引張試験を中心とした歯質の強度特性

はじめに

口腔領域は摂食，嚥下，呼吸をはじめとして多くの重 要な機能を担っており，歯を保存することが認知症の予 防を含めて，高齢者の QOL を維持するために重要な要 因であることが認識されている．平成 28 年歯科疾患実

引張試験を中心とした歯質の強度特性

井　上　利志子　　宮　﨑　　　隆

Mechanical properties of tooth structure with a primary

focus on tensile testing

Toshiko I

NOUE

and Takashi M

IYAZAKI Keywords：Teeth, Enamel, Dentin, Dentin︲enamel junction, Strength

Teeth play a critical functional role in the body. Thus, it is important to understand the mechanical proper-ties of teeth in order to preserve them. The mechanical properproper-ties of teeth according to their structure have been investigated for almost a century. However, because of the limitations of specimen size, many structural features require further investigation.

Teeth consist of a crown and root or roots. In both sections, dentin is the most abundant mineralized tissue by both weight and volume. The dentin is covered by enamel, and the dentin︲enamel junction （DEJ） is the bio-logical interface between the two tissues. Enamel, DEJ, and dentin all exhibit anisotropic tensile properties when miniaturized specimens are tested. Dentin contains more organic material （mainly collagen） than enamel, while enamel is predominantly mineral in composition. Thus, dentin strength is affected by the orientation of not only dentinal tubules but also collagen fibers. Dental tissue, particularly enamel and dentin, also changes with aging： aged tissue is weaker than young tissue. Variations in dental tissue make teeth a difficult substrate to manage in clinical dentistry；therefore, the anisotropic structure should be considered when determining methods of strengthening tooth tissue and devising adaptable clinical procedures.

キーワード：歯，エナメル質，象牙質，エナメル象牙境，強度 口腔領域は摂食をはじめとする多くの重要な機能を担っており，歯質の強度特性の検討が必要である．歯質 の強度特性に関する研究は，過去 1 世紀近く行われてきたが，試験片作製が困難であることから，いまだ不明 の点が多い． 歯は歯冠部分と歯根部分から成り，象牙質は，歯冠部および歯根部ともに大部分を占め，歯冠象牙質はエナ メル質に被覆されている．さらに歯冠部歯質において，エナメル質および象牙質が接合しているエナメル象牙 境が存在する．小型試験片を用いた引張試験により，エナメル質，エナメル象牙境および象牙質のすべての構 造において，異方性が確認された．また，エナメル質は高度に石灰化した組織であるが，象牙質はコラーゲン を含むので，象牙質の強度には象牙細管の走行だけでなく，コラーゲンの走行が影響する．歯質の構造は加齢 によって変化し，加齢組織の引張強さは低下する．歯を保存するためには異方性を考慮した歯の強化法や治療 が必要になる． 総 説 日本歯科理工学会誌 Vol. 40 No. 1　69︲74（2021） 昭和大学歯学部歯科保存学講座歯科理工学部門（〒142︲8555 東京都品川区旗の台 1︲5︲8）

Department of Conservative Dentistry, Division of Biomaterials and Engineering, Showa University School of Dentistry（1︲5︲8 Hatanodai, Shinagawa︲ku, Tokyo 142︲8555）

態調査において，8020 達成者率（80 歳で 20 本以上自分 の歯を保有する者の割合）は 51.2％まで増加した 1）_．今 後「8020 運動」をさらに推進して，人生 100 年時代に おける健康長寿社会を実現するためには，歯科界をあげ て歯の保存に取り組むべきである． 歯を保存するためには齲蝕や歯周病の予防や治療とと もに，歯の強度が重要である．歯は歯冠部と歯根部から 構成され，組織的にはエナメル質，象牙質，歯髄，セメ ント質から構成されている．齲蝕の治療には成形修復材 料やコンポジットレジン，セラミックス，金属材料によ り作製される補綴装置が多用されており，歯質の強度を もとに材料の選択が行われてきた．歯質の強度について は多くの研究が 1 世紀近く行われ 2～4）_{，教科書にも代表} 的な数値が記載されている 5）_{．しかし，既存の歯質の機} 械的性質（硬さ，圧縮強さ，引張強さ等）の値には幅が あり，各研究者の歯種，部位，試験方法の違いによるも のと推察される． エナメル質と象牙質は特殊で複雑な構造をしているた め，構造を考慮した試験方法が必要である．しかし，通 常の材料試験における試験片作製は歯の大きさ等から困 難であり，規格化することができなかった．また，機能 時に歯冠部および歯根部に生じる応力分布が複雑である ため，バルクとしての歯質の構造と強度との関係の評価 は困難であった．近年超小型試験片を用いた引張試験に よりエナメル質ならびに象牙質の異方性に関する研究が 進められたので，本総説では，主として引張試験による 歯質の強度特性に関する知見を整理して紹介する．

エナメル質

エナメル質は図 1 6）_{に示すように，歯冠部歯質の最外} 層に位置している．エナメル質はエナメル小柱の複合体 であり，鍵穴のような形態を有するエナメル小柱から形 成されている． エナメル質の大きさから，通常の材料試験に用いられ る試験片を作製して強度解析を行うことは非常に困難で あった．人歯エナメル質から円柱状の微小試験片を作製 し，圧縮強さおよび引張強さを測定した先駆的な研究で は，エナメル質の圧縮強さおよび引張強さはともに異方 性を示していることが明らかにされている 7, 8）_{．しかし，} エナメル小柱の方向と強さが試験方法で異なり，圧縮試 験の異方性と引張試験の異方性とは逆の結果となり，圧 縮力に強い方向は引張力に弱く，引張強さに強い方向は 圧縮強さが弱かった． また，エナメル質の引張試験における強さの異方性 は，コンポジットレジンと歯質の複合体のダンベル型試 験片による試験方法においても報告されている 9, 10）_．さら に，マイクロビッカース硬さ試験においてもエナメル小 柱の複合体としてのエナメル質の異方性は確認され 11, 12）_， また，ナノインデンテーション試験，弾性率において， エナメル小柱自体の異方性も確認されている 13）_． エナメル象牙境部位の引張試験では，外側エナメル質 と内側エナメル質において破壊様式が異なっていた 6）_． これは，外側エナメル質および内側エナメル質における エナメル小柱の構造の違いによると考えられる． このようにエナメル質ではエナメル小柱の構造や走行 が強度に影響し，異方性がきわめて強いため，歯科臨床 において修復処置を行う際には，エナメル質の異方性を 理解することが必要である．さらに，近年エナメル質強 化 の た め に 様 々 な 再 石 灰 化 処 理 法 が 考 案 さ れ て い る 14, 15）_{．ミネラル供給により，耐酸性，硬さが向上し，} 耐摩耗性も良くなるが，エナメル小柱の異方性を考慮し た再石灰化が今後の課題であると考えられる．

エナメル象牙境

エナメル質は象牙質に接している．エナメル質，象牙 質はそれぞれ組成が異なっており，エナメル質と象牙質 の境界をエナメル象牙境と称する．エナメル象牙境は歯 冠部において重要な構造であることが認識されている． エナメル象牙境の機械的特性の検討は行われてはいる が 16～21）_{，特に引張試験に関する情報は少ない} 22, 23）_．エ ナメル象牙境部において引張試験を行ったところ（図 2），エナメル象牙境部においても引張強さによる異方性 が認められ，引張方向がエナメル象牙境部に対して平行 な場合が垂直な場合に比較して，有意に高い値を示し た 6）_{．すなわち，エナメル象牙境部は，後述する象牙質} と同様に歯髄から咬頭や切縁，裂溝に向かう方向よりも 歯髄から咬頭や切縁，裂溝に向かう方向と直交する方向 において強度が高いことが確認された． さらに，エナメル象牙境部近くのエナメル質が歯冠部 において非常に脆弱な部位であることが確認された．引 張方向がエナメル象牙境部に対して垂直な場合は，エナ メル質にて破壊が生じるので，エナメル質はエナメル象 牙境や象牙質よりも弱い．一方，エナメル象牙境では， 歯冠部 歯根部 エナメル質 象牙質 歯髄 図 1　歯の模式図（文献 6 より改変引用） 左図では歯冠部および歯根部を，右図ではエ ナメル質，象牙質，歯髄を示す．

エナメル質および象牙質で発生した亀裂の進展を阻止し ていることが確認された（図 3）．さらに外套象牙質も 亀裂発生防止に関与していることが明らかになった．

象牙質

1．構　造 象牙質には歯髄からエナメル質およびセメント質方向 に放射状に走る細い管である象牙細管が存在する．象牙 質の断面の走査電子顕微鏡像を示す（図 4） 24）_．象牙質 は象牙細管，象牙細管の周囲の高石灰化環状帯である管 周象牙質および管周象牙質間に存在して象牙質のほとん どを構成している管間象牙質から構成されている． 2．硬さおよびミネラル量 従来の硬さ試験で象牙質を測定すると，象牙細管，管 周象牙質および管間象牙質を測定する複合的なデータと なる．現在では，ナノインデンテーション試験により， 管間象牙質や管周象牙質の硬さおよび弾性率測定が可能 となっている．ナノインデンテーション試験において， 管周象牙質は，管間象牙質よりも 2 倍近い硬さおよび弾 性率を有することが明らかにされている 25～28）_． 歯冠部象牙質および歯根部象牙質では破壊様式や強度 が異なる 29）_{．牛歯を用いて歯冠部および歯根部における} 管間象牙質の微小硬さおよび弾性率を，試験で測定した 結果，微小硬さは歯冠部分が歯根部分よりも大きく，弾 性率も大きいことが認められている 30）_{．マイクロ CT で} 歯の撮影を行い，撮影データの取得後，ミネラル量の計 測およびミネラルの分布の解析を行った結果，歯冠部は 歯根部のいかなる部分よりもミネラル量が高い 31）_ので， これが硬さに影響している． 3．引張強さ 著者ら 32）_{は現在までに小型試験片を用いた象牙質の} 引張試験法を確立しており，37℃水中で実験を行うこと で口腔内をシミュレートしている． 牛歯下顎前歯の歯冠部から試験片を作製して引張試験 を行った結果，象牙細管に平行に引張試験を行った条件 が垂直な条件より有意に大きい値を示し，象牙質は異方 性を有していた 33）_{．また，歯根部では象牙細管に垂直で} 歯根長軸方向に引張試験を行った値が唇舌方向に試験し た値の約 2 倍と大きく，歯冠部で象牙細管に平行に試験 した値とほぼ同じであった．歯根部が歯冠部よりも大き な値を示す原因としては，歯根部象牙質が歯冠部象牙質 よりコラーゲン含有量が多いことが考えられる． 他の研究者の人歯大臼歯を使用した研究 34～36）_では， 引張方向が象牙細管走行に平行な条件が垂直な条件と比 べると低い値を示した．そこで，筆者らは，歯種による 構造の違いを解明するために，前歯と大臼歯象牙質の引 張試験を行った．人歯は牛歯よりも小さいので（図 5） 37）_， 従来の試験片をさらに小型化し，材料試験としては鋭敏 とされるダンベル型微小試験片を用いた引張試験を行っ た．口腔内をシミュレートするために，37℃水中で引張 試験を行った． 象牙細管走行の異方性の効果が現れ，象牙細管に垂直 に引張試験を行った条件が平行な条件より有意に大きい 値を示した 24）_{．この原因としては，象牙質内のコラーゲ} エナメル質 象牙質 エナメル質 象牙質 図 2　各条件における試験片図（文献 6 より改変引用） 左図では引張方向がエナメル象牙境に対して平行な 場合，右図では引張方向がエナメル象牙境に対して 垂直な場合を示す． 図 3　 エナメル象牙境 （DEJ） 部での破断面の走査電 子顕微鏡像（文献 6 より改変引用） エナメル質および象牙質において亀裂が進展 している． 管周象牙質 象牙細管 管間象牙質 図 4　 象牙質の走査電子顕微鏡像（文献 24 より改変 引用） 象牙細管，管周象牙質，管間象牙質を示す．

ンの走行の多くは象牙細管に斜行しているので，象牙細 管の走行だけでなく，コラーゲンの走行が関与している と考えられた．そこで成長線 38～40）_{に関連させてコラー} ゲンの走行に注目して引張試験を行ったところ，象牙質 の強度は前歯と臼歯において有意差がないことが判明し た 24）_{．歯種に関係なく，コラーゲンに平行に引張試験を} 行う条件が垂直な条件よりも有意に大きい値を示した． すなわち，象牙細管の走行だけではなく，コラーゲン の走行により引張強さが変化するため，ミネラル量が多 く硬さが大きくても，コラーゲンの走行によっては引張 強さが小さく，脆弱な部位もあることに注意しなくては ならない． 4．象牙質の加齢変化 エナメル質および象牙質は加齢により変化することが 明らかにされている．ナノインデンテーション試験によ る測定で加齢による強度変化の解析が可能であり，加齢 によりエナメル質および象牙質の硬さおよび弾性率は増 加する 41, 42）_． 象牙質における加齢変化は顕著であり，特に歯根象牙 質において根尖側から次第に透明化し，加齢的に広がる 透明象牙質の出現がよく知られている．透明象牙質は， 象牙細管の内腔における二次的な石灰化物の沈着によ り，象牙細管と象牙質基質の光線屈折率の差異が減少 し，透明度が上昇することにより出現する 43）_{（図 6）．し} かしながら，透明象牙質の特性に関する情報は少ない． 非破壊にてマイクロ CT による歯の撮影を行った後， 歯の内部構造変化の解析を行ったところ，透明象牙質は 歯冠部のいかなる部分よりもミネラル量が高く 37, 44, 45）_， 加齢による構造変化が確認された．ナノインデンテー ション試験の結果，透明象牙質の微小硬さおよび弾性率 は，健全象牙質より増加していた 37）_． 一方，小型試験片による引張試験を行ったところ，透 明象牙質の引張強さは，健常象牙質の引張強さよりも小 さいことが確認された．これは歯質におけるミネラル量 の増加よりも，加齢によるコラーゲンの AGE（Advanced Glycation End）の蓄積 46, 47）_{による加齢変化の影響を受} けたと考えられる．すなわち，加齢の影響を判定するに は，ミネラル量の分布状態を反映する硬さ試験のみでな く，引張試験の評価も重要になると思われる． 5．歯根象牙質の疲労強さ 臨床的に，歯根部での破折は歯冠部とは異なる様相を 呈し，重篤な症状になり，抜歯になる可能性も高い．し たがって，歯根部の強度特性を詳細に解明することが急 務である． 従来の引張試験は静的強度試験であったが，繰り返し 負荷応力の加わる口腔内の複雑な力学的環境から，動的 強度試験を行うことがきわめて重要である．筆者ら 48） は，歯根象牙質の疲労試験を行い，疲労特性について検 討した．水中試験装置を用いて，歯根象牙質の疲労試験 を行い，さらに同部位での引張試験も行ったところ，牛 歯根象牙質の疲労強さは引張強さの約半分程度であるこ とが明らかになった． 静的引張試験においては歯軸方向では歯根象牙質の引 張強さは歯冠象牙質の引張強さよりも大きな値を示す が，疲労試験後においては歯根象牙質の引張強さは歯冠 象牙質の引張強さよりも小さな値を示すことが明らかと なり，疲労試験と通常の引張試験では逆の結果を示した． 象牙質をコラーゲンとハイドロキシアパタイトから成 る複合材料として考えた際に，機械的強度にはコラーゲ ンが影響を与える．コラーゲンは歯冠象牙質では象牙質 内に均質に配向しているが，歯根象牙質では歯軸方向に 多く配列し，象牙質内に片寄りが見られる．そのため． 歯根象牙質中のコラーゲンの偏向が歯根象牙質の脆弱化 を招いたと考えられる． さらに，疲労試験後の破断面を電子顕微鏡にて詳細に 観察を行ったところ，破断面に特徴として現れるストラ イエーションが，管間象牙質において確認された 49）_．ス トライエーションは象牙細管に対して直交するように存 在した（図 7）．歯根象牙質では，コラーゲンは象牙細 10.0 mm 人歯 牛歯 図 5　 大臼歯 （人歯） （左図） および前歯 （牛歯） （右 図）の全体像（文献 37 より改変引用） 牛歯の前歯は人歯の大臼歯と比較すると 2 倍 程の大きさである． 図 6　 歯根透明象牙質 （左図） および透明象牙質の走 査電子顕微鏡像（右図） 象牙細管内に石灰化物が存在する．

管に対して直交するように配向しており，ストライエー ションはコラーゲン走行に平行に発生することがわかっ た．また， ストライエーションの間隔は 3～10 m m を示 した．これは従来報告されている歯冠象牙質の約 5 分の 1から 10 分の 1 程度であり 50）_{，歯冠象牙質に比べて，} 歯根象牙質の脆弱性がより明らかになった．以上より， 象牙質の強化にはコラーゲンを強化することが重要にな ると考えられる．

おわりに

歯を保存して健康長寿を送るためには，齲蝕や歯周病 の予防，管理はもちろんのこと歯そのものの耐久性が重 要になる．強度測定には種々の方法があるが，引張試験 は異方性を有する歯質の強度評価に不可欠である．従来 試験片の作製が困難であったが，近年小型試験片の作製 が可能になり，研究が進展している．今後，技術の進歩 によりさらなる微小領域の構造および強度特性の解明が 進み，臨床に貢献すると考えられる． 歯質は異方性を有するが，歯質を修復する材料は歯質 の異方性を考慮しておらず，今後は歯質の異方性に調和 するスマート材料とそれを利用した治療法の開発が急務 であると思われる． 文　　　献 1） 厚生労働省，平成 28 年歯科疾患実態調査報告書． 2） Hodge HC, Mckay M. The microhardness of teeth. J Am

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