口腔インプラントおよび修復分野におけるPEEK材料の研究の進歩

出典: BB DENTAL、国際歯科医学ジャーナル

ポリエーテルエーテルケトン (PEEK) は、酸素-p-フェニレン-カルボニル-p-フェニレンを構成単位とする線状芳香族ポリマー化合物です。半結晶性の熱可塑性プラスチックです。 PEEKは1978年の発売以来、その優れた機械的特性と化学的安定性（高温、化学腐食、放射線に対する耐性など）により、航空宇宙、自動車、精密機器製造などのハイテク分野で広く使用されてきました。
PEEKモノマーユニットの化学構造また、PEEK素材の表面における細菌コロニー形成量は純チタンに比べて低く、信頼性の高いバイオセーフティを備えています。複合材料の弾性率は人間の骨組織の弾性率に近いため、医療分野で広く使用されています。 PEEKをインプラント、テンポラリーアバットメント、固定義歯、可撤性義歯ブラケットとして利用する研究が増えており、口腔科学分野への応用は国内外の学者から注目を集めています。

PEEKの概要<br /> 未改質 PEEK の弾性率は 3～4GPa ですが、改質 PEEK の弾性率は 18～150GPa に達し、これは人間の骨組織の弾性率に非常に近い値です。一部の学者は、骨組織の弾性係数に近い弾性係数を持つインプラントを使用すると、応力遮蔽効果を軽減するのに役立つと考えています。

さまざまな材料の弾性率と引張強度
PEEK は表面エネルギーが低いため、細胞接着がうまくいかず、骨形成が悪く、従来の処理方法で接合すると理想的な結果を得ることが困難です。同時に、PEEK は色が濃いため、口腔内修復物として直接使用すると外観に多少影響が出るため、色を調整する必要があります。

上記の欠点を克服し、PEEKの性能を向上させるために、多くの学者がグループ導入、粒子充填、繊維強化、プラズマスプレー、スピンコーティングなどによる表面改質を行い、より良い臨床応用効果を得ています。

プラズマ溶射の概要
PEEKの口腔インプラントへの応用

1960 年代には、骨内歯科インプラントは主に純チタンとチタン合金 (Ti-6Al-7Nb、Ti-6Al-4V など) で作られていました。チタンインプラントは、膨大な実験的および臨床的研究証拠によって裏付けられていますが、臨床使用においては依然としていくつかの問題が残っています。まず、チタンはアレルギーを引き起こす可能性があります。次に、人間の骨組織と比較すると、チタンの弾性率は過度に高いため、骨組織のリモデリングや損失が起こりやすくなります。最後に、金属インプラントは光透過性が低く、外観に影響を与えます。

1998年、イギリスのInvibio社がPEEKインプラントを発売しました。市販の PEEK インプラントの登場により、関連する研究が徐々に増加しています。 PEEK とその改良材料は優れた特性を持っています。一部の学者は、PEEK インプラントは応力遮蔽効果を回避でき、整形外科、外傷外科などの分野で金属インプラントの代替にもなり得ると考えています。

機械的強度
PEEK インプラントが使用中に直面する主な問題の 1 つは、ストレスに耐える能力が低いこと、つまり機械的強度が不十分なことです。ガラス繊維強化PEEK（GFR-PEEK）や炭素繊維強化PEEK（CFR-PEEK）などの強化材料の登場により、PEEKの機械的強度はある程度向上しました。

非充填、カーボンファイバー充填、ガラスファイバー充填 PEEK 特性表
Lee らは、PEEK インプラントの応力遮蔽と疲労限界を研究しました。その結果、直径 4 mm の GFR-PEEK インプラントの疲労限界は 310 N、静的圧縮強度は 256 N であることが示され、GFR-PEEK インプラントは前歯の周期的咬合力 (140～170 N) に十分耐えられることが示されました。

オッセオインテグレーション
PEEK は不活性材料であるため、周囲の組織との相互作用が弱いです。一部の学者はPEEKに関する一連の細胞実験を実施しており、その結果、細胞増殖の促進という点では、チタンと比較して、PEEK表面の増殖細胞はより強い炎症性増殖を示し、PEEKと骨組織との間の線維性相互作用がより顕著であることが示されています。

PEEK-HA-CF複合材料の表面における細胞骨形成のSEM観察（A：24h 75PEEK/20HA/5CF、B：24h 75PEEK/05HA/20CF）
Cook らは、PEEK インプラントと単皮質骨間の結合力を研究しました。その結果、インプラント後 4 週および 8 週で、チタンコーティングされたインプラントは骨とインプラントの接触率が著しく増加したことが示されました。

PEEKインプラントと周囲の組織との相互作用を改善するために、PEEKの表面処理は効果的な方法の1つです。表面粗さを大きくすると細胞接着が促進されます。チタンコーティングに加えて、PEEK 表面をハイドロキシアパタイトやリン酸カルシウムなどの材料でコーティングすると、骨芽細胞の増殖が促進されます。

ハイドロキシアパタイトの結晶構造と（0001）面の投影
PEEKアバットメント<br /> 一部の学者は、PEEK とチタンの仮支台歯の機械的特性を比較しました。その結果、PEEK 仮支台歯が破損した力は (329.4±103.6) N でした。この力はチタンの仮支台歯の力よりはるかに低いものでしたが、前歯の咬合力に耐えることができました。 PEEK は生体適合性に優れているため、治癒用アバットメントとして使用できます。

Hahnel らは、チタン、二酸化ジルコニウム、PEEK、ポリメチルメタクリレート (PMMA) などの一般的に使用されているアバットメント材料の細菌付着率を研究しました。その結果、PEEK 表面のプラーク付着率は、チタン、二酸化ジルコニウム、または PMMA アバットメントの付着率と同等か、それよりも低いことが示されました。

インプラントのベースは、チタン、金、アルミナ、酸化ジルコニウムなどの材料で作ることができます。チタンや酸化ジルコニウムのベースと比較すると、PEEK のベースはトリミングが容易です。さらに、PEEK はインプラント修復物の上部支持材としても使用できます。歯肉色の材料と併用することで、修復物の重量を軽減しながら赤色の審美効果を確保できます。したがって、PEEK はインプラントアバットメントの金属や磁器の代替材料として使用できます。

取り外し可能な義歯修復におけるPEEKの応用

クラスプは取り外し可能な義歯に不可欠な部品であり、取り外し可能な義歯の保持は主に支台歯に対するクラスプの弾性保持力に依存します。伝統的な留め具は合金で作られており、優れた弾力性、優れた保持力、曲げやすさなどの利点があります。歯の色のクラスプは、金属クラスプに比べて審美性への影響をある程度軽減します。通常は熱可塑性樹脂で作られており、PEEK もその 1 つです。

異なる樹脂材料で作られた留め具の保持力を研究した学者もいます。 3 本のアームの留め具は、それぞれ PEEK、ポリエーテルケトンケトン (PEKK)、ポリホルムアルデヒド (POM) で作られました。咀嚼シミュレーターを使用して、液体環境下で各留め具の着脱サイクルを 15,000 回実行しました。

PEEKクラスプの研究結果によると、PEEKクラスプの保持力は他の2つの材料よりも高く、摩耗や取り外しによって大幅に低下することはありませんでしたが、その保持力はコバルトクロム合金クラスプよりもはるかに低いことがわかりました。また、走査型電子顕微鏡では、コバルトクロム合金クラスプはアバットメントモデルの表面を摩耗しますが、樹脂クラスプはアバットメントを摩耗しないことが観察されました。

Zoidis らは、患者が金属クラスプの味、重さ、色に不満であったため、スキャフォールド材料として PEEK を使用して下顎部分床義歯を作製した症例を報告した。真空ダイカスト法を用いて溶融PEEK材をブラケット状に成形し、これをベースにさらに歯を配置して樹脂ベースを作製しました。

従来のコバルトクロム合金フレームワークを使用した取り外し可能な部分入れ歯と比較すると、下顎 PEEK フレームワークを使用した取り外し可能な部分入れ歯の重量は 27.5% 軽減されます。 PEEK は優れた弾力性を備えているため、近心サポートと組み合わせたクラスプの設計は、Ken のクラス I 支台歯にかかる遠心ストレスを軽減するのに役立ちます。そのため、金属に敏感で口の中に金属を入れることができない患者さんの場合、PEEK は金属ステントの代替材料として使用することができます。

固定義歯修復におけるPEEKの応用
Stawarczyk らは、異なる製造プロセス (CAD/CAM 切断、球状 PEEK ダイカスト、粒状 PEEK ダイカスト) による 3 ユニット PEEK 複合材固定ブリッジの破壊強度を研究しました。結果によると、CAD/CAM 切削法で作られた固定ブリッジは破壊荷重が 2354 N で最も破壊抵抗が高く、粒状ダイカストで作られた修復物は破壊荷重が 1738 N で最も低いことが分かりました。

異なる材料を使用した固定修復物の破壊荷重修復物として直接使用する場合でも、下歯冠として使用する場合でも、PEEK とその複合材は支台歯または表面材料との接着の問題に直面します。そのため、多くの学者が、機械的保持力と化学的相互作用を高める観点から、PEEK の表面処理を行ったり、さまざまな接着システムを適用して接着特性を改善したりしてきました。

一部の研究者は、接着前にPEEK表面を前処理し、同時に前処理剤を塗布しました。その結果、サンドブラスト（50μm、0.2MPa）後、2つの前処理剤、Visio.linkとSignum PEEK BondⅠ+Ⅱにより、樹脂とPEEKの接着強度が大幅に向上し、それぞれ40.0〜69.0 MPaと41.3〜57.5 MPaに達することがわかりました。

サンドブラスト後の異なる材料表面と樹脂接着剤間の引張接着強度
Uhrenbacher らは、さまざまな表面処理が PEEK 単冠の保持力に与える影響を研究しました。結果によると、未処理の PEEK シングルクラウン（使用した接着剤は自己接着性樹脂（RelyX Unicem、3M ESPE））と天然アバットメント間の保持強度は（0.43±0.24）MPa でした。サンドブラスト処理後、Signum PEEK Bond 接着システムを使用したところ、保持強度は（2.97±0.92）MPa に増加しました。

現在、歯科で一般的に使用されているPEEKおよびその改良材料は、ほとんどが灰色または白色で、光を透過しません。そのため、前歯など、審美性が要求される部位の修復には適していません。このため、PEEK コーピングにはベニヤが必要になることがよくあります。最も一般的に報告されている PEEK 表面材は複合樹脂です。

PEEK樹脂で接着した固定義歯の頬側図
結論
PEEK は、口腔内の硬組織に類似した物理的および化学的特性を持つため、修復やインプラントなどの分野で従来の歯科材料の代替品として使用できます。現在、PEEK の応用は主に研究室での研究段階にあり、その機械的強度、生体適合性、接着特性などの改善に多くの研究が行われています。臨床現場で PEEK 修復が広く使用されるようになるには、動物実験や臨床試験によるさらなる研究データのサポートが必要です。

いくつかの参考資料:

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