2023 Fiscal Year Research-status Report

The stability of orthodontic anchor-screw under dynamic loading

Research Project

Project/Area Number	23K09223
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)	根岸慎一日本大学, 松戸歯学部, 教授 (60579118) 北川剛至日本大学, 松戸歯学部, 講師 (20419766)
Project Period (FY)	2023-04-01 – 2026-03-31
Keywords	アンカースクリュー / 矯正用材料 / 動的特性
Outline of Annual Research Achievements	近年、歯科矯正用アンカースクリューが幅広く用いられている。しかし、アンカースクリューの顎骨への保持はネジの機械的維持力に大きく依存するため、治療期間中に脱落するリスクがある。これまでに、歯科矯正用アンカースクリューの静的な実験や数値解析などによる検討が行われているが、アンカースクリューの緩みを考慮する上で重要となる、動的負荷下におけるアンカースクリューの挙動や安定性についてはあまり明らかではない。そこで本研究では、歯科矯正用アンカースクリューの様々な埋入条件に関して、共振周波数分析装置などを用いた動的実験および有限要素法を用いた動的解析を実施し、歯科矯正用アンカースクリューの動的負荷下におけるメカニクスを明らかにすることが目的である。ひいては、これらの動的な実験および解析の両面から歯科矯正用アンカースクリューの動的挙動を解明することで、アンカースクリューの脱落率の減少および安定性の向上を目的とした歯科矯正システムの適正化を図る。令和５年度においては、歯科矯正用アンカースクリューを皮質骨と海綿骨から構成される模擬骨に埋入した実験モデルの試作を行った。本実験モデルを基盤として、三次元CADソフトを使用して実験モデルと同じ条件の数値モデルの作成を行い、汎用有限要素解析（FEA）ソフトにインポートすることでFEAモデルを構築した。FEAモデルにおけるアンカースクリュー上部に動的荷重（時間変化荷重）を与えて、その応答としてアンカースクリュー／皮質骨の挙動（変位など）を算出することで時刻歴応答解析を実施した。その結果、従来の静的解析では明らかにすることができなかった、アンカースクリュー／骨界面における微小変位などの動的挙動について確認することができ、アンカースクリュー／歯槽骨モデルを用いた解析ワークフロー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、動的負荷を受ける歯科矯正用アンカースクリューの機械的試験およびFEAによる数値シミュレーションを実施し、歯科矯正用アンカースクリューの動的挙動の解明と矯正治療システムの適正化を図る。そのためにはまず、歯科矯正用アンカースクリュー／歯槽骨に関する実験モデルの作製および数値モデルの構築が必要となる。そこで令和５年度において、歯科矯正用アンカースクリュー／歯槽骨の実験モデルを試作した。具体的には、電動式骨手術用器械を用いてチタン合金製セルフドリル型アンカースクリューを皮質骨（短繊維強化エポキシ樹脂）と海綿骨（ポリウレタン樹脂）から構成される模擬骨に埋入することで実験モデルとした。また、三次元CADソフトを使用して実験モデルと同じ条件の数値モデルを作成し、FEAソルバーにインポートしてFEAモデルを構築した。本FEAモデルを用いて時刻歴応答解析を実施した結果、歯科矯正用アンカースクリューの緩みに相当するアンカースクリューの微小変位などの動的挙動を適切に評価できることが明らかとなった。以上のように、初年度の目標であった歯科矯正用アンカースクリュー／歯槽骨モデルの構築および解析ワークフローの確立を達成しており、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５年度では、歯科矯正用アンカースクリュー／歯槽骨の実験モデルの作製および数値モデルの構築を行い、アンカースクリューの動的挙動を明らかにするための解析ワークフローを確立した。今後は、アンカースクリューの埋入条件がその安定性に及ぼす影響を検討するため、異なる長さおよび径のアンカースクリューを対象とし、皮質骨に対するアンカースクリューの埋入時のトルク量や埋入角度を変化させた場合について、アンカースクリュー／歯槽骨に関する実験モデルの作製および数値モデルの構築を行う。さらに本モデルを用いて、異なる条件における歯科矯正用アンカースクリューの動的挙動について実験および解析の両面から明らかにしていく予定である。
Causes of Carryover	当初、本年度（令和５年度）における汎用有限要素解析（FEA）ソフトに係る費用については、年間でのライセンス料金として予算に計上していた。しかし、実務的には数値モデルの構築が完了した後に、FEAソフトのライセンス契約を行ったため、期間（短期）ライセンス料金となり、差額が生じた。一方、次年度（令和６年度）よりFEAソフトの価格改定（上昇）が予定されているため、次年度に繰り越した費用についてはライセンス料金の増額分の費用などに充てる予定である。