2020 Fiscal Year Research-status Report

高強度・高靭性を有する歯科CAD/CAM用グラスファイバー強化型レジンの開発

Research Project

Project/Area Number	20K10018
Research Institution	Nihon University
Principal Investigator	谷本安浩日本大学, 松戸歯学部, 教授 (40312045)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	平山紀夫日本大学, 生産工学部, 教授 (70582518) 北川剛至日本大学, 松戸歯学部, 講師 (20419766)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	歯科材料 / CAD/CAM / ファイバー強化型レジン
Outline of Annual Research Achievements	現在、デジタルデンティストリーの発展に伴い、CAD/CAMシステムが修復・補綴装置の製作手法として幅広く使用されている。特にCAD/CAM冠は健康保険に適用され、CAD/CAM冠用レジン材料のさらなる性能向上が望まれる。そこで本研究の目的は、歯工連携により高靭性・高強度を有するCAD/CAM用材料を試作し、そのキャラクタリゼーションおよび最適化を実施して、CAD/CAM冠の性能を向上させるための新規なCAD/CAM用材料を開発することである。令和２年度においては、マトリックスである熱可塑性樹脂と強化材であるガラスファイバーを複合化した、CAD/CAM用グラスファイバー強化型レジン（GFRP）を試作し、その成形性についての評価を行った。GFRPにおけるマトリックスとして熱可塑性アクリル樹脂を用い、強化材にはガラス繊維クロスを用いた。具体的には、ガラス繊維クロスを10枚積層したアセンブリにアクリル樹脂モノマーを含浸させた状態で、ホットプレスにより加圧・加熱成形を行い、板厚2 mmのGFRP板を作製した。作製したGFRP板の表面をサンドペーパーにより粗造化して、その粗造面にアクリル樹脂モノマーを塗布し、GFRP板を9枚積層した。積層したGFRP板は伸縮性に優れたナイロン製バギングフィルムで密閉し、真空ポンプでフィルム内を真空状態にし、温度制御が可能な硬化炉において加熱することで、積層間を重合硬化、接合させた。この真空成形により、市販のCAD/CAM用レジンブロックと同等の厚さである約18 mmのCAD/CAM用のGFRPブロック体を得ることができた。本研究で作製したCAD/CAM用GFRPのグラスファイバーの体積含有率は約45%であった。GFRPブロック体の断面や外表面にはボイド等の欠陥は観察されず、CAD/CAM用GFRPについて成形性の高い作製方法を確立することができた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究では、歯工連携により高靭性・高強度を有するCAD/CAM用材料を試作し、そのキャラクタリゼーションおよび最適化を実施し、歯冠修復におけるCAD/CAM冠の臨床成績を向上させるための新規なCAD/CAM用材料を開発することを目的としている。その目的を達成するために、令和２年度においてはCAD/CAM用材料の試作と作製方法を確立することに主眼を置き、熱可塑性アクリル樹脂をガラス繊維クロスで強化した、CAD/CAM用GFRP材料を作製した。本研究ではCAD/CAM用GFRPの作製方法として、真空含浸法を採用した。本手法は、積層したガラス繊維クロスを成形型内に配置して真空吸引した後に、アクリル樹脂モノマーを注入・含浸して行うものである。本手法により、CAD/CAM用GFRP材料を試作した結果、グラスファイバー含有率が高く、ボイドレスなCAD/CAM用GFRPブロック体を得ることができた。今後、高靭性・高強度に優れたCAD/CAM用材料を開発するにあたって、研究の初年度にもかかわらず、簡便で成形性の高いCAD/CAM用GFRPの作製方法を見出すことができた。以上のことから、研究遂行当初の目標を十分に達成しており、本研究は順調に進展しているものと考えている。
Strategy for Future Research Activity	令和２年度で得られた研究成果を踏まえて、今後、高靭性・高強度を有するCAD/CAM用GFRP材料を開発するために、GFRP材料の機械的性質の評価および最適化に関する研究を推し進める予定である。令和３年度においてはGFRP材料のキャラクタリゼーションを実施する。具体的には、ダイナミック超微小硬さ試験、3点曲げ試験、歯ブラシ摩耗試験などを行い、CAD/CAM用GFRP材料の機械的性質について評価・検討する。その際、成形条件やグラスファイバーの繊維方向や含有量がGFRPの機械的性質に及ぼす影響について明らかにする。また令和３・４年度において、作製したCAD/CAM用GFRPブロック体を歯科用CAD/CAM装置によってミリング加工して、GFRP冠を試作する予定である。さらには有限要素法を用いた数値解析を応用して、CAD/CAM用GFRP材料およびGFRP冠の最適化を図る。以上のような実験的・解析的評価によりPDCAサイクルを繰り返し、最適化された新規CAD/CAM用GFRP材料の開発を行うとともにその有用性について明らかにする予定である。
Causes of Carryover	本年度（令和２年度）においてはコロナ禍に係る社会情勢が大きく変化する中で、参加予定であった国内での学術講演会が来場型ではなくWEB開催に変更なった。また同様に、学会発表・参加に必要な経費を計上していた国際学会については開催延期となり、それらに係るキャンセルにより次年度使用額が生じた。本研究は順調に進展しており、次年度（令和３年度）以降も継続して得られた研究成果を国内・国際学会で学会発表、また論文投稿することが予想されるため、次年度に繰り越した費用については今後のさらなる研究成果の発表・報告に係る費用などに充てる予定である。