3D プリント義歯の機械的特性は本物の歯に匹敵します。

この投稿は Coco Bear によって 2022-6-4 21:48 に最後に編集されました。

はじめに: 人間の歯は複雑な組織で構成されており、非常に高い機械的強度を持っています。現実世界では、人々は「歯をコピー」する必要があります。たとえば、歯科トレーニングアプリケーションでは、実際の歯の構造と形態をコピーしようとしますが、その機械的特性は実際の歯と一致することができません。では、本物の歯の機械的特性をどのように再現するのでしょうか?これが研究者の研究の焦点となってきました。

2022年5月、アンタークティックベアは、ロンドン大学クイーン・メアリー校の研究者らが、抜歯した歯のX線マイクロトモグラフィースキャンから形態を抽出し、生体模倣歯を作成したことを知りました。研究者らは3Dプリントに新しい複合材料を使用し、プリントされた歯は本物の歯に匹敵する機械的特性を持っています。研究者らは「Scientific Reports」に「生体模倣人間の歯の複合3Dプリント」というタイトルで研究を発表しました。Antarctic Bear をフォローして、具体的な内容を見てみましょう。

研究開発の難しさと解決すべき問題<br /> バイオニック歯の開発には、人間の歯に匹敵する適切な機械的特性を提供するために、特定の製造プロセス中の材料間の複雑な相互作用を理解する必要があります。歯科材料にはさまざまな種類がありますが、ポリ(メチルメタクリレート) (PMMA) 樹脂は、入手しやすさ、コストの低さ、生体適合性、審美性の高さから、歯科用材料として依然として有力な候補となっています。 PMMA は、さまざまな製造プロセスで処理でき、生体適合性がある比較的高性能な材料であるため、義歯の製造によく使用されます。

しかし、PMMA は疲労や過度の咀嚼により簡単に破損する可能性があり、PMMA 義歯の修理は困難です。研究によると、複合材料を製造するために PMMA に充填剤を加えると義歯の衝撃強度が向上することが分かっていますが、充填剤によって PMMA の粘度が上昇し、望ましい形状に流れ込む能力が低下するため、準備が困難です。したがって、比較的硬い材料と柔らかい材料で複合材料を製造することは、人間の歯の硬いエナメル質と柔らかい象牙質領域のハイドロキシアパタイトの異なる材料組成を模倣するのに有利です。義歯の改良に関する研究は盛んに行われているが、歯科教育の用途で歯を切る「感触」などのリアルな触覚反応を提供する機械的特性を備えた生体模倣型の歯を作成する研究はほとんど行われていない。

研究プロセス<br /> この研究の目的は、天然の歯の形態と機械的反応を模倣した材料を使用して歯科補綴物を 3D プリントすることです。研究者らは、X線マイクロトモグラフィー（XMT）を使用して天然歯の高解像度画像を作成し、サンプルの形状を正確にマッピングしました。 XMT は、非破壊性と構造間のデータを簡単にセグメント化できるという特徴から、イメージング技術として選択されました。イメージングデータは処理され、3D プリントに適した形式に変換されます。 XMT を使用すると、歯の形態を包括的に説明でき、歯間の構造上の違いを強調する高コントラストの画像を作成できます。高コントラストのスキャンでは、過剰石灰化エナメル質と低石灰化象牙質（画像では明るい領域として表示）の違いが明確に表示されます。市販のタイプの歯 (Frasaco) にはハイライトされた領域がないため、エナメル質と象牙質の両方に同じ材料が使用されているか、両方の材料の放射線不透明度が同じであることがわかります。残りの歯の種類は、エナメル質と象牙質を区別するために異なる材料を使用することで区別され、その結果、XMT 画像のコントラストが異なります。図 f は、3D プリントされた材料の再構成された XMT 画像を示しています。すべての画像は、形状とサイズが均一であり、追加の充填粒子によりグレーの色合いが異なります。 3D プリント構造内のフィラー粒子 (25wt.%) の分布を示す再構成された XMT 画像。

△XMT画像

この研究ではさらに、3D プリントされた生体模倣歯を他の歯と比較評価するための性能指標として、切断された歯の機械的評価を可能にする力測定システムを開発しました。研究者らは、さまざまなガラス、ハイドロキシアパタイト、磁器の強化材をメタクリレートベースのフォトポリマー樹脂に組み込んだ複合材料を使用し、市販の人工歯6本と比較した。抜歯された人間の歯と 3D プリントされた類型学的歯の機械的特性は、加えられた切削力を測定する触覚法を使用して評価されました。

△実験装置

△抜歯や矯正治療で歯を削るのに必要な平均的な力

この記事では、この研究で評価された材料の範囲と、3D プリントされた歯を作成するために使用された強化材料のさまざまな重量パーセンテージについて説明します。結果によると、すべてのサンプルにおいて、強化材の重量割合が増加すると切断力は減少します。 40 種類の異なる組成のうち、抽出したエナメル質を切断するのに必要な力 (0.31 N) とほぼ一致 (±0.02 N) した組成は 3 つで、具体的には 25% HAp (0.31 N ± 0.06)、20% CHAp (0.32 N ± 0.06)、および 25% CHAp (0.31 N ± 0.03) でした。

結果は、印刷に使用された材料の組成が人間の歯とは異なるにもかかわらず、3Dプリントされた歯は機械的に人間の歯に匹敵することを示しました。材料の弾性率と硬度の複数のパラメータ変数は、人間の歯とバイオニックの歯の両方の触覚反応を説明するために示され、材料の機械的特性の比率が、切削力下での歯の機械的挙動を決定する重要な要因であることが実証されました。

詳細については、元の論文をご覧ください：https://doi.org/10.1038/s41598-022-11658-y

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