ヒト臼歯部の摩耗した咬頭の形態と不具合について

On the morphology and failure of worn human molar cusps.

抄録

研究目的:

エナメル質の摩耗は，歯の破損につながる可能性のある一般的な現象である．エナメル質の厚みが減少するだけでなく、摩耗によってエナメル質の微細構造のさまざまな領域がさまざまな種類の応力に曝される。この研究は、大規模な接触を受けるヒト臼歯のエナメル質形態と歯の弾力性に及ぼすエナメル質摩耗の影響を解明することを目的とした。

OBJECTIVES: Enamel wear is a common occurrence that may lead to tooth failure. Beyond reducing enamel thickness, wear exposes different regions of enamel microstructure to various types of stresses. This work was aimed at elucidating the effect of enamel wear on enamel morphology and tooth resilience in human molar teeth undergoing large-scale contact.

方法:

硬質円盤／ボールで無傷／研磨された臼歯を圧痕した。無負荷の試料を縦または横に切断し，光学および走査型電子顕微鏡で損傷を観察した．象牙質角部における亀裂の発生は，象牙質で支持された切頭円錐エナメル質殻をモデル化したFEM応力解析によって決定された．

METHODS: Intact/polished molar cusps were indented with a hard disk/ball. The unloaded specimens were sectioned longitudinally or transversely, and the damage examined by optical and scanning electron microscopy. The onset of cracks at the dentin horn apex was determined by a FEM stress analysis that modeled a cusp as truncated, conical enamel shell supported by dentin.

結果:

損傷は，接触下で成長する放射状および円筒状クラック，エナメル質外殻領域にまばらに分布する放射状クラック，象牙質角頂部のタフトからのクラック（Tクラック）から構成される．接触円周下の損傷は，せん断変形域を示した。これらの領域は，接触応力を緩和し，エネルギーを吸収し，損傷を抑制し，摩耗に敏感なコーンクラックの成長を避けるために円柱状のクラックを誘起するのに役立った．エナメルのタフトは応力を遮蔽し、ハンターシュレガーバンドは共同クラックを強制することによってこの利点を維持するのに役立った。T字型クラックは歯牙の破損の主原因と考えられた。FEAはこれらの亀裂の発生をよく予測した。In vivoのエナメル質摩耗データを用いた解析により、カスプ破損は高齢になると日常的に発生する可能性があることが示された。

RESULTS: The damage consisted of radial and cylindrical cracks growing under the contact, sparsely distributed radial cracks in the enamel shell region, and cracking from tufts at the dentin horn apex (T cracks). The damage under the contact circle exhibited shear deformation zones. These zones helped relieve contact stresses, absorb energy, contain damage, and solicit cylindrical cracks in order to avoid growth of wear-sensitive cone cracks. Enamel tufts provided stress shielding while Hunter-Schreger Bands helped maintain this benefit by enforcing a collaborative cracking. The T cracks were deemed a primary cause for tooth failure. The FEA predicted well the onset of these cracks. Making use of in vivo enamel wear data, the analysis showed that cusp failure might routinely occur at old age.

意義:

この結果は、接触荷重に対するエナメル質内部の応答に関する新しい情報を提供した。これには、エナメル質ロッド、インターロッド、タフトのうねりの抵抗効果も含まれる。エナメルのユニークな微細構造は、接触円の下にせん断バンドを生じさせ、接触応力を緩和し、エネルギーを吸収し、損傷を抑制するのに役立った。エナメル質のインターロッドは、摩耗に敏感なコーンクラックを避けるために、円筒形のクラックを誘発した。象牙質角の頂点のクラック（Tクラック）の発生は、歯の生存に重要であると考えられています。FEAの結果、このクラックモードは、自然なエナメル質の摩耗により、老齢期に日常的に発生する可能性があることがわかりました。最後に、無傷の歯牙にT字型クラックを発生させるために必要な咬合力は、ヒト科動物の最大咬合力を含む自然な設計論理を説明するのに役立つと考えられます。

SIGNIFICANCE: The results provided new information on the response of the interior part of enamel to contact loading. This included the resistant effects of the waviness of enamel rods, interrods and tufts. The unique microstructure of enamel gave rise to shear bands under the contact circle that helped relieve contact stresses, absorb energy and contain damage. Enamel interrods solicited cylindrical cracking in order to avoid the wear-sensitive cone cracks. The onset of cracks at the dentin horn apex (T cracks) was deemed critical to a tooth survival. The FEA showed that this cracking mode might routinely occur at old age due to natural enamel wear. Finally, the occlusal force needed to initiate the T cracks in intact cusps can help explain the natural design logic involving the maximum bite force of hominid species.