DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-86687-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39833361
تاريخ النشر: 2025-01-20
المؤلف: Byeong Gu Bae وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقويم الأسنان وطب الأسنان الوجهية
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة قوة الضغط لمثبتات الطباعة المباشرة ثلاثية الأبعاد (3DPA) مقارنةً بمثبتات التشكيل الحراري التقليدية (TFA)، مدفوعةً بالطلب المتزايد على المثبتات الشفافة بسبب مزاياها الجمالية. تضمنت الإعدادات التجريبية إنشاء مناطق ضغط مستطيلة (RPA) باستخدام مادة TC-85 لمجموعة 3DPA، بينما تم صنع عينات التحكم من بولي إيثيلين تيريفثاليت المعدل بالجلايكول (PETG) وTC-85 دون ملء البروزات. تم إجراء اختبارات الضغط عبر أعماق مختلفة، وكشفت أن مادة TC-85 أظهرت قوة ضغط أعلى بكثير من PETG، مع ظهور النسخة الكاملة من TC-85 بأعلى قوة.
تؤكد النتائج على إمكانيات تقنية 3DPA لتخصيص تصميم المثبتات من خلال تعديل الشكل والسماكة، مما يعزز قدراتها البيوميكانيكية. بشكل خاص، تتيح القدرة على إنشاء نتوءات مستهدفة تطبيق قوى انتقائية ضرورية لتحريك الأسنان بشكل فعال، مما قد يقلل من الحاجة إلى ملحقات إضافية. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على القابلية السريرية للمثبتات المطبوعة ثلاثية الأبعاد، مشيرةً إلى أنها قد تقدم أداءً أفضل في العلاجات التقويمية مقارنةً بالطرق التقليدية.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على الطلب المتزايد على المثبتات الشفافة في تقويم الأسنان، مدفوعةً بتفضيلات المرضى الجمالية. توفر المثبتات الشفافة، على عكس الأجهزة الثابتة التقليدية، مزايا جمالية كبيرة بسبب تصميمها الشفاف ولا تتطلب أقواس. ومع ذلك، تعتمد فعاليتها على التزام المرضى وخبرة الممارس البيوميكانيكية. جانب حاسم من العلاج الناجح بالمثبتات الشفافة هو استخدام الملحقات لتصحيح الأسنان الملتوية والمزاحة، على الرغم من أن هذه الملحقات يمكن أن تنفصل بسهولة، مما يضر بالجمالية. تؤكد الورقة على الحاجة إلى تحسين تقنيات الربط وتصميمات مبتكرة للمثبتات لتعزيز كفاءة حركة الأسنان.
تركز الدراسة على الخصائص الميكانيكية لمثبتات الطباعة المباشرة ثلاثية الأبعاد (3DPA) مقارنةً بمثبتات التشكيل الحراري التقليدية (TFA). بشكل خاص، تحقق في ميزات التصميم مثل منطقة الضغط المستطيلة (RPA) والمنطقة المخصصة للضغط (CPR) لتحديد أهميتها السريرية في تصحيح الأسنان المائلة. تهدف البحث إلى تقييم الخصائص الميكانيكية لمادة 3DPA، TC-85، ومادة TFA، بولي إيثيلين تيريفثاليت المعدل بالجلايكول (PETG)، تحت ضغوط ضغط متغيرة. تفترض الفرضية الصفرية أنه لا يوجد فرق في قوة الضغط بسبب اختلافات المواد والسماكة. تسعى هذه الدراسة لوضع الأساس للتقدم المستقبلي في تصميم المثبتات الشفافة، مما يؤدي في النهاية إلى علاجات تقويمية أكثر فعالية.
الطرق
في هذه الدراسة، تم تصنيع العينات من PETG وراتنج ضوئي قابل للشفاء ثلاثي الأبعاد (TC-85) للتحقيق في خصائصها الميكانيكية تحت ضغط دوري. تم تشكيل عينات PETG باستخدام طريقة الفراغ، بينما تم طباعة عينات TC-85 مباشرة باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد وتم علاجها بعد الطباعة تحت النيتروجين. تميزت المجموعة التجريبية ببروزات مستطيلة (RPA) مصممة لمحاكاة قوى الضغط على الأسنان، بينما استخدمت مجموعات التحكم أشكالًا مشابهة ولكنها اختلفت في المادة والتصميم. تم اختبار ما مجموعه 10 عينات لكل مجموعة، مع تعيين دورات الضغط عند 500 لتعكس الاستخدام السريري النموذجي، استنادًا إلى دراسات سابقة تقترح 600 دورة لمواد مماثلة.
شملت تحديد حجم العينة تحليل القوة مما يشير إلى الحاجة إلى 42 عينة على الأقل (14 لكل مجموعة) لتحقيق دلالة إحصائية عند قيمة p < 0.05. لأخذ احتمالية الانسحاب في الاعتبار، بدأت الدراسة بـ 20 عينة لكل مجموعة. تم تغيير أعماق الضغط بشكل منهجي عند 100، 300، 500، و700 ميكرومتر، مع مراعاة دقيقة للحدود البيولوجية لسماكة الرباط اللثوي. تم إجراء قياسات لسماكة العينات لضمان الاتساق، باستخدام مقياس رقمي. كانت المنهجية تهدف إلى توفير فهم شامل للسلوك الميكانيكي لهذه المواد تحت ظروف تحاكي التطبيقات السريرية.
النتائج
تشير النتائج إلى وجود اختلافات كبيرة في استجابات قوة الضغط بين عينات PETG وTC-85 تحت أعماق ضغط متغيرة. بالنسبة لعينات PETG، عند عمق ضغط 100 ميكرومتر، كانت قوة الضغط حوالي 16 نيوتن، وزادت إلى حوالي 90 نيوتن عند 500 ميكرومتر، وبلغت 130 نيوتن عند 700 ميكرومتر، مع قوى ثابتة قدرها 47 نيوتن، 80 نيوتن، و115 نيوتن لوحظت بعد دورات متكررة، على التوالي. في المقابل، أظهرت عينات TC-85 الفارغة قوى أعلى بكثير، بدءًا من حوالي 20 نيوتن عند 100 ميكرومتر وزادت إلى 485 نيوتن عند 700 ميكرومتر، مع قوى ثابتة قدرها 205 نيوتن، 310 نيوتن، و325 نيوتن بعد الدورات. أظهرت عينات TC-85 الكاملة قوة ضغط أولية قدرها 28 نيوتن عند 100 ميكرومتر، وبلغت ذروتها عند 625 نيوتن عند 700 ميكرومتر، مع قوى ثابتة قدرها 240 نيوتن، 390 نيوتن، و455 نيوتن بعد الدورات.
كشفت التحليلات الإضافية لقوى الضغط على مدى دورات متعددة أنه بينما ظلت قوى PETG مستقرة نسبيًا، شهدت عينات TC-85 تدهورًا ملحوظًا في القوة. على سبيل المثال، عند عمق ضغط 300 ميكرومتر، بدأت TC-85 الفارغة بأكثر من 300 نيوتن ولكن انخفضت إلى حوالي 200 نيوتن، بينما انخفضت عينات TC-85 الكاملة من أكثر من 300 نيوتن إلى أقل من 250 نيوتن. تؤكد هذه النتائج على الخصائص الميكانيكية المتنوعة للمواد المختبرة، حيث أظهرت عينات TC-85 قوى ضغط أعلى بكثير مقارنةً بـ PETG عبر جميع أعماق الضغط، مما يبرز إمكانياتها في السيناريوهات الحاملة للأحمال.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم الخصائص الميكانيكية لمادتين أسنانيتين، PETG وTC-85، المستخدمة في المثبتات الشفافة من خلال التحليل الإحصائي باستخدام اختبار كروسكال-واليس. أشارت النتائج إلى وجود فرق كبير في قوة الضغط بناءً على نوع المادة والسماكة، مما أدى إلى رفض الفرضية الصفرية التي تفترض عدم وجود اختلافات. بشكل ملحوظ، أظهرت TC-85 قوة ضغط وقدرة تحمل أفضل مقارنةً بـ PETG، خاصةً عند سماكة 300 ميكرومتر، مما يشير إلى ملاءمتها للتطبيقات السريرية، بما في ذلك تصميم الأجهزة المخصصة للأسنان الفردية.
سلطت النتائج الضوء على أن TC-85 يمكن أن تحافظ على خصائص ميكانيكية ثابتة تحت قوى ضغط متغيرة، مما يجعلها مفيدة للعلاجات التقويمية، خاصةً في حالات العض المفتوح الأمامي. كما أكدت الدراسة على إمكانيات تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنشاء مثبتات مخصصة تتناسب مع الأشكال الفريدة للأسنان، مما يسمح بتحسين حركة الأسنان دون الحاجة إلى ملحقات إضافية. ومع ذلك، فإن قيود الدراسة، بما في ذلك عدم وجود اختبارات داخل الجسم وأشكال العينات القياسية، تتطلب مزيدًا من البحث للتحقق من هذه النتائج في سيناريوهات سريرية حقيقية واستكشاف تأثيرات شكل الأسنان الفردية على نتائج العلاج.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-86687-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39833361
Publication Date: 2025-01-20
Author(s): Byeong Gu Bae et al.
Primary Topic: Orthodontics and Dentofacial Orthopedics
Overview
The study investigates the compressive strength of three-dimensional direct printing aligners (3DPA) compared to conventional thermo-forming aligners (TFA), motivated by the increasing demand for clear aligners due to their aesthetic advantages. The experimental setup involved creating rectangular pressure areas (RPA) using the TC-85 material for the 3DPA group, while control specimens were made from glycol-modified polyethylene terephthalate (PETG) and TC-85 without filling the protrusions. Compression tests were conducted across various depths, revealing that the TC-85 material exhibited significantly higher compressive strength than PETG, with the TC-85 full variant showing the most substantial strength.
The findings underscore the potential of 3DPA technology to customize aligner design by adjusting shape and thickness, thereby enhancing their biomechanical capabilities. Specifically, the ability to create targeted ridges allows for the application of selective forces necessary for effective tooth movement, which could reduce the need for additional attachments. Overall, the study highlights the clinical applicability of 3D-printed aligners, suggesting that they may offer superior performance in orthodontic treatments compared to traditional methods.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the growing demand for clear aligners in orthodontics, driven by patients’ aesthetic preferences. Clear aligners, unlike traditional fixed appliances, offer significant aesthetic benefits due to their transparent design and do not require brackets. However, their effectiveness relies on patient compliance and the practitioner’s biomechanical expertise. A critical aspect of successful treatment with clear aligners is the use of attachments to correct rotated and displaced teeth, though these attachments can detach easily, compromising aesthetics. The paper emphasizes the need for improved bonding techniques and innovative aligner designs to enhance tooth movement efficiency.
The study focuses on the mechanical properties of three-dimensional direct-printing aligners (3DPA) compared to traditional thermoforming aligners (TFA). Specifically, it investigates design features such as the rectangular pressure area (RPA) and customized pressure region (CPR) to determine their clinical significance in correcting malposed teeth. The research aims to experimentally assess the mechanical properties of the 3DPA material, TC-85, and TFA material, glycol-modified polyethylene terephthalate (PETG), under varying compression stresses. The null hypothesis posits that there is no difference in compressive force due to material and thickness variations. This study seeks to lay the groundwork for future advancements in the design of clear aligners, ultimately leading to more effective orthodontic treatments.
Methods
In this study, specimens were fabricated from PETG and a 3D direct-printing photocurable resin (TC-85) to investigate their mechanical properties under cyclic compression. The PETG specimens were thermoformed using a vacuum method, while the TC-85 specimens were directly printed with a 3D printer and post-cured under nitrogen. The experimental group featured rectangular protrusions (RPA) designed to simulate compressive forces on teeth, while control groups utilized similar shapes but varied in material and design. A total of 10 specimens per group were tested, with compression cycles set at 500 to reflect typical clinical usage, based on prior studies suggesting 600 cycles for similar materials.
Sample size determination involved a power analysis indicating a need for at least 42 samples (14 per group) to achieve statistical significance at a p-value of < 0.05. To account for potential drop-outs, the study began with 20 specimens per group. Compression depths were systematically varied at 100, 300, 500, and 700 µm, with careful consideration of the biological limits of periodontal ligament thickness. Measurements of specimen thickness were conducted to ensure consistency, utilizing a digital caliper. The methodology aimed to provide a comprehensive understanding of the mechanical behavior of these materials under conditions mimicking clinical applications.
Results
The results indicate significant differences in compressive force responses among the PETG and TC-85 specimens under varying compression depths. For PETG specimens, at a compression depth of 100 µm, the compressive force was approximately 16 N, increasing to about 90 N at 500 µm, and reaching 130 N at 700 µm, with consistent forces of 47 N, 80 N, and 115 N observed after repeated cycles, respectively. In contrast, the TC-85 blank specimens exhibited much higher forces, starting at approximately 20 N at 100 µm and escalating to 485 N at 700 µm, with consistent forces of 205 N, 310 N, and 325 N after cycling. The TC-85 full specimens showed an initial compressive force of 28 N at 100 µm, peaking at 625 N at 700 µm, with consistent forces of 240 N, 390 N, and 455 N after cycling.
Further analysis of compressive forces over multiple cycles revealed that while PETG forces remained relatively stable, TC-85 specimens experienced notable force decay. For instance, at a compression depth of 300 µm, the TC-85 blank started at over 300 N but decreased to approximately 200 N, while the TC-85 full specimens dropped from over 300 N to less than 250 N. These findings underscore the varying mechanical properties of the materials tested, with TC-85 specimens demonstrating significantly higher compressive forces compared to PETG across all compression depths, highlighting their potential applications in load-bearing scenarios.
Discussion
In this study, the mechanical properties of two dental materials, PETG and TC-85, used in clear aligners were evaluated through statistical analysis using the Kruskal-Wallis test. The findings indicated a significant difference in compressive force based on material type and thickness, leading to the rejection of the null hypothesis that no differences exist. Notably, TC-85 demonstrated superior compressive strength and endurance compared to PETG, particularly at a thickness of 300 µm, suggesting its suitability for clinical applications, including the design of devices tailored to individual teeth.
The results highlighted that TC-85 could maintain consistent mechanical properties under varying compressive forces, making it advantageous for orthodontic treatments, especially in cases of anterior open bites. The study also emphasized the potential of 3D printing technology to create customized aligners that accommodate the unique shapes of teeth, allowing for optimized tooth movement without the need for additional attachments. However, the study’s limitations, including the lack of in vivo testing and standardized specimen shapes, necessitate further research to validate these findings in real clinical scenarios and to explore the effects of individual tooth morphology on treatment outcomes.