矯正治療に必要な器具および材料 | 矯正歯科コラム

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矯正治療に必要な器具および材料-24

3.ゴムリングの力学

ゴムリングのような高分子材料とワイヤーを比較すると、図16-14のようになります。ゴムリングでは、一定荷重当たりのたわみが極端に大きく、また、弾性限度までのたわみが非常に大きいので、弾性の領域が極めて広いという特徴があります。そこで、ゴムの内部に蓄えられる弾性エネルギーは当然大きく、このような理由により、ゴムリングはよく伸び、十分な弾力性を有した高弾性の特性を備えているといえます。

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また、ワイヤーでは、たわみが少し減ると荷重量が大きく減少しますが、ゴムリングではワイヤーと比べると荷重の低下が少なくなっています。したがって、歯が移動しても比較的一定の矯正力を作用させることができます。

しかしながら、ゴムの望ましくない性質として、ゴムを伸ばして行っていひずみを与えておくと、時間の経過に従い応力が減少して、矯正力が低下する現象、すなわち応力緩和が起こります。しかも、弾性限度内の荷重を加えても、長時間の間にはゴムリングに永久変形が生じ、荷重を除いても元の長さには戻りません。

従来用いられているようなラテックスという天然のゴムリングは、特に口腔内において劣化が激しく、弾力性の経時的低下が著しいという欠点があります。そこで、臨床上は、ゴムリングを毎日交換することで、先に述べたような、ゴムの特性を歯の移動に利用しています。

近年、これらの欠点を除くような研究が進められ、ポリウレタン系の合成ゴムが開発されました。図16-15に示すように、このゴムは応用緩和の現象が少なく、口腔内でも耐疲労性がよいので、ゴムの劣化が減少しました。したがって、ゴムの特性を十分に発揮して、口腔内で安定した弱い持続的な矯正力を発現できるようになってきました。

2015年8月6日


矯正治療に必要な器具および材料-23

2.ループの力学

2) ループの矯工力

つぎに、ループの形状として、simple loopとhelical 100pについて、嬌正力の変動を考えてみましょう。たとえば、elgiloy O.016〃φ(約4 mmφ)について、h=10mm,、R=1.5mmとした場合の荷重―たわみ線図は、図16-12のようになります。simple loopでは、1mmのたわみを与えるのに31.4gの荷重が必要ですが、helical loopではわずか17.1gの荷重が必要です。

このことから、ループに一定のたわみを与えるための荷重は、simple loopのほうがhelical loopよりも1.8倍だけ大きいことがわかります。逆に、一定荷重に対するたわみは、helttal loopのほうがsimple loopよりも大きいです。

このように、ループにhelicalをつけると、simple loopの場合よりも弾性エネルギーの吸収能力は増大し、いっそう弱い持続的な矯正力が得られます。

3)コイルスプリングの矯正力

ワイヤーをコイル状に巻いてコイルスプリングにすると、図16-13のように一定荷重当たりのたわみは非常に大きくなります。また、弾性限度に達するまでのたわみが大きいので、弾性が広範囲に及びます。したがって、エネルギーの吸収能力が大きいので、復元力が増加します。

そのようなことで,、コイルスプリングでは、ループの場合よりさらに十分な弾力性が期待できます。したがって、歯の移動距離は大きくでき、しかも弱い持続的な強制力が得られることになります。

2015年7月30日


矯正治療に必要な器具および材料-22

2.ループの力学

1) ワイヤーとループの関係

ワイヤーを歯の移動に利用する場合、実際にはワイヤーをループ状に形成して用いることが多くあります。

図16-8に示すとおり、ワイヤーにおける荷重とたわみの関係をOAとすると、ループの場合はOA′のように直線の勾配がかなり緩やかになります.

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ここで図169のようにたわみBを一定にすると、ワイヤーの荷重はC、ループの荷重はC′ となり、ループのほうが荷重は小さく、矯正正力は弱くなります。すなわち、“ light force”となります。

一方、図16-10のとおり、荷重Cを一定にすると、ワイヤーのたわみはB、ループのたわみはB′となり、ループのほうがたわみは大きくなります。

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両方の弾性エネルギーを比較すると、ワイヤーの弾性エネルギーは△OAB、ループのそれは△OA′B′となり、ループのほうが多くのエネルギーを蓄えていることになります。したがって、ワイヤーよリループのほうが、矯正力は長い間持続的に作用します。すなわち、“ continuous force”になります。
このようなわけで、ループからは矯正力として必要な弱い持続的な力、すなわち、”light
continuous force”が得られることになります。

 

2) ループの矯工力

図16-11のように、ループの寸法と形状が変わると、当然矯正力の大きさは変化する。一般に、ループの高さh、円弧部の半径Rは大きくなると矯正力は弱くなります。また、ワイヤーの太さは、太くなると矯正力は逆に強くなります。さらに、円型のフイヤーよりも角型のワイヤーのほうが矯正力は強くなります。

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2015年7月23日


矯正治療に必要な器具および材料-21

3. 矯正治療に必要な力学

4) 弾性エネルギー

臨床的には、ワイヤーに蓄えられた弾性エネルギーの放出により、ワイヤーがもとに戻ろうとする弾力性が矯正力として利用されています。したがって、弾性エネルギーが大きいと弾力性は増加します。その結果、長期間にわたって持続的な矯正力が発現できるようになります。

図 16-6に示すように、弾性限度の高低で弾性エネルギーを比較すると、△OABと△OA′B′のように、弾性限度の高い後者のほうが弾性エネルギーは大き くなります。このことから、熱処理前後のワイヤーでは、熱処理後のほうが、弾性エネルギーは増大することがわかります。

5)強 度

図 16-7で示すとおり、弾性限度を越えてさらに荷重を大きくするとたわみが著しく増加し、最大応力を越えると、ついには内部に破壊応力が生じてワイヤーは 破折してしまいます。弾性限度を越えない荷重でも、その荷重が繰り返して加わると、ワイヤーには疲れ現象が起きて破折することがあります。このことは、ワ イヤーを屈曲する場合に、同一部位で曲げたり仲ばしたりを繰り返すと破折してしまうことは、誰でも経験していると思います。

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臨 床上、ワイヤーに生ずる応力としては、矯正力の発現のほかにも、ループなどに屈曲したあとにル―プ内部に残る残留応力、ブラケットヘの装着時に生じる曲げ とねじりの応力、咀嚼中口腔周囲筋の運動に伴う繰り返し応力などがあります。そのようなことで、治療中ワイヤーに加わる荷重は、弾性限度よりも小さい許容 応力以内に留めておく必要があります。

2015年7月16日


矯正治療に必要な器具および材料-20

3. 矯正治療に必要な力学

3)弾性係数(ヤング率)

図16-4でみられるように, 弾性限度内の応力σとひずみεとの比を弾性係数またはヤング率といいます。

EはOAの勾配に相当します。弾性係数はワイヤーの成分組成によって決まり、ワイヤーの特性を特徴づけます。ワイヤー自身の弾性係数は、すでに決まっているので術者が自由に変えることはできません。一般に、金属学的には、コバルトークロム系合金(elgiloyなど)の弾性係数は、ステンレス鋼(resilient wire Australian wireなど)の弾性係数よりもやや大きいことが知られています。

(1)式から、elgiloyのようにEが大きくなると、一定ひずみε当たりの応力σは増大して、矯正力は強くなります。臨床上は、弾性係数の大きいワイヤーでも、ループやコイルスプリング状に形成して,歯に加わる力を弱くしています。

4) 弾性エネルギー

ワイヤーに弾性限度内の荷重を加えてたわみを与えると、ワイヤーの内部にはエネルギーが蓄えられます。このエネルギーを弾性エネルギーまたはレジリエンスといいます。これは、図16-5における△OABで表される三角形の面積に相当します。

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2015年7月9日



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