Comparison in stress distribution of different base materials and thicknesses in MOD class II direct composite resin restoration: A 3D finite element study

Abstract

1. Purpose The purpose of this study was to investigate and compare the stress distribution of different base materials and thicknesses in posterior direct MOD class II resin restoration.

2. Material and methods Nine 3D models of teeth obtained from CBCT scan data were fabricated and analyzed through 3D CAD software (ABAQUS CAE 2016, Dassault systems, Velizy-Villacoublay, France). The experimental groups of 3D models were categorized as follows: Control: Sound tooth Group A: Composite resin without base material Group B: Lithium disilicate with resin cement layer Group C-tn: Composite resin with glass ionomer cement base 0.5 mm Group C-tk: Composite resin with glass ionomer cement base 1.0 mm Group D-tn: Composite resin with low-viscosity resin base 0.5 mm Group D-tk: Composite resin with low-viscosity resin base 1.0 mm Group E-tn: Composite resin with tricalcium silicate cement base 0.5 mm Group E-tk: Composite resin with tricalcium silicate cement base 1.0 mm Group C, D, E had multi-layer construction consisted of adhesive layer, base and composite resin. Then these groups were further divided into two sub-groups: thin (tn) and thick (tk). Stress distribution of all groups were compared and analyzed by visualizing maximum principal stress of each model after simulation of vertical loading with 600 N on occlusal surface. Polymerization shrinkage effect on resin-based materials was applied in prior to vertical loading.

3. Results Sound tooth showed lowest stress value and its stress propagation was confined on outer enamel surfaces only. Group A showed highest stress distribution along interfaces between tooth and restoration with increased failure risk on marginal area. In contrast, Group B showed the lowest maximum stress value among all groups although the stress was concentrated on resin cement layer. Group C, D, E both in thin and thick subgroups showed reduced stress level compared to Group A. However, differences in stress distribution between base materials and base thicknesses of 0.5 mm and 1.0 mm were not significant.

4. Conclusion Marginal stress caused by polymerization shrinkage of composite resin was reduced by presence of GIC, low-viscosity resin and tricalcium silicate cement bases in class II MOD direct composite resin. However, influence of different base materials and thicknesses of 0.5 mm and 1.0 mm on stress distribution of tooth and composite resin was not observed.

1. 목 적 본 연구의 목적은 Class II MOD 직접 복합 레진 수복 시 Base 재료의 종류 및 두께에 따른 응력 분포를 3D 유한 요소 해석법을 통해 비교 분석하는 것이다.

2. 방 법 CBCT-scan 데이터를 기반으로 한 9개의 삼차원 치아 모형을 유한요소 소프트웨어 (Abaqus CAE 2016, Dassault systems, Velizy-Villacoublay, France)를 이용해 제작하였으며 형성된 유한요소 모형의 실험군을 다음과 같이 분류하였다. Control Group: 정상 치아 (Sound tooth) Group A: Base를 적용하지 않은 직접 수복 Composite Resin Group B: Resin luting cement를 적용한 간접 수복 Lithium disilicate Group C-tn: Composite resin 과 Glass ionomer cement base 0.5 mm Group C-tk: Composite resin 과 Glass ionomer cement base 1.0 mm Group D-tn: Composite resin 과 Low-viscosity resin base 0.5 mm Group D-tk: Composite resin 과 Low-viscosity resin base 1.0 mm Group E-tn: Composite resin 과 Tricalcium silicate cement base 0.5 mm Group E-tk: Composite resin 과 Tricalcium silicate cement base 1.0 mm Group C, D, E 는 공통적으로 adhesive layer 와 base 그리고 composite resin 으로 구성된 다층 구조로 형성되었으며, 이 3 개의 그룹을 다시 두께에 따라 thin (Tn, 0.5 mm) 과 thick (Tk, 1.0 mm), 2 개의 세부 그룹으로 나누었다. 레진 재료들의 중합 수축 효과와 함께 600 N 의 수직하중을 교합면에 가하고 모든 실험 모형들의 최대 주 응력 (Maximum principal stress) 분포 데이터를 도표 및 그림으로 시각화 하여 비교 분석하였다.

3. 결 과 대조군에서는 응력 분포가 법랑질에 국한되어 고르게 분산되었으며 모든 실험군 중 가장 낮은 응력 값을 보였다. Group A 에서는 치아와 수복물의 계면을 따라서 가장 높은 응력 분포를 보였으며 특히 변연에서 파절 위험이 증가하였다. Group B의 경우 대조군을 제외한 모든 군에서 가장 낮은 응력 값을 보였으나 Resin cement layer 에 집중된 응력이 관찰되었다. Group C, D, E의 경우 Group A와 비교했을 시 Group C, D, E 모두 중합 수축에 의한 응력을 감소시켰으나, Base의 종류에 따른 응력 분포에 유의미한 차이는 없었으며 0.5 mm 과 1.0 mm의 두께에 따른 응력 분포에 차이는 없었다.

4. 결 론 Class II MOD 직접 레진 수복 시, Base의 적용은 중합 수축으로 인한 응력을 감소시켰으나 Base 재료 종류의 차이 그리고 0.5 mm 과 1.0 mm의 두께 차이가 응력의 분포에 미치는 영향은 없었다.