2ユニットの片持ち式後面レジンボンド固定式歯科補綴物の形状最適化

Shape optimization of a 2-unit cantilevered posterior resin-bonded fixed dental prosthesis.

抄録

問題提起:

片持ち式レジンボンド固定式歯科補綴物（RBFDP）は，特に欠損歯のスペースが小さく（7mm以下），費用対効果が重要な場合に，1本の欠損歯を修復するための実現可能で低侵襲な治療法である．しかし，その構造強度と界面接着力を高めることで，長期生存率を向上させる必要がある。

STATEMENT OF PROBLEM: The cantilevered resin-bonded fixed dental prosthesis (RBFDP) is a feasible and minimally invasive treatment option to restore a single missing tooth, especially when the missing tooth space is small (<7 mm) and cost-effectiveness is essential. However, its long-term survival needs to be improved by increasing its structural strength and interfacial adhesion.

目的:

本研究の目的は，2ステップの数値形状最適化により，2ユニットのインレーを保持した片持ち梁型RBFDPの界面接着性を向上させ，構造強度を高めることである。

PURPOSE: The purpose of this study was to improve the interfacial bonding and to enhance the structural strength of a 2-unit inlay-retained cantilevered RBFDP with a 2-step numerical shape optimization.

材料と方法:

第2小臼歯ポンティックを装着した下顎第1大臼歯の有限要素モデルを構築した．ポンティックの中顎窩には，平均咬合力を模擬した200Nの荷重を加えた．最初のステップでは，社内で作成したユーザー定義の材料サブルーチンを用いて空洞形成を行った。このサブルーチンは、収束するまで、局所応力に応じてポンティックの隣の歯牙組織をコンポジットレジンに変更することを繰り返した。第2段階では，このサブルーチンを用いて，高応力領域にファイバーを配置することで，ポンティック内のファイバーの配置を最適化した。最適化された設計と従来の設計の耐剥離性と耐荷重を評価するために，さらに分析を行い，歯と修復物の界面の応力と修復物内の応力を比較した．

MATERIAL AND METHODS: A finite element model of a mandibular first molar with a second premolar pontic was constructed. A load of 200 N simulating the average occlusal force was applied on the mesial fossa of the pontic. In the first step, an in-house user-defined material subroutine was used to generate the cavity preparation. The subroutine iteratively changed the tooth tissues next to the pontic to composite resin according to the local stresses until convergence was achieved. In the second step, the subroutine was used to optimize the placement of fibers in the pontic by placing fibers in high-stress regions. To assess the debonding resistance and load capacity of the optimized and conventional designs, further analyses were conducted to compare their stresses at the tooth-restoration interface and those within the restoration.

結果:

形状の最適化により，シャベル型の窩洞形成と，ファイバーをコネクター部の咬合面付近に配置したポンティックが得られた．その結果，修復物内の最大主応力は639.4MPaから525.4MPaに，歯質内の最大主応力は381.7MPaから352.8MPaにそれぞれ減少した。ファイバーを埋め込んだシャベル型の窩洞形成により，界面最大引張応力が約70％（従来型：189.6MPa，最適化型：57.0MPa），ベニアリング用コンポジットレジンの最大主応力のピーク値が45％（従来型：638.8MPa，最適化型：356.5MPa）減少した。また，残存歯質の最大主応力のピーク値も約30％減少した（従来型：372.2MPa，最適化型：253.1MPa）。

RESULTS: Shape optimization resulted in a shovel-shaped cavity preparation and a pontic with fibers placed near the occlusal surface of the connector region. With the optimized cavity preparation only, the maximum principal stress within the restoration and the tooth structure was reduced from 639.4 MPa to 525.4 MPa and from 381.7 MPa to 352.8 MPa, respectively. With the embedded fibers, the shovel-shaped cavity preparation reduced the maximum interfacial tensile stress by approximately 70% (conventional: 189.6 MPa versus optimized: 57.0 MPa) and the peak maximum principal stress of the veneering composite resin by 45% (conventional: 638.8 MPa versus optimized: 356.5 MPa). The peak maximum principal stress was also reduced for the remaining tooth structure by approximately 30% (conventional: 372.2 MPa versus optimized: 253.1 MPa).

おわりに:

形状の最適化により，コネクター部の咬合面付近にファイバーを配置したショベル型リテーナーは，2ユニットの片持ちファイバー強化RBFDPの界面応力と構造応力をまとめて低減できることがわかった。これにより，1本の欠損歯を補うための，より保存的な治療法を提供できる可能性がある。

CONCLUSIONS: Shape optimization determined that a shovel-shaped retainer with fibers placed near the occlusal surface of the connector area can collectively reduce the interfacial and structural stresses of the 2-unit cantilevered fiber-reinforced RBFDP. This may offer a more conservative treatment option for replacing a single missing tooth.