界面亀裂を有する修復歯の機械的安定性の向上：有限要素法による解析

Enhancing the mechanical stability of restored teeth with interfacial cracks: Finite element analysis.

抄録

目的:

本研究の目的は、クラスⅡの咬合-遠位（OD）窩洞を有する臼歯修復歯の機械的安定性を向上させることである。この目標を達成するために、以下の3つの主要因を総合的に検討する：(1)修復物の材料特性の選択、(2)内部窩洞の形状、(3)修復物の二重構造の影響。

OBJECTIVES: This study aims to enhance the mechanical stability of restored molar teeth with class II occlusal-distal (OD) cavities. We seek to achieve this goal through a comprehensive investigation of three primary factors: (1) the choice of restoration material properties, (2) internal cavity geometries, and (3) the impact of double-layered restoration configurations.

方法:

目的を達成するために、まず上顎臼歯のスキャン画像と分割画像を用いて、クラスⅡのOD窩洞を有する修復歯の2次元（2D）模型を作成した。歯質とエナメル質の2Dプロファイルを作成し、有限要素解析（FEA）ソフトウェアにインポートした。さまざまなキャビティ形状を検討するため、直線、斜め、溝、曲線、二重構造など、合計13種類の設計を実施した。修復歯への接触荷重をシミュレートするために、半円形の石を使用しました。すべてのモデルに同一の境界条件と接触荷重を適用しました。材料特性を割り当てるために，Pythonコードを開発し，修復材料に2GPaから26GPaまでの7種類の弾性率を自動的に割り当てることができるようにした．一方、エナメル質と象牙質には一定の材料特性を割り当てた。合計133回のFEAシミュレーションを行い、修復した臼歯の強度と性能に及ぼす前述の要因の影響を総合的に分析した。

METHODS: To achieve our objectives, we initiated by creating two-dimensional (2D) models of restored teeth featuring class II OD cavities, utilizing scanned and segmented images of maxillary molar teeth. We drew 2D profiles of dentine and enamel, which were then imported into finite element analysis (FEA) software. To explore various cavity geometries, we implemented a total of thirteen different designs, encompassing straight, oblique, grooved, curved, and double-layered configurations. We utilized a semi-circular stone to simulate the application of contact load on the restored tooth. We applied identical boundary conditions and contact loading across all models. To assign material properties, we developed a Python code, enabling the automatic assignment of seven elastic moduli ranging from 2 GPa to 26 GPa to the restoration materials. Meanwhile, constant material properties were assigned to the enamel and dentine. In total, we conducted 133 FEA simulations to comprehensively analyse the effects of the aforementioned factors on the strength and performance of restored molar teeth.

結果:

解析の結果、治療歯の機械的抵抗、特に亀裂や剥離が存在する場合の機械的抵抗に大きく影響する2つの重要な因子、(1)ODキャビティのマージナル形状、(2)修復材料の弾性率が明らかになった。しかし、内面窩洞の角度を変えたり、二重構造の修復物を使用したりすることは、クラックや剥離が発生した場合の修復歯の全体的な強度や性能に大きな影響を及ぼさなかった。

RESULTS: Our analysis revealed two key factors significantly influencing the mechanical resistance of treated teeth, particularly in the presence of a crack or debonding: (1) the marginal geometry of the OD cavity and (2) the elastic modulus of the restorative material. However, altering the internal cavity angle and implementing a double-layered restoration did not significantly influence the restored tooth's overall strength and performance in the face of crack or debonding situations.

意義:

本研究で得られた知見は、クラスⅡのOD窩洞を設計・修復する際に、クラックやデボンディングに対する抵抗性を高めるために重要な示唆を与えるものである。修復設計に曲線状のマージナル形状を使用することで、耐破折性を大幅に向上させることができ、ダブルカーブ形状はストレートキャビティと比較して応力集中を約43％低減することができる。これらの結果は、修復された歯の構造的完全性を強化するための貴重な指針を与えるものであり、実用的な応用と利点を探求するためのさらなる実験的研究が必要である。

SIGNIFICANCE: The findings of this study have substantial implications for designing and restoring class II OD cavities to enhance resistance to cracks or debonding. The use of curved marginal geometries in restoration design can significantly improve fracture resistance, with double-curved geometries reducing stress concentrations by approximately 43% compared to straight cavities. These results offer valuable guidance for strengthening the structural integrity of restored teeth, calling for further experimental investigations to explore practical applications and benefits.