下顎第一大臼歯におけるフルカバーデザインと材質の違いによる亀裂伝播の影響：拡張有限要素法による検討

Effects on different full-coverage designs and materials of crack propagation in first mandibular molar: an extended finite element method study.

抄録

本研究の目的は、3つの異なる材料からなる5種類のフルカバー修復物を用いて、ひび割れた歯の破壊抵抗の生体力学的特性を調査することである。 下顎第一大臼歯の3Dモデルを作製し，クラウン，内側にコンポジットレジンを充填したクラウン，咬合ベニア，内側にコンポジットレジンを充填した咬合ベニア，オンレーの5種類のフルカバー修復模型を設計した．これらの修復模型は、ジルコニア、二ケイ酸リチウム（LDS）、ハイブリッドポリマー包埋セラミックネットワーク材料（PIC）の3つの異なる材料を用いて作製した。拡張有限要素法（XFEM）を用いて、修復物の咬合面に5000Nの咬合荷重をゆっくりと加え、合計15個の修復モデルを試験した。修復物および象牙質の亀裂線における応力分布の解析を行い，修復物および象牙質にかかる亀裂初期荷重を測定・記録した． その結果，咬合面の修復物は耐クラック性が有意に向上し，ジルコニアは試験材料の中で優れた耐破壊性を示した．また，歯冠修復物の内側にコンポジットレジンを充填したものが最も耐破折性が高く，咬合ベニアが最も低かった．MPS濃度は修復物と象牙質との界面および歯根分岐部で観察され，クラック発生の頂点で最も高い値を示した．酸化修復物に覆われた象牙質は変位が最も大きく、PIC修復物は最も小さかった。歯髄分析では、ジルコニア修復物とオンレーを装着したモデルで選択的なMPS濃度とひずみパターンが認められ、ジルコニア修復物とオンレーでは歯髄変位が顕著であった。エナメル質分析では、ジルコニア修復模型とオンレーでMPS値と変位が大きく、オンレーで歪みが大きいことが示された。修復物は歯の保護に重要な役割を果たし、象牙質の亀裂伝播初期荷重は実験グループの修復物を上回った。 この研究により、フルカバーレストレーションがひび割れ歯の破壊抵抗を有意に増大させ、ジルコニアレストレーションがその下のひび割れ歯を有意に保護することが確認された。修復物の設計において破折線を除去することで、割れた歯の耐破折性を向上させることができる。この知見は、歯科補綴物の設計と臨床実践に示唆を与えるものである。

This study aims to investigate the biomechanical properties of fracture resistance in cracked teeth using five different full-coverage restorations made of three different materials. A 3D model of a mandibular first molar was created to design five different full-coverage repair models: crown, crown with composite resin filling inside, occlusal veneer, occlusal veneer with composite resin filling inside and onlay. These repair models were fabricated using three different materials, namely, zirconia, lithium disilicate (LDS), and a hybrid polymer-infiltrated ceramic network material (PIC). In total, 15 repair models were tested using the extended finite element method (XFEM), with an occlusal load of 5000 N applied slowly to the occlusal surface of the restoration. The analysis of stress distribution in the restoration and dentin crack line was conducted to measure and record the crack initial load on the restoration and dentin. The results showed that restorations on the occlusal surface significantly improved crack resistance, with zirconia exhibiting superior fracture resistance among the materials tested. Restorations of crown with composite resin filling inside demonstrated the highest resistance to fracture, while occlusal veneers showed the lowest. MPS concentration was observed at the interface between the restoration and dentin and at the root bifurcation, with the highest values at the top of crack development. Dentin covered by oxidized restorations had the highest displacement, while PIC restorations exhibited the lowest. Pulp analysis revealed selective MPS concentration and strain patterns in models with zirconia restorations and onlay, with pronounced pulp displacement in zirconia restorations and onlay. Enamel analysis indicated larger MPS values and displacements in zirconia restoration models and onlay, with higher strain in onlay. Restoration played a crucial role in protecting the tooth, with crack propagation initial loads in dentin surpassing restorations in experimental groups. This study confirms that full-coverage restorations significantly increased the fracture resistance of cracked teeth, with zirconia restorations significantly protecting the underlying cracked tooth. Elimination of fracture lines in the restoration design can improve fracture resistance in cracked teeth. The findings have implications for dental prosthetic design and clinical practice.