形状記憶ポリマーを用いた歯列矯正用3Dプリントアライナー材料（4Dアライナー材料）の物理化学的および機械的特性評価

Physiochemical and mechanical characterisation of orthodontic 3D printed aligner material made of shape memory polymers (4D aligner material).

抄録

目的:

3Dプリンターで作製した形状記憶アライナーについて、熱成形アライナーと比較して、物理化学的および機械的な材料分析を行うこと。

OBJECTIVES: To conduct a physiochemical and mechanical material analysis on 3D printed shape-memory aligners in comparison to thermoformed aligners.

材料と方法:

3つの熱成形材料を含む4つの材料を検討した：CAプロ（CP）、ゼンドゥーラA（ZA）、ゼンドゥーラFLX（ZF）：テラ・ハルツ（TC-85）。各材料から50×10×0.5mmの長方形ストリップを作製した。示差走査熱量測定（DSC）、動的機械分析（DMA）、形状回復試験、3点曲げ（3PB）、ビッカース表面微小硬度（VH）の5つの試験を実施した。

MATERIALS AND METHODS: Four materials were examined, including three thermoformed materials: CA Pro (CP), Zendura A (ZA), Zendura FLX (ZF), and one 3D printed material: Tera Harz (TC-85). Rectangular strips measuring 50 × 10 × 0.5 mm were produced from each material. Five tests were conducted, including differential scanning calorimetry (DSC), dynamic mechanical analysis (DMA), shape recovery tests, three-points bending (3 PB), and Vickers surface microhardness (VH).

結果:

DSCのガラス転移温度（Tg）は、CPで79.9℃、ZAで92.2℃、ZFで107.1℃、TC-85で42.3℃であった。20-45℃におけるDMA分析では、温度が上昇するにつれて、TC-85に限って貯蔵弾性率の顕著な低下が観察された。注目すべきは、30～45℃の温度範囲では、TC-85は10分後に86.1%に達する大幅な形状回復を示したが、熱成形材料は最小限の回復（1.5～2.9%）を示したことである。3PB試験（30℃、37℃、45℃）では、ZAが2mm曲げで最も大きな力を示したが、TC-85は最も小さな力を示した。室温でのVHについては、ZA、ZFともに熱成形後に有意な低下がみられた。硬度はZAが最も高く、次いでZF、TC-85であり、CPは最も低い値を示した。

RESULTS: DSC recorded glass transition temperatures (Tg) at 79.9 °C for CP, 92.2 °C for ZA, 107.1 °C for ZF, and 42.3 °C for TC-85. In DMA analysis at 20-45 °C, a prominent decrease in storage modulus was observed, exclusively for TC-85, as the temperature increased. Notably, within the temperature range of 30-45 °C, TC-85 exhibited substantial shape recovery after 10 min, reaching up to 86.1 %, while thermoformed materials showed minimal recovery (1.5-2.9 %). In 3 PB test (at 30, 37, 45 °C), ZA demonstrated the highest force at 2 mm bending, while TC-85 exhibited the lowest. Regarding VH at room temperature, there was a significant decrease for both ZA and ZF after thermoforming. ZA had the highest hardness, followed by ZF and TC-85, with CP showing the lowest values.

結論:

TC-85は、口腔内温度において卓越した形状記憶性を示し、適応性を向上させ、力の減衰を減少させ、高い柔軟性とともに、1ステップあたりの広範囲な歯の移動を可能にした。さらに、熱成形シートと同様の微小硬度を維持し、デンタルアライナーの耐久性と有効性を保証する。

CONCLUSIONS: TC-85 demonstrates exceptional shape memory at oral temperature, improving adaptation, reducing force decay, and enabling, together with its higher flexibility, extensive tooth movement per step. Additionally, it maintains microhardness similar to thermoformed sheets, ensuring the durability and effectiveness of dental aligners.

臨床的関連性:

形状記憶特性を持つ3Dプリントアライナー素材（4Dアライナー）は、歯科矯正アライナー分野に革命をもたらしました。熱成形材料よりも矯正治療に適した機械的特性を示しました。さらに、ワークフロー全体を最適化しながら、アライナーのデザインや厚みをコントロールすることができます。また、材料の無駄を最小限に抑え、製造コストを削減します。

CLINICAL RELEVANCE: The 3D printed aligner material with shape memory characteristics (4D aligner) has revolutionized the orthodontic aligner field. It showed mechanical properties more suitable for orthodontic treatment than thermoforming materials. Additionally, it offers enhanced control over aligner design and thickness, while optimizing the overall workflow. It also minimizes material wastage, and reduces production expenses.