2023 Fiscal Year Research-status Report
Biomechanical study of orthodontic forces generated by orthodontic aligners
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22K10254
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| Research Institution | Showa University |
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Principal Investigator |
中納 治久 昭和大学, 歯学部, 教授 (80297035)
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2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | アライナー / 変位 / ひずみ / 板厚 / 力学的解析 / デジタル画像相関法 / ボーイングエフェクト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和5年度は、デジタル画像相関法ARAMIS（DIC：Digital Image Correlation, GOM Correlate, 独GOM社）を用いた定量的評価法の確立を目的として、「デジタル画像相関法を用いた矯正用アライナーによる前歯部遠心移動時の変位および歪みの計測」を計画した。
本研究は、上顎前歯におけるen masse retractionと2-step retractionの比較のために、アライナーの変位とひずみに着目して力学的解析を行うことを目的とした。【試料及び方法】6前歯を遠心移動したモデル（I：en masse retractionモデル）と、あらかじめ両側犬歯の遠心移動を行った上で、4前歯を遠心移動したモデル（II：2-step retractionモデル）を用意した。厚さ0.75mmの熱可塑性PET-Gシートにて(Ⅰ)(Ⅱ)に対応するアライナーを作製した。これらの試料から、デジタル画像相関法（以下、DIC）により2台のカメラによる計測装置を用い、歯の移動前後における変位とひずみを３次元的に測定した。さらに、アライナー厚さをマイクロフォーカスＸ線ＣＴ装置にて計測した。
【結果及び考察】変位の方向と大きさからは、(Ⅰ：2-step retraction)において、舌側傾斜と挺出が抑制された変位が認められた。さらに、アライナーの厚み計測より（Ⅰ）のアライナーは側切歯と犬歯の間に硬い「狭窄部」を持ち、前歯に限局したコントロールを容易にし、臼歯の反作用を最小限に抑えることが示唆された。
【結論】前歯部遠心移動時のボーイングエフェクトである前歯の舌側傾斜と挺出を抑制するためには、2-step retractionが望ましいことが示唆された。また、DICを用いた３次元的な変位とひずみの測定は、アライナーを力学的解析する上で有用である事が示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
令和4年度は、アライナーの矯正力発生時に生じる変形とひずみ分布を定量的に計測すること目的とし、以下の実験を計画していた。１）四辺形要素による応力変形解析を用いた定量的評価法の確立、２）デジタル画像相関法ARAMIS（以下、DIC）を用いた定量的評価法の確立、３）マイクロCTによるアライナーの板厚分布の計測でアライナーを撮影、板厚計測は構造解析ソフト VOXELCONを用いて評価する。１）、３）は、令和4年度研究実施状況報告書に記載した通り、予定の実験は終了した。２）に関しては、新型コロナウィルス感染症対策としてDIC所蔵の慶應大学への入館禁止があったため、やや遅れて計測を開始したが、令和5年度の「研究実績の概要」に記載した通り、予定の実験は終了した。
一方、科研費申請時の研究計画書では、令和5年度に「アライナーの変形に影響を与える因子の特定」を行う予定であった。そこで、熱可塑性材料の加圧成型前後の材料学的評価として、PET-G シートの加圧成型前後の格子率と側面の垂直ひずみ，板厚や機械的特性の評価、アライナー型矯正装置の側方圧力及び適合に関する実験的研究も行った。さらに、成形温度（167, 174, 180℃）が前歯初期ひずみに及ぼす影響の調査を行う事を目的として、令和4年度に購入したオートマチックサーモフォーミング機能内蔵のエルコプレスCi motion（ERKODENT社製）を用いて、アライナー作製時の加圧成型機の成型温度等を変更しながら実験を行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度に計画した、「アライナーの変形に影響を与える因子の特定」を継続しつつ、令和6年度以降に予定している「アライナーに生じる変形とひずみ分布を予測可能なFEMモデルの作成」に必要な情報収集を開始する。本実験の目的は、(1)成形温度と成型時の型配置が成形されたアライナーに及ぼす影響、ならびに、矯正治療に及ぼす影響を、実験により明らかにし、“良いアライナー”とはいかなるものかを理解する。(2)“良いアライナー”を製作するための成形条件を考案するために、FEMシミュレーションによる Virtual manufacturing 技術を確立する、である。
具体的には、以下の実験を計画している。
１）成形温度（167, 174, 180℃）が前歯初期ひずみに及ぼす影響の調査の継続、２）成型時の型配置（0, 45, 90, 180゜）が前歯初期ひずみに及ぼす影響の調査、３）ロードセル付き矯正アライナー評価装置（前歯矯正模擬実験装置）の開発；新たに前歯矯正模擬実験装置の設計・製作を行う。上顎前歯におけるen masse retractionと2-step retractionの比較のために、en masse retractionの場合は6前歯と左右臼歯部の3パーツ、2-step retractionの場合は、4前歯と移動中の犬歯と臼歯部を一体化させた左右臼歯部の3パーツに分割した歯列モデルを着脱可能な装置を製作する、４）ロードセル付き矯正アライナー評価装置（前歯矯正模擬実験装置）に装着する模型を3Dプリンターで製作する、５）ロードセル付き矯正アライナー評価装置を用いて、成形温度及び成型時の型配置が異なったアライナーで模擬実験を行い、アライナーの初期ひずみを計測する。
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| Causes of Carryover |
FEMシミュレーションによる Virtual manufacturingを行うためには、PCワークステーションと歯の移動をシミュレーションするための3D CADソフト、汎用物理シミュレーションソフト等が必要であるが、現在の交付額では予算が不足している。
今後、2024年度交付額で充当して購入予定である。
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