsión. Se observaron los picos de
difracción correspondientes a la fase tipo austenita (84) con los planos (110),
(200) y (211). Al comparar con el difractograma de la muestra sometida a torsión60 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre:
Aleación Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
(Figura 6-15), no existe un reordenamiento atómico que cause fases adicionales.
Los planos (110), (200) y (211) se mantienen al realizar el esfuerzo de torsión,
pero la intensidad de tales picos decrece, no obstante, el ruido de la muestra se
incrementó. La cristalinidad de la muestra no se afecta grandemente con el
esfuerzo de torsión. La presencia de Niobio no hace que se aumente la formación
de planos de difracción de la aleación.
En la literatura en endodoncia los estudios que utilizaron esta técnica coinciden
con la descripción de resultados encontrados en las aleaciones de Níquel –
Titanio, donde se encuentra principalmente la presencia de fase austenita, en los
reportes infieren también la posible presencia de fase R o martensita ya que la
intensidad de los picos era baja; lo cual es un indicativo de endurecimiento de
trabajo en la punta de los instrumentos evaluados (86). Se podría realizar una
evaluación de las zonas transversales de la fractura de las tres diferentes
aleaciones con técnica de μ – difracción. A diferencia de la técnica de difracción
convencional, que tiene una resolución espacial típica que van desde varios
cientos micras a varios milímetros de diámetro, la μXRD utiliza óptica de rayos X
para enfocar el haz de excitación a un pequeño punto en la superficie de la
muestra. Esta última técnica ha sido utilizada para examinar un área de
aproximadamente 50 μ de diámetro cerca de la punta de los instrumentos de
Níquel – Titanio (47, 49, 86).
7.5. Ensayo de Fatiga Cíclica
Al realizar el ensayo de fatiga cíclica para las tres aleaciones en comparación del
número de ciclos a la fractura, mediante una prueba Kruskal-Wallis, con una
probabilidad p de 0,0001, dando como resultado que al menos un grupo fue
diferente (Tabla 6-15). Posteriormente, mediante la prueba U Mann Whitney se
determinaron las diferencias significativas entre los grupos. Se encontró que
todos los grupos fueron diferentes entre sí (Tabla 6-16). Para la comparación en
la sumatoria de segundos los resultados fueron iguales para la prueba Kruskal-
Wallis (Tabla 6-13) al igual que para la prueba U Mann Whitney (Tabla 6-14).
Según los resultados de las pruebas estadísticas para las aleaciones se encontró
que sí hay diferencias estadísticamente significativas para las tres aleaciones
entre sí. La aleación que registró mayor número de ciclos a la fractura fue la
aleación de Titanio – Niobio, aproximadamente una tercera parte más que el
Níquel – Titanio y aproximadamente dos terceras partes más que el Titanio –
Molibdeno (Figura 6-16). Este resultado puede estar correlacionado con el
relativamente bajo módulo de elasticidad del Titanio – Niobio lo que
eventualmente podría ser una ventaja para la preparación de conductos curvos.
Con los resultados que arrojó este ensayo se podría sugerir la utilización de estaComparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 61
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
aleación para la elaboración de instrumentos de preparación endodóntica, siendo
interesante observar que es una aleación que reporta diferentes modificaciones:
mecánicas, termomecánicas, con diferentes concentraciones o adiciones de
distintos elementos químicos (27), que le confieren a la aleación variación de las
propiedades mecánicas que podrían ser útiles para su uso en endodoncia. Los
números de ciclos a la fractura reportados en la literatura para otros sistemas
pueden ser mayores que los registrados en las aleaciones en este estudio (87),
pero al igual que en torsión, en la respuesta mecánica adquiere una gran
importancia la geometría transversal del instrumento, su diámetro y conicidad (80-
83). Es importante tener en cuenta que al no existir una norma que regule la
metodología para evaluación de la fatiga cíclica, esta variabilidad puede afectar
los resultados (88).62 Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre:
Aleación Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
8. Conclusiones y recomendaciones
(cid:1) En la comparación de las propiedades mecánicas para las tres aleaciones, el
Titanio – Niobio evidenció un bajo módulo de elasticidad, una buena
resistencia al torque y la mejor resistencia a la fatiga cíclica. Lo cual sugiere
que podría ser utilizada como material en la fabricación de limas
endodónticas. La aleación Titanio – Molibdeno podría ser utilizada para
fabricación de instrumentos que requieran un módulo de elasticidad y
resistencia más altas como los instrumentos de preparación manual.
(cid:1) En la comparación de las propiedades estructurales, el Titanio – Niobio fue la
aleación que menores cambios y defectos registró; por el contrario la aleación
Titanio – Molibdeno fue la aleación con mayores defectos de superficie lo cual
la hace susceptible a la falla mecánica.
(cid:1) Se recomienda utilizar variaciones en porcentajes de composición, agregar
nuevos elementos químicos y tratamientos térmicos para las aleaciones de
Titanio – Niobio y Titanio – Molibdeno; y así seguir evaluando propiedades
estructurales y mecánicas que mejoren la resistencia de las aleaciones para
que puedan ser útiles en fabricación de instrumentos de preparación en
endodoncia.Comparación de las propiedades mecánicas y estructurales en tres tipos de alambre: Aleación 63
Níquel – Titanio, aleación Titanio – Molibdeno y Titanio – Niobio.
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