博士（歯学）小林雅博 学位論文題名
歯科矯正用繊維強化プラスチックワイヤーの材料設計 学位論文内容の要旨
緒論
筆者ら は，生体組織 と親和性を示す
CaO‑P205‑Si02‑Al203系
(CPSA)ガラス 繊維とポリメチルメタクリレート(PMMA) を複合して，外観が白色半透明性で審美 性に優れた歯科矯正用繊維強化プラスチックワイヤー(FRP ワイヤー）を開発した．
この
FRPワイヤーはガラス繊維の体積含有率を変化させると矯正カの調節が可能 であり，その矯正カはニッケルチタン合金製ワイヤーに近似しているので，歯科矯 正治療に応用できる素材であることを示唆してきた．しかし，このFRP ワイヤーが 歯に与えるカ（矯正力）に関する評価と材料設計について，一連の詳細な検討は 行なわれていなぃ．
本論文は，FRP ワイヤーについてワイヤーの直径，ガラス繊維の直径，ガラス繊 維の体 積含有率など の材料設計条 件がワイヤーの示す固有の矯正力（
1 mmた わみ）の荷重に及ばす影響について詳細に検討した．これより臨床応用で必要と される所定の矯正カを示す
FRPワイヤーの成形の指針として，ワイヤーを材料設 計するための基本的な計算式を求めることを目的とした．
材料および方法
FRP
ワ イヤーは，シ ランカップリ ング処理した
CPSAガラス繊維束に
PMMA― アセトン溶液を含浸させて自然乾燥させ，ガラス製ダイスに通して約270 ℃に加熱 して引抜き成形した．
FRP
ワイ ヤーの人工 唾液への浸漬試 験は
FRPワイヤー（ 長さ
30 mm)lgと人 工唾液（北大・歯・付属病院処方に準拠）100ml をポリエチレン容器に加えて密閉 し，37 ℃の恒温振とう槽中で所定の日数を保持した．
FRP
ワイ ヤーの
3点曲げ 試験は材料試 験機を用いて （支点間距離
14 mm)荷 重一たわみ曲線を求めた．荷重一たわみ曲線より，矯正力（1 mm たわみ荷重）お よ び 曲 げ 弾 性 率 を 求 め た ． 曲 げ 弾 性 率 は （
1） 式 を 用 い て 算 出 し た ．
4L3尸
E
＝為7 i （1 ）
ただし，
E:曲げ弾性率
(Pa)，
D:試験片直径
(m)，己：支点間距離
(m)，P: 矯
正力(N) ，ゐ：
Immたわみ(m) である．
結果およぴ考察
1
．
FRPワイヤーの直径（励を大と変化させると，ワイヤーが示す固有の矯正力
（ 円は 大とな った ．ま た， ワイヤ ーの 曲げ 弾性 率（D は ガラス 繊維 の体積含有率
（ 珊 が 一 定 で あ れ ば ，ワ イ ヤ ー の
Dが 異 な っ て も いず れも ほば 同等 であっ た．
2
．
FRPワイ ヤー を構成 する ガラ ス繊維の直径が異なってもワイヤーのP は，ほ ば 同等 であっ た． また ，ワ イヤー のE はVf が一 定で あれ ば，ガ ラス 繊維直径が異 なってもいずれもほぼ一定であった．
3
．
FRPワイ ヤー を構成 する ガラ ス繊維の竹を大と変化させると，ワイヤーの
Pは 大となった．また，ワイヤーのE はガラス繊維の班が大となると直線的に増大し た ．こ の結果 より
FRPワイ ヤー のE(Pa) とVf ％）との関係を求めると，次の式とな った．
E=(0.68
竹十
3.14) xi09．・．・ (2)
4
．
FRPワ イ ヤ ー を人工 唾液 に30 日間 浸漬し ても ワイ ヤー の
Pの低 下はわ ずか で あった．しかし，ワイヤーのE はガラス繊維の班が増加するにっれて低下した・
FRP
ワイヤーの人工唾液浸漬によるE の変化率（´：％）と竹（％）の関係を求める と，次の式が得られた．
´
‑0.0015竹2 −0.02 協十100 ・・．．．
(3）
5． FRP ワイヤーの材料設計
以 上 の 結 果 よ り ，
FRPワ イ ヤ ー のP に 及 ば す 因 子 は ワ イ ヤ ー のD, ガ ラ ス 繊 維 の 班およびワイヤーのメであることが確認されたため，これらを考慮してFRP ワイ ヤ ーの 材料設 計に 関す る計 算式の 導出を試みた．（1 ）式にj を含む項を乗じると
(4)式となる．
4L
ヨ 尸 i
E
＝器
r冫くi 冫く而…．
（4 ）
そこ で，FRP ワイ ヤーの コン トロ ールの
Pを求 めるに は(4) 式 に， カ＝0.001m と 己＝ 0.014m を代入して変形すると，P= 8.6 口ヱアメとなる．さらにこの式のE に
(2)式 及 び コ ン ト ロ ー ル と し て の
i= 100（ ％ ） を 代 入 す る と
(5)式 と な る ．
尸＝ 8.6Xiou ．D4 （
O．68 玖十
3．14 ）・．・ （
5）
ま た ，
FRPワ イ ヤ ーを人 工唾 液に 浸漬 した後 のP を求 める 式に つい ても同 様に
（4 ）式に（3 ）式を代入して求めたが，これより算出した尸は（5 ）式から算出したP と ほぼ同等であった．
これ より， 所定 の矯 正カ を示す
FRPワイヤーの材料設計には，（5 ）式が適用で
きることを明らかにした．
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学位論文審査の要旨
学 位 論 文 題 名
歯科矯正用繊維強化プラスチックワイヤーの材料設計
審 査 は 主 査 ， 副 査 全 員 が 一 同 に 会 し ， ま ず 申 請 者 に 対 し 論 文 の 内 容 に つ い て 説 明 を 求 め た ． 申 請 者 は 研 究 の 経 緯 と 論 文 の 内 容 に つ い て 図 面 約40枚 を 示 し て 説 明 し た ．
申 請 者 は ， 生 体 組 織 と 親 和 性 を 示 すCaO‑P205‑Si02‑Al203（CPSA)系 ガ ラ ス 繊 維 を 開 発 し て 以 来 ， こ のCPSAガ ラ ス 繊 維 の 応 用 と し て 人 工 骨 用 複 合 材 料 ， 歯 科 矯 正 用 繊 維 強 化 プ ラ ス チ ッ ク ワ イ ヤ ― （FRPワ イ ヤ ー ） ， 歯 科 用 グ ラ ス ア イ オ ノ マ ― セ メ ン ト 強 化 材 ， 骨 組 織 再 建 用BMP担 体 な ど の 生 体 材 料 の 開 発 研 究 に 携 わ っ て き た ・ CPSAガ ラ ス 繊 維 と PMMAを 複 合 し た 矯 正 用FRPワ イ ヤ ー は 半 透 明 性 で 審 美 性 に 優 れ ， ワ イ ヤ ― の 示 す 矯 正 カ はNi一Tiワ イ ヤ ― と 同 程 度 で あ る こ と な ど か ら ， 矯 正 治 療 に 応 用 で き る 素 材 で あ る こ と を 明 ら か に し て 来 た ． し か し ， こ のFRPワ イ ヤ
― の 示 す 矯 正 カ に 関 す る 材 料 設 計 に つ い て ， 詳 細 な 検 討 は 行 わ れ て い な い ． 1．目的
本 研 究 は ，FRPワ イ ヤ ーが 歯の 移動 に及 ばす 固 有の カ（ ワイ ヤー の矯 正力 ）に つい て， ワ イ ヤー の直 径， ガラ ス繊 維 の直 径， ガラ ス繊 維体 積含 有率 など の影 響に つい て詳 細 に検討し た ． こ れ よ り 所 定 の 矯 正 カ を 示 すFRPワ イ ヤ ー に つ い て 材 料 設 計 す る た め の 基 本的 な計 算 式を求める．
2．方法
FRPワ イ ヤ ー はCPSAガ ラ ス 繊 維 にPMMAを 複 合 さ せ て 加 熱 し ， ガ ラ ス 製 ダ イ ス よ り 引 抜 き 成 形 し た ，3点 曲 げ 試 験 を 行 な い 矯 正 カ お よ ぴ 曲 げ 弾 性 率 を 算 出 し た ． 3．結果
FRPワ イヤーの示す矯正力（円はワイヤーの直径（」酬が 大となると大となり，ガラス繊維の 直 径 が 異 な っ て も ガ ラ ス 繊 維 体 積 含 有 率 （ 珊 が 一 定 で あ れ ば 同 等 で あ っ た ．FRPワ イヤ ー の弾性率(」酬は玖が大となると直線的に 増大し，E＝（O．68野十3．14）x109となった．また，
人 工 唾 液 に30日 問 浸 漬 し て も ワ イ ヤ ー の 矯 正 力 （ 円 の 低 下 は わ ず か で あ っ た ． 4．考察
こ れ ら の 結 果 よ り ，FRPワ イヤ ーの 矯正 力（ 円 に及 ぼす 因子 はワ イヤ ーの 直径 （馴 ，ガ ラ
夫 郎
昇
一
文 順
理 田
畑
亘 飯
大
授 授
授
教 教
教
査 査
査
主 副
副
ス繊維体積含有率（励であることが確認され，FRPワイヤーの材料設計に関する計算式の 導出を試みた．そこで，FRPワイヤーのコントロール（人工唾液浸漬前）の尸を求めるにはワ イ ヤ ー のEを 求め る基 本式 に， たわ み=O.OOlm，支 点問 距離=0.014m， 前に 実験 で求 め たEと竹 の関 係式 およ びFRPワイ ヤー の矯 正カ の変 化率i= 100（ ％） を代入 してPの 式 に変形すると次式となった．
，尸=8.6X1011D4 (0.68竹十3．14）
以上の検討から，所定の矯正力（めを示すFRPワイヤーは，ワイヤーの直径(D)および ガラス繊維体積含有率（Vf)をそれぞれ任意に設定することにより，この計算式で材料設計で きることを明らかにした．これにより審美性に優れた歯科矯正用FRPワイヤーの成形と応用 に関するカ学的設計の指針となる計算式を得ることができた，
以上 の論 文の 内容に 関す る詳 細な 説明 を受 けた 後，引き続き口頭による試問を行な っ た． 各審 査担 当者が 行な った 主な 質問 は次 の通 りで ある ．
（1） 生体 親 和 性 に 及 ぼ すCPSAガ ラ ス 繊 維 と 工 業 用Eガ ラ ス 繊 維 の 違 い と そ の 理 由
（2）FRPワ イヤ ーのガ ラス 繊維 直径 依存 性， 最適 繊維 直径
（3）FRPワ イヤ ―のシ ラン カッ プリ ング 剤の 必要 性
（4）FRPワ イヤ ―のガ ラス 繊維 強化 のメ カニ ズム
（5）FRPワ イヤ ―の作 製時 の寸 法精 度と 特性 のバ ラツ キ
（6）ア ーチ 型FRPワイ ヤー の作 製方 法と 付形 性
（7）CPSA複 合材 の生 体親 和性 評価 （動 物埋 入試験 ）と イン プラ ント とし ての 可能性
（8） より 大 き な 叢 生 に 対 応 す る 破 折 た わ み の 大 き なFRPワ イ ヤ ー の 開 発 の 可 能 性
（9） グ ラス ア イ オ ノ マ ー セ メ ン ト 強 化 用 フ ィ ラ ー と し ての メカ ニズ ムと 接着機 構
（10）CPSA複合 材の引 張強 さを 活用 した 補綴 物へ の応 用
（11） 研究 の今 後の方 向性
これ らの 質問 に対 して， 広汎 かつ 詳細 に質 疑応 答が なさ れた ．申 請者 はいずれも明 確 な回 答と 説明 がな され， 申請 者は 本研 究に 関す る事 項の みな らず 歯科 理工学，歯科 矯 正 学 に 関 す る 分 野 に お け る 広 い 知 識 を 有 し て い る と 判 定 し た ． 現在 ，歯 科矯 正治 療の現 場で は審 美性 に優 れた ワイ ヤ― の開 発が 待望 され，本論文 は こ の 二 ― ズ に 対 応 す る も の で あ り ， 近い 将 来 こ のFRPワ イ ヤ ― の 実用 化 が 期 待 さ れ る． その 際， ワイ ヤ―の 示す 矯正 カの 計算 式は ワイ ヤ― の製 造お よび 臨床応用に必 要 な 指 針 と な る ． 本 学 位 申 請 論 文 は ， そのFRPワ イ ヤ ー の 材 料 設 計 につ い て 多 く の 詳 細な 実験 デ一 夕を 積み重 ねて ，独 創的 な理 論展 開で 基本 的な 計算 式を 導いた手法は 歯 科医 学の 発展 に貢 献する もの であ り高 く評 価で きる ．
以上 のこ とか ら，全員の審査担当者は本研究が学位論文として十分値するものとし，
申 請 者 が 博 士 （ 歯 学 ） の 学 位 を 授 与 さ れ る 資 格 を 有 す る も の と 認 め た ．
