Üç boyutlu yazıcı ile üretilen ortodontik braketlerin mekanik özelliklerinin sonlu elemanlar analizi ile incelenmesi
Investigation of the mechanical properties of orthodontic brackets produced with three-dimensional printer by finite element analysis
Yazar: SENANUR İSKURT MISIROĞLU
Danışman: DOÇ. DR. GÖKHAN SERHAT DURAN
Sağlık Bilimleri Üniversitesi / Gülhane Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Ortodonti Ana Bilim Dalı / Ortodonti Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Diş Hekimliği = Dentistry

Özet:
Amaç: Bu doktora tezinin amacı 3B yazıcı ile üretilen ortodontik braketlerin çeşitli burkulma açıları altında mekanik özelliklerinin sonlu elemanlar analizi ile test edilerek geleneksel seramik, metal ve plastik braketler karşılaştırılmasıdır.  
Gereç ve Yöntem: Bu tez çalışmasında 3B baskı teknolojisi ile ortodontik braket üretiminde kullanılma potansiyeli olan 3 farklı malzeme geleneksel braket üretiminde kullanılan paslanmaz çelik, seramik ve plastik braket malzemeleri ile sonlu eleman yöntemi kullanılarak karşılaştırılmıştır. Çalışmada CAD yazılımı kullanılarak 0.022" slot ortodontik braket ve 0.019" ×0.025" ark teli modellenmiştir.  Modellenen ortodontik braket üzerinde test edilen materyallerin malzeme özellikleri tanımlanmıştır ve ark telinin her iki ucuna yukarı yönde (palatal kök torku) 10°, 20° ve 30° burkulma kuvveti uygulanmıştır. Sonlu eleman analizi kullanılarak 6 farklı braket malzemesi ve 3 farklı burkulma açısı değeri için toplam 18 nonlineer statik analiz gerçekleştirilmiştir. 
Bulgular: Tüm senaryolarda maksimum deformasyon kanat bölgesinde ölçülmüştür (Dental LT reçinesinde 30° burkulma açısı altında kanat bölgesinde 438,3 µm). Burkulma açısı arttıkça deformasyon miktarı artmıştır (Dental LT reçinesinde 10°, 20° ve 30 burkulma açıları altında sırasıyla 146,5 µm, 292,2 µm ve 438,3 µm). Gingival slot duvarlarındaki deformasyon bütün senaryolarda okluzal slot duvarlarından daha fazla ölçülmüştür (Dental LT reçinesinde 30° burkulma açısı altında okluzal slot duvarı tepe noktasında 33.74 µm, gingival slot duvarı tepe noktasında 341,29 µm). Hem gingival hem okluzal slot duvarlarında tepe noktasından taban noktasına gidildikçe deformasyon miktarları azalmıştır (Dental LT reçinesinde gingival slot duvar tepe, orta ve taban noktasında sırasıyla 341,29 µm, 200,69 µm ve 15,49 µm). 3 farklı burkulma açısı senaryosunda en az deformasyon seramik brakette ölçülmüştür (10°, 20° ve 30° burkulma açılarında sırasıyla 43,70 µ,87,34 µm ve 130,8 µm). Seramik braketi sırasıyla zirkonya ve paslanmaz çelik takip etmiştir. En fazla deformasyon değerleri Dental LT reçinesinin kullanıldığı senaryolarda görülmüştür (10°, 20° ve 30° burkulma açılarında sırasıyla 146,5 µm, 292,2 µm ve 438,3 µm).
Sonuç: Bu çalışmanın sonuçlarına göre tüm braket materyallerinde burkulma kuvveti uygulandığında deformasyon meydana gelmiştir. En yüksek deformasyon braketlerin kanat bölgesinde meydana gelmiştir. Slot duvarlarında tepe noktasından taban noktasına gidildikçe deformasyon miktarı azalmıştır. Dental LT ve kalıcı kron reçineleri, plastik braketlere benzer mekanik özellikler göstermiştir. 3B yazıcı ile üretilen zirkonya braket, paslanmaz çelik ve seramik braketler ile benzer mekanik özellikler göstermişlerdir. Dental LT ve kalıcı kron reçineleri, seramik ve paslanmaz çelik braketler kadar iyi mekanik özellikler göstermemişlerdir. 3b yazıcı reçinelerinin, mevcut braket materyallerin yerini alabilmeleri için ve rutin olarak klinikte kullanılabilmeleri için mekanik özelliklerinin geliştirilmesi gerekmektedir.  
Anahtar Kelimeler: 3B yazıcı, reçine, ortodontik braket, tork bükümü, sonlu eleman analizi

Abstract:
Aim: The aim of this thesis is to test the mechanical properties of 3D printed orthodontic brackets under various angle of twist values by finite element analysis and compare them with traditional ceramic, metal and plastic brackets.
Materials and Methods: In this thesis, 3 different materials that have the potential to be used in the production of orthodontic brackets with 3D printing technology were compared with stainless steel, ceramic and plastic bracket materials used in traditional bracket production using the finite element method. In the study, 0.022" slot orthodontic bracket and 0.019" × 0.025" archwire were modeled using CAD software.  The material properties of the materials tested on the modeled orthodontic bracket were defined and 10°, 20° and 30° angle of twist values were applied to both ends of the archwire in the upward direction (palatal root torque). A total of 18 nonlinear static analyses were performed using finite element analysis for 6 different bracket materials and 3 different angle of twist values.
Results: In all scenarios, the maximum deformation was measured in the wing region (438.3 µm in the wing region under 30° angle of twist for Dental LT resin). The amount of deformation increased as the buckling angle increased (146.5 µm, 292.2 µm and 438.3 µm for Dental LT resin under angle of twist of 10°, 20° and 30°, respectively). The deformation of the gingival slot walls was greater than that of the occlusal slot walls in all scenarios (33.74 µm at the occlusal slot wall apex and 341.29 µm at the gingival slot wall apex under 30° angle of twist in Dental LT resin). For both gingival and occlusal slot walls, the amount of deformation decreased from the apex to the base (341.29 µm, 200.69 µm and 15.49 µm at the gingival slot wall apex, middle and base points, respectively, for Dental LT resin). In 3 different angle of twist scenarios, the least deformation was measured in the ceramic bracket (43.70 µm, 87.34 µm and 130.8 µm at 10°, 20° and 30° angle of twist, respectively). The ceramic bracket was followed by zirconia and stainless steel, respectively. The highest deformation values were observed in scenarios using Dental LT resin (146.5 µm, 292.2 µm and 438.3 µm at 10°, 20° and 30° angle of twist, respectively).
Conclusion: According to the results of this study, deformation occurred in all bracket materials when buckling force was applied. The highest deformation occurred in the wing region of the brackets. In the slot walls, the amount of deformation decreased from the top to the bottom. Dental LT and permanent crown resins showed similar mechanical properties to plastic brackets. 3D printed zirconia brackets showed similar mechanical properties to stainless steel and ceramic brackets. Dental LT and permanent crown resins did not show mechanical properties as good as ceramic and stainless steel brackets. The mechanical properties of 3D printed resins need to be improved before they can replace existing bracket materials and be used routinely in the clinic.
Keywords: 3D printer, resin, orthodontic bracket, torque bending, finite element analysis