Vergleich von Transluzenz, Dicke und Spaltbreite von thermogeformtem und 3D-Material

Jun 04, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 10921 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die vorliegende Studie verglich die Dicke und Spaltbreite von thermogeformten und 3D-gedruckten Clear Alignern (CAs) mittels Mikrocomputertomographie (Mikro-CT) und bewertete ihre Transluzenz mittels Spektrophotometer. Es wurden vier Gruppen von CAs getestet: thermogeformt mit Polyethylenterephthalat-Glykol (TS) oder einer Copolyester-Elastomer-Kombination (TM) und 3D-gedrucktes TC-85, gereinigt mit Alkohol (PA) oder mit Zentrifuge (PC). Zur Bewertung der Transluzenz wurden CIELab-Koordinaten gemessen (n = 10). CAs (n = 10) wurden an die jeweiligen Modelle angepasst und eine Mikro-CT wurde durchgeführt, um die Dicke und Spaltbreite zu bewerten. Dicke und Lückenbreite wurden für verschiedene Zahntypen und -positionen in sagittalen Schnitten auf allen Seiten gemessen. Die PC-Gruppe zeigte eine signifikant höhere Transluzenz als die PA-Gruppe, die den TS- und TM-Gruppen ähnelte (p < 0,01). Nach dem Herstellungsprozess wurde bei den thermogeformten Gruppen eine Verringerung der Dicke beobachtet, während bei den 3D-gedruckten Gruppen eine Dickenzunahme beobachtet wurde. Die TM-Gruppe wies die geringste Lückenbreite zwischen den Gruppen auf (p < 0,01). Thermogeformte und 3D-gedruckte CAs hatten je nach Zahntyp und -position deutlich unterschiedliche Dicken und Bereiche mit der besten Passform. Je nach Reinigungsmethode wurden Unterschiede in der Transluzenz und Dicke der 3D-gedruckten CAs beobachtet.

Durchsichtige Aligner (CAs) müssen eine kontinuierliche und kontrollierte Kraft auf die Zähne ausüben, um die gewünschte Zahnbewegung zu erreichen1. Sie werden aus einer Vielzahl thermoplastischer Materialien hergestellt, darunter Polyethylenterephthalatglycol (PETG), thermoplastisches Polyurethan (TPU), Polypropylen und Polycarbonat1,2. PETG ist aufgrund seiner höheren Transluzenz, Ermüdungsbeständigkeit und Dimensionsstabilität2 ein häufig bevorzugtes Material für CAs. TPU ist ein duktiles Elastomer mit hoher Elastizität und Formbarkeit, das eine gute Tragbarkeit und Stoßdämpfung bietet3,4. Darüber hinaus wurden mehrschichtige Hybridmaterialien eingeführt, um die Nachteile einschichtiger Materialien zu überwinden. Materialien mit einer Kombination aus harter Außenschale und weicher Innenschale zeigen eine verbesserte mechanische Festigkeit bei maximaler Belastung im Zugversuch und bei der Wasseraufnahmerate5.

Die klinische Leistung von CAs wurde durch die Entwicklung neuer Materialien mit guten mechanischen Eigenschaften verbessert. Allerdings ist der herkömmliche Herstellungsprozess, der das Vakuum-Thermoformen von thermoplastischen Materialien umfasst, sowohl zeit- als auch arbeitsintensiv für die Herstellung von Serienmodellen und das Zuschneiden der Aligner entlang des Zahnfleischrandes in jeder Phase6,7. Dieser Prozess hat auch negative Auswirkungen auf die Umwelt, wie z. B. Plastikmüll und Energieverbrauch8. Darüber hinaus kann der Thermoformprozess zu unvorhersehbaren Veränderungen der physikalischen Eigenschaften der CAs führen, was es schwierig macht, die Behandlungsergebnisse vorherzusagen6,7. Nach dem Thermoformungsprozess werden bei thermoplastischen Materialien unterschiedliche Schrumpfungs- und Ausdehnungsgrade beobachtet9, die sich auf die Dicke und den Sitz der Aligner auswirken können. Eine frühere Studie, die die Dicke und Spaltbreite von CAs nach dem Herstellungsprozess untersuchte, ergab Variationen dieser Parameter für alle thermoplastischen Materialien je nach Zahntyp und -position, wie z. B. Schneidezähne, Eckzähne und Backenzähne oder bukkale und palatinale Seiten10.

Die Dicke und Spaltbreite von CAs sind klinisch wichtige Faktoren für die Verbesserung der Vorhersagbarkeit ihrer Leistung11. Die Dicke von CAs kann die für die Zahnbewegung erforderlichen Kräfte und Momente beeinflussen11,12,13. Der enge Sitz zwischen Zahnoberflächen und CAs ist ein entscheidender Faktor für die wirksame Kraftübertragung auf die Zähne und spielt eine wirksame Rolle bei der Verankerung10,14. Da bei Patienten, die eine kieferorthopädische Behandlung anstreben, häufig ästhetische Merkmale, einschließlich Farbstabilität und Transluzenz, im Vordergrund stehen, wird die Transluzenz auch als wichtiger klinischer Faktor angesehen15,16.

Mit der Entwicklung dreidimensionaler (3D) Drucker und ihrer Materialien wurde begonnen, CAs in digitale Technologien zu integrieren. Fortschritte in der Technologie ermöglichen es Ärzten, intraorale Scans durchzuführen, die virtuelle Zahnbewegung einzurichten und CAs direkt mit einem 3D-Drucker zu erstellen, ohne Abdrücke zu nehmen oder Gipsmodelle zu verwenden17, wodurch die kumulativen Fehler aus den thermoplastischen Arbeitsabläufen minimiert werden6. Darüber hinaus ist der 3D-Druck mit einer kürzeren Herstellungszeit und einer hohen Effizienz bei der gleichzeitigen Herstellung einer Reihe von Alignern18, geringeren Kosten und Aufwand sowie weniger Abfallmaterial und Umweltverschmutzung verbunden17,19. Infolgedessen hat sich die Anwendung von CAs ausgeweitet und ihre Reproduzierbarkeit bei der Herstellung hat sich verbessert17.

Derzeit werden mehrere Forschungsmethoden zur Bewertung der Genauigkeit von CAs untersucht. Cole et al. fanden heraus, dass die Maßgenauigkeit von thermogeformten und 3D-gedruckten CAs, die mithilfe von Scan- und Überlagerungstechniken mit geometrischer Software an bestimmten Zahnmarkierungen bewertet wurden, zwischen 0,1 und 0,3 mm bzw. zwischen 0,1 und 0,4 mm lag20. Jindal et al. fanden außerdem heraus, dass die geometrische Genauigkeit von thermogeformten und 3D-gedruckten CAs, gemessen an der Zahnhöhe, zwischen 0–0,88 mm bzw. 0,02–0,86 mm lag6. Obwohl diese Ergebnisse als klinisch akzeptabel eingestuft wurden, weist die Maßgenauigkeit von CAs eine große Bandbreite auf. Darüber hinaus ist zum Scannen der stark reflektierenden oder transparenten Oberfläche der CAs mit der oben genannten Methode ein Sprühauftrag erforderlich, der die Genauigkeit beeinträchtigen kann21. Unterdessen ist der Vergleich der Maßhaltigkeit der an die Modelle angepassten Aligner mittels Mikro-Computertomographie (Mikro-CT) vorteilhaft, da die Technik nicht-invasiv und präzise ist10,22. Lombardo et al. versuchten, die Dicke und Spaltbreite von Alignern mittels Kegelstrahl-Computertomographie zu bewerten10. Ihre Studie beschränkte sich jedoch darauf, nur thermogeformte Materialien zu untersuchen und wiederholte Messungen an einer einzelnen Probe durchzuführen.

Darüber hinaus ist der Nachbearbeitungsschritt entscheidend für die Verbesserung der Druckgenauigkeit der 3D-gedruckten CAs23,24. 3D-gedruckte CAs erfordern unmittelbar nach dem Drucken eine Nachbearbeitung25, die typischerweise drei Schritte umfasst: Entfernen des Trägers, Reinigen und Nachhärten26. Je nach Material empfehlen die Hersteller unterschiedliche Reinigungsmethoden zur Entfernung unausgehärteter Harzrückstände von 3D-gedruckten CAs, die sich auch auf die Oberflächenrauheit und die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Aligner auswirken können23,24. Das am häufigsten verwendete Lösungsmittel zum Entfernen von überschüssigem ungehärtetem Kunstharz von Alignern ist Isopropylalkohol (IPA), das Ester effektiv auflöst27. Dennoch sollte IPA aufgrund seiner hohen Flüchtigkeit und Entflammbarkeit, die bei längerer Exposition zu Atemwegsproblemen führen kann, mit Vorsicht als Lösungsmittel verwendet werden28.

Kürzlich wurden Harzmaterialien für 3D-gedruckte CAs mit guten mechanischen, optischen und biokompatiblen Eigenschaften entwickelt29. Die Entwicklung von fotopolymerisierbarem Polyurethan (Tera Harz TC-85, Graphy Inc., Seoul, Korea) hat von der koreanischen und US-amerikanischen Food and Drug Administration die Genehmigung für Biokompatibilität erhalten30. TC-85 verfügt über viskose und flexible Eigenschaften, die kontinuierlich leichte Kräfte auf die Zähne ausüben können und ein Kriechverhalten zeigen31. Darüber hinaus verfügt es über Formgedächtniseigenschaften und Dimensionsstabilität bei hohen Temperaturen31. Der Hersteller von TC-85 empfiehlt als Alternative zu IPA32 eine nichtchemische Reinigungsmethode namens Zentrifugation. Der Einfluss unterschiedlicher Reinigungsmethoden auf die Transluzenz, Dicke und Spaltbreite bei der Nachbearbeitung der 3D-gedruckten TC-85-CAs wurde jedoch noch nicht getestet.

Daher bewertete die vorliegende Studie die Nullhypothese, dass unterschiedliche Herstellungsprotokolle keine signifikanten Auswirkungen auf die Transluzenz, Dicke und Spaltbreite von CAs haben. Das spezifische Ziel dieser Studie bestand darin, die Mikrovariationen der Dicke und Lückenbreite zwischen verschiedenen Zahntypen und -positionen zu bewerten.

Die Transluzenzwerte waren in den TS-, TM- und PC-Gruppen signifikant höher als in der PA-Gruppe (p < 0,01) (Tabelle 1).

Es gab signifikante Unterschiede in der Dicke und Spaltbreite zwischen den vier Gruppen (p < 0,01). Die mittleren Dicken der TS-, TM-, PA- und PC-Gruppen betrugen 504,68 μm, 509,54 μm, 614,24 μm bzw. 687,53 μm. Die mittleren Spaltbreiten der TS-, TM-, PA- und PC-Gruppen betrugen 69,80 μm, 52,35 μm, 69,80 μm bzw. 69,80 μm. Die mittlere Dicke war in der PC-Gruppe im Vergleich zu den anderen Gruppen signifikant höher (p < 0,01). Die mittlere Lückenbreite war in den PA- und PC-Gruppen signifikant höher als in der TM-Gruppe (p < 0,01) (Tabelle 2).

In den TS-, PA- und PC-Gruppen war die mittlere Dicke der Frontzähne größer als die der Seitenzähne (TS: p < 0,05; PA und PC: p < 0,01).

Gruppenvariationen in der mittleren Dicke wurden wie folgt beobachtet: TS: bukkogingival < bukkal < palatogingival < palatinal < inzisal oder okklusal; TM: bukkogingival < bukkal < palatogingival < palatinal, inzisal oder okklusal; und PA, PC: bukkal, palatogingival, bukkogingival < palatinal < inzisal oder okklusal. Die Dickenschwankungen sind in Tabelle 3 und Abb. 1A,C näher erläutert.

Mittlere (IQR) Dicke und Lückenbreite für vier transparente Aligner je nach Zahntyp und -position. (A) und (C), mittlere Dicke nach Zahntyp und -position; (B) und (D), mittlere Lückenbreite nach Zahntyp und -position. Ausreißerwerte (1,5 × IQR) werden durch geschlossene Kreise dargestellt. Pg: palatogingival; Pa: palatinal; In/Oc: inzisal oder okklusal; Bu: bukkal; Bg: bukkogingival.

In der TM-Gruppe war die mittlere Lückenweite bei den Frontzähnen größer als bei den Seitenzähnen (p < 0,05), während die mittlere Lückenweite bei den Vorder- und Seitenzähnen in den anderen Gruppen ähnlich war.

Gruppenvariationen in der mittleren Spaltbreite wurden wie folgt beobachtet: TS: bukkal, bukkogingival < palatinal, palatogingival, inzisal oder okklusal; TM: bukkal, bukkogingival < palatinal, inzisal oder okklusal, palatogingival; PA: palatinal < bukkal, inzisal oder okklusal < palatogingival, bukkogingival; und PC: bukkal, inzisal oder okklusal < palatinal, bukkogingival, palatogingival. Die Variationen der Spaltbreite werden in Tabelle 4 und Abb. 1B,D näher erläutert. Die vier Clear-Aligner-Gruppen zeigten Unterschiede in der 3D-Verteilung der Lücke entlang des mittleren Schneidezahns (Abb. 2).

Repräsentative Bilder der dreidimensionalen Verteilung der Lücke entlang des mittleren Schneidezahns mit verschiedenen Gruppen transparenter Aligner. Die Farbskala stellt die Größe des Spalts von 0 bis 200 µm dar (gelb bis rot). Der leere (leere) Bereich innerhalb der Zahnkontur stellt Bereiche mit vernachlässigbarer Lücke dar.

Transparenz ist die physikalische Eigenschaft, die Licht durch ein Material dringen lässt. Dies ist ein wichtiger Faktor für die Ästhetik der CAs und das Hauptanliegen von Personen, die eine kieferorthopädische Behandlung anstreben15,16. Die Dicke und Spaltbreite von CAs sind ebenfalls wichtige Faktoren, die den größten Einfluss auf die kieferorthopädische Behandlung haben können10,12,14. Die Dicke der CAs kann vom Kieferorthopäden als prädiktiver Faktor zur Steuerung der physiologischen Kräfte und Momente verwendet werden, die während der Behandlung auf die Zähne wirken33. Während einer kieferorthopädischen Behandlung ermöglichen die auf die Zähne ausgeübten physiologischen Kräfte einen resorptiven Umbau und eine kontrollierte Zahnbewegung34,35. Eine Überlastung der Zähne mit übermäßigen Kräften kann jedoch zu Nebenwirkungen wie Zelltod, Gewebehyalinisierung des parodontalen Bandes, Alveolarknochennekrose und äußerer Wurzelresorption führen36. Die Innenfläche des Aligners muss so nah wie möglich an den Zähnen sein, um eine klinisch wirksame Kraft bereitzustellen10. Darüber hinaus kann ein schlechter Sitz dazu führen, dass sich die Aligner während des Drehmomentvorgangs der Wurzelbewegungen anheben, was es schwierig macht, eine wirksame Kraftkopplung herzustellen37.

Darüber hinaus ist die Nachbearbeitung ein entscheidender Schritt, da sie die Druckgenauigkeit und die mechanischen Eigenschaften der gedruckten Objekte beeinflussen kann23,24. Es liegen jedoch nicht genügend evidenzbasierte Daten vor, um die Veränderungen der Transluzenz, Dicke und Spaltbreite von TC-85 3D-gedruckten CAs je nach verschiedenen Reinigungsmethoden zu bewerten. Daher wurden in dieser Studie IPA und Zentrifugation als zwei chemische und nichtchemische Reinigungsmethoden zur Bewertung der Ergebnisse der 3D-gedruckten Proben verwendet.

Thermogeformte CAs aus thermoplastischen Materialien können direkt auf den Zähnen getragen werden. Allerdings erforderten 3D-gedruckte CAs, die mit dem TC-85-Material entwickelt wurden, ein klinisch anderes Trageprotokoll, wie vom Hersteller aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften empfohlen, das in dieser Studie angewendet wurde. Basierend auf der geometrischen Stabilität bei hohen Temperaturen und der Formgedächtniseigenschaft von TC-85 wurden 3D-gedruckte CAs in 80 °C warmes Wasser getaucht, was höher als die Glasübergangstemperatur ist31. Dieses Eintauchen wurde durchgeführt, um die Flexibilität der Aligner zu erhöhen, bevor sie auf den Modellen platziert wurden31. Anschließend erlangte die Probe nach und nach ihre ursprüngliche Form und Passform zurück, wenn sie bei einer Temperatur von 37 °C gehalten wurde, was darauf hinweist, dass die Verformung reversibel war31. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Erweichen der Aligner durch warmes Wasser den Modellen ein angenehmes Tragegefühl verschaffte. Anschließend wurden die Proben bei einer Temperatur von 37 °C getrocknet, um ihre ursprüngliche Form und Festigkeit wiederherzustellen.

Es gab Unterschiede in der Transluzenz zwischen den CAs, die nach unterschiedlichen Herstellungsprotokollen hergestellt wurden. Die PC-Gruppe zeigte eine signifikant höhere Transluzenz, ähnlich der der TS- und TM-Gruppen. Andererseits zeigte die PA-Gruppe eine Abnahme der Transluzenz. IPA ist das am häufigsten verwendete Lösungsmittel zum Auflösen von überschüssigem ungehärtetem Harz27. Frühere Studien deuten jedoch darauf hin, dass IPA aufgrund der geringen Kompatibilität mit Polymeren auf Acrylatbasis dazu neigt, das Polymer aufzuquellen statt aufzulösen38,39. Wenn außerdem IPA von der gequollenen Polymeroberfläche verdunstet, können sich die Polymerketten neu organisieren, was zu Veränderungen in der Löslichkeit der Oberfläche und zu Oberflächenrissen der 3D-gedruckten Objekte führt39. Daher könnte gefolgert werden, dass die IPA-Reinigung einen negativen Einfluss auf die Oberflächeneigenschaften der 3D-gedruckten TC-85-CAs hat.

Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse unserer Studie, dass die Dicke der thermogeformten CAs nach dem Herstellungsprozess abnahm, während die Dicke der 3D-gedruckten CAs im Vergleich zu ihrer ursprünglichen Dicke zunahm. Während in der PC-Gruppe im Vergleich zur PA-Gruppe eine Zunahme der Gesamtdicke beobachtet wurde, gab es nach dem Thermoformprozess bei den TS- und TM-Gruppen keinen signifikanten Unterschied in der Dicke. In früheren Studien wurde gezeigt, dass thermoplastische Materialien während des Thermoformprozesses an Dicke verlieren, während 3D-gedruckte Aligner eine Dickenzunahme erfahren13,31. Lee et al. berichteten über eine Verringerung der Dicke von PETG-Proben, die auf einem standardisierten Oberkiefer-Schneidezahnmodell thermogeformt wurden, um 54,7 %31. Edelmann et al. fanden heraus, dass die Dicke der 3D-gedruckten CAs nach dem Drucken um etwa 0,2 mm zunimmt21.

Bei den CAs, die nach unterschiedlichen Herstellungsprotokollen hergestellt wurden, wurden für jeden Zahntyp erhebliche Unterschiede in der Dicke beobachtet. Die TS-Gruppe wurde unter Hitze und Druck an den Frontzähnen weniger gedehnt als an den Seitenzähnen. Die PA- und PC-Gruppen zeigten im Vergleich zu den Seitenzähnen eine dickere Ausscheidung an den Frontzähnen. Der Grund für die Verdickung der Frontzähne in den 3D-gedruckten Gruppen ist folgender: Die Frontzähne sind strukturell verjüngt und haben längere Kronen. Vor dem letzten Nachpolymerisationsschritt6 ist es schwierig, auf der Innenfläche verbleibendes ungehärtetes Harz zu entfernen, was zu einer Zunahme der Dicke führen kann. Bei der Beobachtung der Dickenschwankungen je nach Zahnposition waren die TS- und TM-Gruppen im bukkalen und bukkogingivalen Bereich dünner. Thermoplastische Materialien zeigten eine stärkere Dickenreduzierung in der konvexen Bukkalfläche und in entfernten Zahnfleischbereichen, wenn sie sich um die Okklusalfläche des Modells wickelten und sich von dieser aus erstreckten. Darüber hinaus war die mittlere Dicke der inzisalen/okklusalen Bereiche in den PA- und PC-Gruppen deutlich größer als an anderen Stellen. Dies schien ein Druckfehler zu sein, der auf die komplexe Krümmung der Zahnoberfläche an der Inzisalkante, der okklusalen Höckerspitze und der okklusalen zentralen Vertiefung zurückzuführen war. Dieser Druckfehler kann im gekrümmten Konturbereich beim Dickenschichten auftreten, der von der Schichtdicke, dem Krümmungsradius und der Neigung beeinflusst wird40.

In der vorliegenden Studie wies die TM-Gruppe die geringste Lücke zwischen den Gruppen auf. Das mehrschichtige Hybridmaterial bestand aus Copolyestern und einem flexiblen Elastomerkern, der eine bessere mechanische Festigkeit bei höherer Maximalbelastung im Zugversuch aufweist als ein einschichtiges Material5. Daher ist ein mehrschichtiges Material möglicherweise bei Erwärmung und Druck dehnbarer, was zu einer besseren Passform führt. Abhängig von der Zahnposition wurden auch unterschiedliche Muster der Lückenbreite zwischen thermogeformten und 3D-gedruckten CAs beobachtet. In den thermogeformten Gruppen wies die Inzisal-/Okklusalfläche die größte Dicke mit geringerer Variation auf, wies jedoch die größte Spaltbreite auf. In den 3D-gedruckten Gruppen wies die bukkale Seite die geringste Dicke und Variation mit einer kleinen Spaltbreite auf, wohingegen die Inzisal-/Okklusalfläche die größte Variation in der Dicke aufwies, was zum dicksten Aligner, aber mit der kleinsten Spaltbreite führte. Allerdings wiesen die Zahnfleischbereiche auf beiden Seiten geringere Dickenschwankungen auf und zeigten die größte Spaltbreite in den 3D-gedruckten CAs. Dieses Phänomen entsteht durch die Anhäufung von Polymerisationsschrumpfung während des Druckvorgangs, die die Ungeeignetheit der Zahnfleischränder verstärkt41.

Basierend auf früheren Studien wurden in dieser Studie verschiedene Parameteroptimierungen durchgeführt, um die Genauigkeit des 3D-Drucks zu verbessern. Zunächst wurde der Nachhärtungsprozess für 3D-gedruckte CAs unter Stickstoffbedingungen durchgeführt, die die Bildung einer Sauerstoffinhibitionsschicht verhinderten und die Polymerisation der Oberfläche der Probe ermöglichten42,43. Das Einspritzen von inertem Stickstoffgas zum Ausschluss von Sauerstoff kann auch dazu beitragen, gute mechanische Eigenschaften und eine Oberflächenglätte der 3D-gedruckten CAs43 zu erreichen. Zweitens sind der Bauwinkel und die Schichtdicke besonders wichtige Einstellungen für die Genauigkeit des 3D-Drucks. Infolgedessen wurden die 3D-gedruckten CAs in einem Bauwinkel von 30° entworfen und mit einem DLP-3D-Drucker (Digital Light Processing) mit einer Auflösung von 50 µm gedruckt, basierend auf früheren Studien44,45. Drittens wurde ein Versatz von 50 µm auf die Innenfläche der 3D-gedruckten CAs aufgebracht, um die Dickenänderung auszugleichen und die Anpassungsfähigkeit zu verbessern46. Eine frühere Studie, in der die Passform einer gedruckten Schiene untersucht wurde, zeigte, dass Schienen mit einem Versatz von 0,05, 0,1 und 0,2 mm besser zu den Zähnen passen als solche ohne Versatz46. Darüber hinaus wird die Maßgenauigkeit 3D-gedruckter Aligner durch Faktoren wie Lichtintensität, Belichtungszeit und die Eigenschaften von Druckmaterialien wie lichtblockierende Pigmentkonzentration und Lichtdurchdringung beeinflusst44,47,48. Daher ist es wichtig, die Druckparameter zu kalibrieren, um die Druckgenauigkeit zu verbessern und Abweichungen bei jeder Ausgabe zu minimieren49.

Obwohl die vorliegende Studie eine objektive Bewertung der Unterschiede zwischen vier CA-Gruppen darstellte, sollten die Ergebnisse innerhalb der Grenzen interpretiert werden. Obwohl es theoretisch möglich ist, die Dicke von 3D-gedruckten CAs zum Vergleich mit thermogeformten Alignern festzulegen, sehen die Empfehlungen für wirksame 3D-gedruckte TC-85-Aligner eine Untergrenze von 0,5 mm vor. Daher basierten die Stichprobenauswahlkriterien auf klinisch empfohlenen Präferenzen. Unter Berücksichtigung des oben Gesagten haben wir eine Dicke von 0,75 mm (unter Berücksichtigung der Dickenreduzierung) für die thermoplastischen Materialien und eine Dicke von 0,5 mm für unsere 3D-gedruckten CAs gewählt, was der optimalen Dicke entspricht, die derzeit in der klinischen Praxis angewendet wird. Obwohl beim Anbringen der 3D-gedruckten CAs an den Modellen das vom Hersteller empfohlene Trageprotokoll befolgt wurde, gab es experimentelle Einschränkungen bei der Schaffung einer oralen Umgebung bei 37 °C Temperatur und hoher relativer Luftfeuchtigkeit während des Mikro-CT-Scannens, die sich möglicherweise darauf ausgewirkt haben die Passform. In der vorliegenden Studie wurden nur CAs im passiven Zustand mit einem normalen Okklusionsmodell verwendet, um objektive Bewertungsdaten zu 3D-gedruckten CAs zu erhalten, da keine Informationen darüber vorliegen, wie 3D-gedruckte CAs je nach Zahntyp und -position hergestellt und gedruckt werden. In Zukunft wird es wichtig sein, Unterschiede in der Dicke und Spaltbreite zu beobachten, wenn CAs bei verschiedenen Graden der Malokklusion aktiviert werden, und zu bewerten, wie sich Attachments auf die Dicke und Spaltbreite der Aligner auswirken. Darüber hinaus ist eine zusätzliche Bewertung erforderlich, um festzustellen, wie sich die in dieser Studie beobachtete Dicke und Lückenbreite auf die klinische Leistung bei der Erzielung der gewünschten Zahnbewegung auswirkt.

Unsere Nullhypothese, dass es keinen Unterschied in der Transluzenz, Dicke und Spaltbreite zwischen Gruppen gibt, die nach unterschiedlichen Herstellungsprotokollen hergestellt wurden, wurde in dieser Studie verworfen. Nach dem Herstellungsprozess zeigten die thermogeformten CAs eine Verringerung der Dicke, während die 3D-gedruckten CAs eine Zunahme der Dicke zeigten. Die PA-Gruppe zeigte die geringste Transluzenz und die TM-Gruppe hatte die beste Übereinstimmung unter den Gruppen. Die Dicke und die Bereiche mit der besten Passform der thermogeformten und 3D-gedruckten CAs variierten je nach Zahntyp und -position erheblich. Darüber hinaus wirkten sich die bei der Nachbearbeitung 3D-gedruckter CAs verwendeten Reinigungsmethoden auf deren Transluzenz und Dicke aus.

Ein standardisiertes Modell des oberen Zahnbogens bei koreanischen Erwachsenen mit normaler Okklusion (CON2001-UL-SP-FEM-32, Nissin Dental, Kyoto, Japan) wurde verwendet und mit einem Intraoralscanner (D250, 3shape, Kopenhagen, Dänemark) gescannt Erstellen Sie eine STL-Datei. Anschließend wurde ein standardisiertes Modell von 60 mm × 50 mm × 20 mm mit einem DLP-3D-Drucker (Asiga MAX™, Asiga, Alexandria, Australien) gedruckt (S-100, Graphy Inc., Seoul, Korea).

Für jede Gruppe wurden zehn CA-Proben vorbereitet. Thermogeformte CAs wurden in eine einschichtige Gruppe (TS-Gruppe) mit einer PETG-Folie (Duran, Scheu-Dental, Iserlohn, Deutschland) und eine mehrschichtige Gruppe (TM-Gruppe) mit Copolyester in beiden Außenhüllen und thermoplastischem Elastomer in der Schale unterteilt Innenmantelblech (CA pro, Scheu-Dental, Iserlohn, Deutschland). Je nach Reinigungsmethode wurden 3D-gedruckte CAs mit fotopolymerisierbarem Polyurethanharz (TC-85) in zwei Gruppen eingeteilt: eine PA-Gruppe mit Isopropylalkohol-Reinigung und eine PC-Gruppe mit Zentrifugenreinigung.

Ein 0,75 mm dickes thermoplastisches Material wurde auf einem standardisierten Modell mit einer Thermoformgießmaschine (Biostar, Scheu-Dental, Iserlohn, Deutschland) unter den vom Hersteller empfohlenen thermischen Verformungsbedingungen vakuumthermogeformt. Die Dicke der CAs kann durch verschiedene Bedingungen beeinflusst werden, wie z. B. Modellvorbereitung, Druck, Hitze und Positionierung des Modells auf der Plattform. Daher ist es wichtig, diese Bedingungen während der Herstellung so weit wie möglich zu kontrollieren22,50. Durch Einstellen einer konstanten Höhe des Modells von den Zähnen wurde eine einheitliche Basis geschaffen und das Modell in der Mitte der Plattform platziert, sodass die Naht in der Mitte des Gaumens auf die 12-Uhr-Position ausgerichtet war. Die Ausrichtung des Modells wurde anhand der Markierungen für jeden Thermoformvorgang konstant gehalten. Als letzten Schritt wurden die CAs vom Modell getrennt und der Gingivarand des Aligners geschnitten und poliert.

3D-gedruckte CAs wurden mit computergestützter Designsoftware (Deltaface, Coruo, Limoges, Frankreich) mit einer Aufbaudicke von 0,5 mm, einem Versatz von 50 μm und einer Positionierung von 30° als Druckwinkel mit minimalen Strebenstützen entworfen. Es wurde ein DLP 3D-Drucker (SprintRay Pro 95, SprintRay, Los Angeles, CA) mit einer Schichtdicke von 50 μm verwendet. Es wurden zwei verschiedene Reinigungsmethoden angewendet, um nicht ausgehärtetes Kunstharz von den Aligneroberflächen zu entfernen. CAs wurden entweder 1 Minute lang mit 99,5 % IPA oder 6 Minuten lang und 500 U/min unter Verwendung einer Zentrifuge gereinigt. Die Proben wurden dann zweimal 25 Minuten lang unter Stickstoffbedingungen mit ultraviolettem Licht (385–405 nm) unter Verwendung einer Nachhärtungskammer (CureM U102H, Graphy Inc., Seoul, Korea) ausgehärtet. Die Endreinigung erfolgte mit fließendem Wasser und einem Ultraschallreiniger für 3 Minuten bei 76–80 °C. Das in Abb. 3 dargestellte Diagramm zeigt den Versuchsaufbau.

Flussdiagramm des experimentellen Designs.

Die thermogeformten CAs wurden sofort bei Raumtemperatur auf das standardisierte Modell montiert, während die 3D-gedruckten CAs nach sanfter Transformation in 80 °C warmem Wasser gemäß dem klinischen Protokoll des Herstellers eingesetzt wurden. Anschließend wurden die 3D-gedruckten Proben bei 37 °C getrocknet, um ihre ursprüngliche Form und Festigkeit wiederherzustellen. Alle Aligner (n = 10) wurden mit einem hochauflösenden Mikro-CT (Skyscan1173, Bruker, MA, USA) bei 40 kV, 200 μA und einer Auflösung von 34,9 μm gescannt. Insgesamt wurden 40 Mikro-CTs angefertigt und die Zielbereiche des Gebisses (Frontzähne: der rechte obere mittlere Schneidezahn, Eckzahn; hintere Zähne: der rechte obere erste Prämolar und Molar) wurden mithilfe der Dataviewer-Software (Version 1.5) neu ausgerichtet. 6.2, Bruker, MA, USA). Die Schnitte wurden mithilfe einer horizontalen Ebene von der Modellbasis und senkrecht zur Mitte der Linie, die die mesialsten und distalsten Kontaktpunkte des Zahns verbindet, erstellt und durch Anwenden des interessierenden Volumens (VOI) gespeichert. Die Bilder wurden mit der CTAn-Software (Version 2.5, Bruker, MA, USA) bei 300-facher Vergrößerung analysiert (Abb. 4). Anschließend wurden der kürzeste Abstand der Dicke und die Spaltbreite gemessen, indem eine senkrechte Linie von jedem Referenzpunkt tangential projiziert wurde. Diese 5–7 Referenzpunkte basierten auf einer Pilotstudie und umfassten Zahnfleischränder, bukkale und palatinale Mittelpunkte sowie Inzisal-/Okklusalpunkte (Inzisalkante, okklusale Höckerspitzen und Zentralgrube) (Abb. 5)51. Die Okklusionsfläche der Molaren umfasst sowohl die Höckerspitzen als auch die zentralen Grübchenstrukturen, wird jedoch klinisch als eine einzige Ebene betrachtet. Anstatt ihre Messwerte einzeln zu trennen und zu analysieren (\({{Oc}_{1},{Oc}_{2},Oc}_{3}\)), haben wir sie daher anhand von Mittelwerten interpretiert. Insgesamt wurden 960 Punkte auf Zahnoberflächen in die Messungen einbezogen, die von einem Forscher zweimal im Abstand von zwei Wochen wiederholt wurden.

Die Methode zur Messung von Dicke und Spaltbreite mittels Mikro-CT. (A) Ein transparenter Aligner wurde auf einem standardisierten Modell platziert; (B) und (C) Die Schnittebeneneinstellung des Zielzahns, die aus der Mikro-CT-Bildgebung und der Anwendung von VOI erhalten wurde, wurde mit der Dataviewer-Software durchgeführt; und (D) die Dicke und Lückenbreite des Zahns wurden mit der CTAn-Software gemessen.

Mikrofotografien, die die Dicke und Spaltbreite zwischen Alignern und Zähnen an Referenzpunkten (Zahnposition) zeigen. (A) Frontzähne (z. B. der mittlere Schneidezahn); (B) Seitenzähne (z. B. der erste Prämolar). Gelbe Pfeile zeigen die Bezugspunkte der Zähne; Pg, palatogingival; Pa, palatinal; In/Oc, inzisal oder okklusal; Bu, bukkal; Bg, bukkogingival.

Transluzenz ist der Farbunterschied eines Materials mit gleichmäßiger Dicke auf weißem und schwarzem Hintergrund52. Ein Spektrophotometer (CM-3500d, Konica Minolta, Tokio, Japan) wurde verwendet, um die CIELab-Koordinaten der auf weißen und schwarzen Hintergründen platzierten Proben zu berechnen. Die Fenstergröße des Spektrophotometers betrug 3 mm und es wurden 10 Proben mit einem Durchmesser von 3 mm aus 0,75 mm dicken thermogeformten und 0,5 mm dicken 3D-gedruckten Proben hergestellt. Die folgende Gl. (1) wurde zur Bestimmung der Transluzenz verwendet:

Der Transluzenzparameter reichte von 0 (vollständige Opazität) bis 100 (vollständige Transparenz)53.

Mithilfe der 3D-Slicer-Software (Version 5.0.3, http://www.slicer.org) wurden die Mikro-CT-DICOM-Dateien (Digital Imaging and Communications in Medicine) der mittleren Schneidezähne analysiert. Um 3D-Informationen über die Lücke zwischen Zahn und Alignern zu erhalten, wurde eine manuelle Segmentierung durchgeführt. Die manuell segmentierten Interessenbereiche wurden 3D-gerendert und als STL-Dateien exportiert. Die STL-Dateien, die die Lückenbreite zwischen Zahn und Alignern darstellen, wurden mit der Geomagic Control X-Software (Version 2018.0.1, 3D Systems, SC, USA) morphometrisch verglichen.

Zur statistischen Analyse der Daten wurde die Software SPSS (Version 25.0, IBM, NY, USA) verwendet. Der Shapiro-Wilk-Test auf Normalität wurde angewendet und die Normalität der Verteilung wurde verworfen. Ein nichtparametrischer Mann-Whitney-U-Test und ein Kruskal-Wallis-Test wurden durchgeführt, um die mittlere Transluzenz, Dicke und Lückenbreite der Aligner je nach Zahntyp und -position zu vergleichen, gefolgt von einem Mann-Whitney-Test mit Bonferroni-Korrektur für mehrere Vergleiche. Der p-Wert für die statistische Signifikanz (konventionelles Niveau von 0,05) wurde durch die Anzahl der durchgeführten statistischen Tests dividiert.

Alle diese Arbeit unterstützenden Daten werden auf begründete Anfrage vom entsprechenden Autor zur Verfügung gestellt.

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Die Studie wurde durch ein Fakultätsforschungsstipendium des Yonsei University College of Dentistry für 6-2022-0009 unterstützt.

Abteilung für Kieferorthopädie, College of Dentistry, Yonsei University, Seoul, Südkorea

Also Yeon Park

Abteilung für Kieferorthopädie, Institut für kraniofaziale Deformität, Hochschule für Zahnmedizin, Institut für Innovation im digitalen Gesundheitswesen, Yonsei-Universität, 50-1 Yonsei-ro, Seodaemun-gu, Seoul, 03722, Südkorea

Sung-Hwan Choi, Hyung-Seog Yu und Jung-Yul Cha

Abteilung für Kieferorthopädie, Kyung Hee University School of Dentistry, Seoul, Südkorea

Su-Jung Kim

Labor für Adhäsion und Bioverbundstoffe, Forstwirtschaft und Bioressourcen, Seoul National University, Seoul, Südkorea

Hoon Kim

Abteilung für Kieferorthopädie, Saint Louis University, Saint Louis, MO, USA

Ki Beom Kim

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SYP und JYC konzipierten die Experimente und analysierten die Daten. SYP führte alle Experimente durch und schrieb das Manuskript. SHC, HSY, SJK, HK, KBK und JYC leisteten Unterstützung beim Manuskriptschreiben und überarbeiteten das Manuskript kritisch hinsichtlich wichtiger intellektueller Inhalte. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript überprüft und genehmigt.

Korrespondenz mit Jung-Yul Cha.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Park, SY, Choi, SH., Yu, HS. et al. Vergleich von Transluzenz, Dicke und Spaltbreite von thermogeformten und 3D-gedruckten transparenten Alignern mittels Mikro-CT und Spektrophotometer. Sci Rep 13, 10921 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36851-5

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Eingegangen: 25. Januar 2023

Angenommen: 11. Juni 2023

Veröffentlicht: 05. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36851-5

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