The effect of thickness and deflection of orthodontic thermoplastic materials on its mechanical properties

Objective: The purposes of this study were to evaluate the force and stress depending on the type, deflection and thickness of the materials and to evaluate the mechanical properties of thermoplastic materials after repeated loading. Methods: Four types of thermoplastic products were tested. Force until the deflections of 2.0 mm and the stress when the materials were restoring to its resting position were evaluated. The mechanical properties of thermoplastic materials evaluated after 5 repeated loading cycles. Results: The interaction was observed between the thickness and the deflection (p < 0.05) from the regression equation. Thickness and amount of deflection rather than products and materials showed the largest effect on force and stress. In all products, at least 159 gf of force was required for more than 1.0 mm deflection or when materials with 1.0 mm thickness were deflected. The stress recorded was more than 19 gf/$mm^2$. During repeated loading, each group showed significant difference on the force and the stress (p < 0.01), 10 - 17% reduction of force and 4 - 7% reduction of stress in average. Conclusions: Proper thickness of thermoplastic materials and deflection level of tooth movement should be decided for the physiologic tooth movement. Force decay after repeated loading should be considered for the efficient tooth movement.

교정용 열가소성 재료의 두께와 변형량이 재료의 물리적 특성에 미치는 영향

다양한 열가소성 교정 재료를 이용한 성공적인 임상 결과가 보고되었지만, 재료의 물리적 성질에 관한 연구는 많지 않다. 본 연구는 열가소성 재료의 종류, 두께, 변형량과 반복변형에 따른 변형 시 필요한 하중과, 변형되었던 재료가 원래의 상태(resting position)로 돌아갈 때 재료의 복원력을 평가하였다. 실험적인 모델의 조건에서 투명교정장치의 재료로 쓰이는 4가지 종류의 열가소성 재료(0.5 mm, 0.75 mm, 1.0 mm 두께)를 최종 변형량이 2.0 mm가 될 때까지의 하중(gf)을 측정하였다. 변형 후 탄성력에 의해 원점으로 회복될 때, 재료의 복원력(gf/$mm^2$)을 측정하였다. 동일한 방법으로 5회 반복변형 동안의 하중과 복원력의 변화를 측정하였다. 그 결과, 열가소성 재료의 두께와 변형량에 대해 상호 교호작용이 관찰되었으며 (p < 0.05), 열가소성 재료의 두께 및 변형량이 하중과 복원력에 가장 큰 영향력을 나타내었고 재료 간 혹은 제품 간의 하중과 복원력에는 유의한 차이가 없었다. 두께가 1.0 mm이거나 또는 1.0 mm 이상 변형인 경우 최소 159 gf의 하중이 필요하였고, 최소 16 gf/$mm^2$의 복원력이 발생하였다. 각 실험군에 대한 반복하중 시 하중과 복원력에서 유의한 차이가 관찰되었고 (p < 0.01), 평균 10 - 17%의 하중 감소와 4 - 7%의 복원력 감소가 관찰되었다. 이상의 결과, 하중과 복원력에 가장 영향을 많이 주는 요소는 재료의 두께와 치아의 이동량 이었다. 제품에 상관없이 두께가 1.0 mm 이상인 재료를 사용하거나 치아를 1.0 mm 이상 이동 시에는 과도한 힘이 발생하였다. 따라서 투명교정장치를 이용하여 생리적으로 치아를 이동시키기 위해서는 초기 치아배열을 위해 사용하는 열가소성 재료의 두께와 셋업 시 치아 이동량을 고려하여 과도한 힘이 가해지지 않도록 해야 한다. 또한 반복하중 후에 열가소성 재료의 피로도에 의한 힘의 상쇄를 고려하여 임상에 적용해야 한다.