新規な審美的歯列矯正ブラケットの作製とPEEKとステンレス鋼ワイヤー間の摩擦特性の評価

Fabrication of a novel aesthetic orthodontic bracket and evaluation of friction properties between PEEK and stainless steel wires.

抄録

背景:

ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)は、多環芳香族半結晶性熱可塑性ポリマーであり、バイオメディカル用途に適した機械的および潤滑特性を有する。セラミックブラケットは、その審美的な外観にもかかわらず、脆さと厚みにおいて満足のいくものではないが、PEEKは審美的な歯列矯正ブラケットのための潜在的な材料である。

BACKGROUND: Polyetheretherketone (PEEK) is a polyaromatic semi-crystalline thermoplastic polymer with mechanical and lubrication properties favorable for biomedical applications. Despite of its aesthetic appearance, ceramic brackets are unsatisfactory in brittleness and thickness, while PEEK is a potential material for aesthetic orthodontic brackets.

目的:

新しい審美的な歯列矯正ブラケットを製作し、PEEKとステンレススチールワイヤーの摩擦特性を評価すること。

OBJECTIVE: To fabricate a novel aesthetic orthodontic bracket and evaluate friction properties of PEEK and stainless steel wires.

方法:

ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)およびセラミック試料を円板状に加工した（直径5mm、厚さ2mm）。PEEKの試験表面は、#600、#800、#1200のSiCペーパーで研磨した後、Sof-Lexキット（3M ESPE、米国）で研磨した。表面粗さは、レーザープロフィロメーター（VK-X200、キーエンス社製）を用いて測定した。試験片とステンレス鋼（SS）アーチワイヤーのCOFは、ユニバーサル・マイクロ・トライボテスター（UMT-3、Bruker、USA）を用いて試験した。材料表面の摩耗傷は，走査型電子顕微鏡（SEM）（日立SU8010）を用いて調べた．試料の弾性率と硬度は、ナノインデンター（XP, Keysight Technologies, USA）を用いて調べた。

METHODS: All polyether ether ketone (PEEK) and ceramic samples disks were made into disks (diameter, 5 mm; thickness, 2 mm). The tested surfaces of PEEK were ground with #600, #800 and #1200 SiC papers, followed by polishing with Sof-Lex kit (3M ESPE, USA). The surface roughness was tested using a laser profilometer device (VK-X200, Keyence, Japan). The COFs of the specimens and stainless steel (SS) archwires were tested using a Universal Micro-Tribotester (UMT-3, Bruker, USA). The wear scratches on the materials' surfaces were examined by using a scanning electron microscope (SEM) (Hitachi SU8010). The elastic modulus and hardness of samples were examined with a nano-indenter (XP, Keysight Technologies, USA).

結果:

PEEKとセラミックの平均表面粗さは、それぞれ0.320±0.028μmと0.343±0.044μmであった。PEEKはセラミックよりも摩擦係数が低く、両群間の差は統計的に有意であった（P< 0.05）。セラミックの磨耗は主な磨耗様式であり、チッピング破壊の観察が特徴的であったが、PEEK表面は平滑で、明らかな鱗片状の落屑や粒状の破片は見られず、接着磨耗を示していた。

RESULTS: The mean surface roughness of PEEK and Ceramic are 0.320 ± 0.028 μm and 0.343 ± 0.044 μm, respectively. PEEK has a lower Friction coefficient than Ceramic and the difference between the two groups was statistically significant (P< 0.05). The abrasive wear of Ceramic was the main wear style and was characterized by the observation of chipping fractures, while PEEK surface looked smooth without obvious scale-like desquamations and granular debris, indicating adhesive wear.

結論:

本研究の限界の範囲内で、PEEKはセラミックよりも低い摩擦係数を示した。PEEKは、低摩擦係数、平滑な表面、良好な機械的特性などの優れた特性を有しており、歯列矯正用ブラケットの要件を満たしている。低摩擦性と審美性を兼ね備えたブラケット材料として期待できる。

CONCLUSION: Within the limitations of the present study, PEEK shows lower coefficient of friction than ceramic. PEEK has excellent properties such as low friction coefficient, smooth surface and good mechanical properties, and thus meets the requirements for orthodontic brackets. It is considered as a potential bracket material with both low friction and aesthetic performance.