口腔内装置用熱可塑性アクリルの材料押出：技術的実現可能性と評価

Material extrusion of thermoplastic acrylic for intraoral devices: Technical feasibility and evaluation.

抄録

3Dプリンターによる医療機器の需要が世界的に高まる中、より安全で安価、かつ持続可能な方法の探求は時宜を得たものである。ここでは、インプラントのサージカルガイド、歯列矯正用スプリント、印象トレー、口蓋裂やその他の上顎欠損用のレコードベースやオブチュレーターにも応用可能な、アクリル製義歯床の材料押出成形プロセスの実用性を評価した。義歯のプロトタイプとテストサンプルを構成する代表的な材料を設計し、さまざまな印刷方向（PD）、層高（LH）、および短いガラス繊維による補強（RF）を使用して、社内のポリメチルメタクリレートフィラメントで作製しました。この研究では、材料の曲げ特性、破壊特性、熱特性を測定するため、材料の総合的な評価を行った。さらに、引張特性、圧縮特性、化学組成、残留モノマー、表面粗さ（Ra）についても、最適なパラメータを持つ部品について分析を行った。アクリル複合材料の顕微鏡写真分析から、繊維とマトリックスの相溶性が適切であることが明らかになり、予想通り、機械的特性はRFと同時に向上し、LHは減少した。繊維強化は、材料の全体的な熱伝導率も改善した。一方、RaはRFとLHが減少するにつれて目に見えて改善され、試作品は歯肉組織を模倣したベニアリング組成物で容易に研磨され、特性を示すようになった。化学的安定性に関しては、残存するメタクリル酸メチルモノマー含量は、生物学的反応の基準値を十分に下回っている。特に、0.05mmのLHでz軸0°に作製した5vol%アクリル複合材料は、従来のアクリル、ミルドアクリル、3Dプリントフォトポリマーよりも優れた最適特性を示した。有限要素モデリングにより、試作品の引張特性を再現することに成功した。この材料の押し出し工程は費用対効果に優れていると言えるかもしれない。しかし、製造のスピードは確立された方法よりも長くなる可能性がある。平均Raは許容範囲内であるが、長期的な口腔内使用には、必須の手作業による仕上げと審美的な色素沈着が必要である。概念実証のレベルでは、安価で安全かつ堅牢な熱可塑性アクリル製装置を製作するために、材料押出プロセスを適用できることが明らかになった。この新しい研究の広範な成果は、学術的に考察し、さらに臨床に応用する価値がある。

With global demand for 3D printed medical devices on the rise, the search for safer, inexpensive, and sustainable methods is timely. Herein, we assessed the practicality of the material extrusion process for acrylic denture bases of which successful outcomes can be extended to implant surgical guides, orthodontic splints, impression trays, record bases and obturators for cleft palates or other maxillary defects. Representative materials comprising denture prototypes and test samples were designed and built with in-house polymethylmethacrylate filaments using varying print directions (PDs), layer heights (LHs) and reinforcements (RFs) with short glass fiber. The study undertook a comprehensive evaluation of the materials to determine their flexural, fracture, and thermal properties. Additional analyses for tensile and compressive properties, chemical composition, residual monomer, and surface roughness (Ra) were completed for parts with optimum parameters. Micrographic analysis of the acrylic composites revealed adequate fiber-matrix compatibility and predictably, their mechanical properties improved simultaneously with RFs and decreased LHs. Fiber reinforcement also improved the overall thermal conductivity of the materials. Ra, on the other hand, improved visibly with decreased RFs and LHs and the prototypes were effortlessly polished and characterized with veneering composites to mimic gingival tissues. In terms of chemical stability, the residual methyl methacrylate monomer contents are well below standards threshold for biological reactions. Notably, 5 vol% acrylic composites built with 0.05 mm LH in 0° on z-axis produced optimum properties that are superior to those of conventional acrylic, milled acrylic and 3D printed photopolymers. Finite element modeling successfully replicated the tensile properties of the prototypes. It may well be argued that the material extrusion process is cost-effective; however, the speed of manufacturing could be longer than that of established methods. Although the mean Ra is within an acceptable range, mandatory manual finishing and aesthetic pigmentation are required for long-term intraoral use. At a proof-of-concept level, it is evident that the material extrusion process can be applied to build inexpensive, safe, and robust thermoplastic acrylic devices. The broad outcomes of this novel study are equally worthy of academic reflection, and further translation to the clinic.