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天然歯と審美修復材料 天然歯と審美修復材料
技術レポート 技術レポート
Vol. 1
Vol. 1
匠から科学へ、そして医学への融合
1. はじめに
2. 天然歯と歯冠修復材料
3. 審美修復歯冠
3.1 メタルセラミックシステム 3.2 硬質レジンによる修復歯冠
4. 人工歯根
2 3 5 5 6 7
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目 次
２. 天然歯と歯冠修復材料
人の歯の断面を図１に示した1)．外側がエナメル質で内側が象牙質で構成されている．
エナメル質は，ハイドロキシアパタイト（塩基性リン酸カルシュウム：Ｃa10(PO4)6）が主体の 無機質（96～97％）が占め，残りはケラチンに類似したタンパク質（エナメリン）からなる有機と水 分で，微量のCO32-，Ｆ-，Ｍg2+，Na+なども含まれていると言われている．30×90×1000nm位の 微細なアパタイト粒子からなる直径が約5μm程度のエナメル小柱が存在するが，ほぼ全体が 半透明性を示す．
象牙質は，ハイドロキシアパタイト（70％）(Nd=1.64)，コラーゲンを主体とする有機物
（18％）および，水分（12％）で構成されている．ハイドロキシアパタイトの結晶性はあまりよく なく，粒子の大きさは30×40×100nm位である．象牙細管（直径1～2μm，約2～4万本／
mm2）の屈折率は1.6であるのに対して，象牙細管中の組織液の屈折率が1.3と低いために，入射光は 円形状に散乱され，乳濁度が高い．
図２は，天然歯のエナメル及び象牙質における光に反射と透過を模式で示した．半透明性のエナメル 質（Ｎd≒1.6）には微粒子が含まれており，半透明性で，正反射（＝表面反射）は約5％であるが，内
１. はじめに
我が国は，今後更なる高齢化社会を迎えるに当たって，社会保障，福祉・教育施設，余暇施設など が整備され，高齢者が快適に幸せな日常生活できる方向を目指している．
上記のハードが充実し生活環境がいかに良好に改善されても，加齢，う蝕やけがなどによる歯牙の 欠落は，他の骨や筋肉質の傷病とは根本的に異なり，再生が困難な状況下にある．
そこで，人工的な補修が行われており，古くは木材，人骨，象牙，石材，金，銀，銅，鉄と言った ものも使用されたという歴史がある．
最近の我が国の歯科材料出荷統計（金額：総額950億円）によると，金属材が51％，有機系を主 とする印象，充填，接着，義歯床材が20％，インプラント材とその上部構造（24万本）が14％
を占めており，金属以外の人工歯と歯冠材料は8％である．このように金属（主に貴金属）が汎用 されているのは，修復歯に関わる各部位は複雑な形状をもち，その形状再現法はワックスパターン
→鋳造法に限られており，機械的耐久性と安全性を考慮するとこれまでに他の材料で充当できな かったからである．
さて，歯科材料の現状はともかくとして，歯牙は単に食物の咀嚼，つまり生命保持に必要な養分の 獲得を通じて健康保持に役割するという側面にとどまらず，発声や顔貌のスマイルラインなど，社会 生活におけるコミュニケーションに重要な役割を果たしている．昨今では，歯牙修復は食物の咀嚼や 発声と言った実利的要素に加えて，若年層も含めて審美性（天然歯の外観再現，スマイルラインな ど）が重要視され，外観に使用した金属製歯冠は希になっている．
従って，歯牙修復用の材料では，咀嚼，発声と言った実利的機能に加えて，外観の審美性が重要な 課題となっており，天然歯が持つ諸機能の再現を可及的に求め続けていかなければならない．つま り，合理化，省力化が出来，そして精度，生体親和性，審美性，更には資源の点も考慮された人工歯 用材料が望まれている．
一方，セラミックスは，従来のもろい，成形寸法性が悪いと言った欠点が解決の方向にある．また，
酸化物系セラミックスは安全で生体親和性に優れていることから歯科用材料に適している．歯科にお ける周辺を含めると多種・多用途のセラミックス製品が開発・販売されている．現在使用されている 歯科用セラミックスは，歯冠（クラウン），歯根（インプラント），埋没材及びセメント類である が，主題は歯冠材料であろう．修復歯冠は，その天然歯の外観再現が課題で，エナメル質の半透明性 と着色性が必須であるために，ガラス材が多量に使用されている．
図２ エナメル質と象牙質における光の反射と透過の模式図 図１ 人の歯の構成
歯 肉
セメント質 シャーピー繊維束
歯頸部
歯髄腔
歯槽骨
歯根膜 象牙質
エナメル質
歯 冠
歯 根
セメント質
根尖孔
歯根膜 歯髄腔 歯槽骨
歯 肉 シャーピー繊維束 象牙質 エナメル質
歯頸部 歯 冠
歯 根
エナメル質 拡散反射
正反射 入射光
直接透過 拡散透過
入射光 正反射
象牙質
拡散透過
直接透過 拡散反射
― 2 ― ― 3 ―
天然歯と審美修復材料
山本貴金属地金株式会社 工 学 博 士 星 川 武
g，硬度，摩耗性が天然歯に近い
h，生体安全性に優れている（僞害性など）
i， 消毒が出来る j， 修理，改造が出来る
k，積層状の形成作業が出来ること（レジンではゴム粘土程度の造形性）
l， 長期にわたって変色しない（化学的耐久性）
m，貴金属製フレーム（歯台）との接着性に優れる
（セラミックでは熱膨張計数のマッチング，レジンではプライマーと重合収縮率）
これまでに貴金属合金が汎用されているのはa)，b)，c)をほぼ満足するからである．しかし生活レ ベルの向上に伴い，金属色調の不自然さが問題になってきた．
他方，古くから使用されてきた陶歯は，化学的安定性に優れており，しかも半透明性と天然歯と同 様に着色した外観を表現できる．従って，欠落歯の代替えに優れているが，既存歯との連結強度に課 題が残る．また，修復部位が薄い場合には咬合圧に耐えられない．そこで，連結などの強度を金属フ レームに依存し，フレーム表面に陶歯材料を焼き付けした「セラミック焼付金属義歯冠」が世界的に 普及している．
３. 審美修復歯冠
歯科用製品には周辺を含めると多種・多用途の製品が使用されているが，それらの中心は歯牙修復用 の歯冠材料である．修復歯冠では，歯の食物咀嚼機能回復に必要な機械的強度は当然のこととして，天 然歯との外観（彩り＝審美性）の再現が重要な課題となっている．
現在，審美性と機械的強度を併せ持つ歯冠材料として，無機ガラスと結晶粒子が複合された「セラ ミック」及び高分子に無機質フィラーが複合された「レジン」がすでに発売されている．「セラミッ ク」は歯牙形成に高温度（約900℃）作業を必要とするが，「レジン」は常温作業で対応できる利便性 を持っている．
修復歯冠は審美性（天然歯が醸し出す透明感と彩り）の発現が最重要課題となっているために，歯冠 用材料には有色顔料が使用され，微妙に異なる多種多様な着色が施されている．従って，それらの基材 は，食物咀嚼に耐える機械的強度と化学的耐用性の他に，着色を自在に調整できる透明性が必須の保有 すべき特性である．
３.１ メタルセラミックシステム
歯冠の審美修復は，セラミックス焼付金属義歯冠で始まった．修復歯冠の構成を図３（左）に示し た．咬合や義歯間における耐力は貴金属製鋳造物（コアまたはフレーム）に依存し，フレームを隠蔽す るために乳白度が高いオペーク（O層）を塗布，その上に象牙色を持つデンティン（Ｄ層）とエナメル 色（Ｅ層）を重ねて焼き付けた構成となっている．実際に作製された審美修復歯冠の写真を図３（右）
に示したが，天然歯がよく再現されていることが分かる．
使用されるセラミックは，世界的に見ても，微細なリューサイト結晶（白榴石：4SiO2・Al2O3・ K2O）を分散した結晶化ガラスの粉末で，天然歯に似た透明感と色調に調整されており，さらにその粉 末は塗布・築盛・焼付けによる歯冠形状形成能をもっている．この審美修復歯冠は，我が国では非保険 部の微粒子による散乱光が反射と透過の両光に含まれる．この微粒子による散乱は，なぜ空が青いかで
知られる微粒子によるレイリー散乱(Mie散乱を含む)で，青白い反射光と橙色の透過光（オパール効 果）として観測される．濁度が高い象牙層は，比較的大きな粒子による散乱光が強く，白濁として視認 される．天然歯では淡いブラウン色を中心とした色調が観察されるが，象牙質の色である．
天然歯の外観（審美性＝彩り）は，表面反射，色調を持った象牙層で散乱された後エナメル層を透 過した光，即ち深さが視覚されたものである．この彩りの視覚は，光源―歯―観察者間の相対的位置 に基づいて変化すること，及びその相対的位置が動的で視覚には残像が含まれる．さらに，我々の日 常生活環境はおおむね散乱白色光のもとにあるが，ブラックライト照明下では蛍光性が不可欠であり
（蛍光性を持たない修復歯は歯抜けに見える），ダイレクト照明下では散乱光（青白色）が強調され るなど，天然歯の審美性再現を複雑にしている．
上記した微粒子による光散乱，蛍光，色は，現在までに明らかにされている天然歯の色調について 述べたに過ぎない．天然のエナメル質及び象牙質は，生命体が造形した複雑な構造を有しており，自 然界特有の構造色2)（多層膜干渉や回折格子）を含んでいると考えられる．モルフォチョウの紫3)は 構造色である．イオンや分子で着色している染料や顔料は紫外線によって変色するが，構造色は形状 が破壊されなければ変色しない．近年科学技術が発展したが言え，天然歯の外観に関しその完全再現 にはほど遠い状況下にある．
天然歯の歯科理工学的諸物性を表１に示した．歯冠材はその強度としてエナメル質と同等以上の性能 が要求されるが，表を見る限りにおいてはセラミックスで困難な値ではない．つまり歯冠としての要点 は，その支台歯の複雑な形状と咬合する天然歯への適合性，食物の咀嚼，発声，更には審美性などの機 能を兼ね備える必要がある．従って，歯冠用材料は，機械的強度の他に下記のような多くの性能を具備 することが求められている7)．
a，形状再現（通常鋳造によるが，精度１％＝約±30μm以下）
b，研削及び形態修正が可能である（天然歯との形態調和）
c，口腔内で物理的，化学的に安定である d，支台歯と接着できる
e，咬合咀嚼に耐える機械的強さと靱性を持っている
f，天然歯の外観が再現できる（着色の自在性：可視光透過率 70%以上）
天然歯 象牙質
物性 レジン5）
セラミックス
フレーム材
ジルコニア6）
アルミナ6）
インプラント サファイア単結晶6）
68 460 26－190 1900 12.7－14.4GPa 2200
297 149 314－613 2700－3000 2100
51.8 24.8 48－88 380－440
（曲げ）
1200－2400
（曲げ）
406
18 69 350－400 196－255 400
0.0015 0.003 25－31W／mK 2.9－5.9W／mK 46W／mK
0.28 0.26 790－840J／kgK 420J／kgK
エナメル 343 384 10.3 84 0.0022
0.18
11.4 － 12
金合金 220 500 448 99 0.71 0.031
14.4 7.7－8.1 8.5－9.0 5.8－7.7 物性
硬さ（HV）
圧縮強さ（MPa）
引張強さ（MPa）
弾性係数（GPa）
熱伝導率（cal/sec /cm2/℃/cm）
比熱（cal/g/℃）
熱膨張係数
（ppm/℃）
表１ 天然歯及び歯冠修復材の物性 4)
― 6 ―
入射光がエナメル層→象牙層→象牙層→エナメル層を通過した結果である．
しかし，実際には入射角度が小さいと正反射光が大きくなり全反射に至る．又，入射光が弱いときに はオペーク層に達する光量が小さく，従ってエナメル層と象牙層からの散乱光を測定したことにな る．つまり，「どの深度（どの層）からの光をどの割合で観測するのか」によっても全く異なった色調 となる．さらに，天然歯の色調は，先の正反射光，透過光，散乱光，オパール光の他に，蛍光及び複屈 折光など照射光と異なる光の色が混じり合ったものであり，天然歯の審美性再現は複雑で困難となっ ている．
４. 人工歯根
1975年頃，京都セラミック㈱と川原らによって開発された多結晶質アルミナの人工歯根が臨床に 使用されたのが始まりである．その後1977年に単結晶アルミナが使われるようになり，強度的に向 上した．現在はチタンが主流である．
であるが，半永久的とされる耐用性から欧米で主流で汎用されている．このシステムは，患者→印象採 得（歯科医師）→義歯作製（技工士）のループにおける適合確認で歯冠が完成する．オーダーされたフ レームの蝋型に従って，鋳型作製→貴金属鋳造→セラミックの築盛→焼付による歯冠部形成などが歯科 技工士の手作業で行われる．この作業には，高温（900～1000℃）操作が６～７回必要なために量産性 に劣り，高価で汎用性システムとは言い難い．
３.２ 硬質レジンによる修復歯冠
近年，硬質レジン（高分子ーガラス質フィラー複合体）の発展がめざましく，咀嚼や口腔内環境に 耐える物性を有するものが出現した．この硬質レジンを用いた歯冠作製は，先のメタルセラミック
（図３）の場合と同様に貴金属製の鋳造フレームを使用し，プライマーを塗布乾燥後，セラミックスに代え て未重合レジンより成る乳白度が高いオペーク（Ｏ層）を塗布，その上に象牙色を持つデンティン
（Ｄ層）とエナメル色（Ｅ層）を重ねて塗布・築盛した後重合硬化するシステムである．硬質レジン の作業は常温で行えることから，セラミックの場合に比べてハンドリング性が大幅に改善され，我が 国では「保険対応修復義歯」として使
用されている．
修復歯冠（金属，Ｏ，Ｄ，Ｅの積層 体）における光の反射，散乱，透過の 状況を図４に模式で示した．積層体の 色調は，図中の拡散反射と正反射光に 対して色差測定を行って評価すること になる．一元的には，照射光は多少の 正反射と散乱を持つがその大部分がオ ペーク層に達した後に散乱反射する．
つまり，図中の拡散反射光の色調は， 図４ 審美修復歯における正反射と拡散反射の模式 図3 メタル（金属焼付）セラミックシステムによる歯牙修復物
構成
エナメル
デンティン
オペーク
メタル
修復物
正反射 入射光 拡散反射
エナメル質 象牙質 オペーク層 メタル層
― 7 ―
《参考文献》
１) 青木秀希， 丹羽滋郎編，「バイオセラミックスの開発と臨床」， p19-21，クインテッセンス出版㈱，
東京 (1987)
２) 木下修一， 吉岡伸也， 藤井康裕， 色材， 75， 493-499 (2002)
３) 例えば， 木下修一， 池田一彦， 川越健司， 平田久仁子， 生産と技術 , 52, 15 (2000)
４) 長谷川二郎， 平澤 忠， 高橋重雄編集「現代歯科理工学」, p20, 医歯薬出版㈱， 東京 (1996) ５) 平澤 忠， 内田馨子， 1999 月刊歯科技工別冊 , p20-27, 医歯薬出版㈱， 東京 (1999)
６) （社）日本セラミックス協会編：「セラミック工学ハンドブック（第２版）」， P1145 ～ 93 技報堂出版 東京 P1145 ～ 93 (2002)
７) 星川 武， ファインセラミックス , 6, 163-69 (1985)
工学博士 星 川 武（1939年生まれ）
1958 大阪市立工業研究所入所
1965 リューサイト質高熱膨張性ガラスセラミックスの研究開始
1978 「リューサイト質高熱膨張性ガラスセラミックスの研究」により， 大阪府立大学より工学博士を受領 1987 上記研究業績により， （社）日本セラミックス協会 技術賞他， 多数の賞を受領
1992 JIS R3102 改定委員長
1993 大阪市立大学工学部非常勤講師，ハンブルグ工科大学（独）で学術講演 1998 同研究所（研究主幹）を定年退職
1998 山本貴金属地金㈱に入社
現在 山本貴金属地金㈱ 研究開発センター 理事
関係団体 日本セラミックス協会正会員， 同関西支部幹事
ニューガラス研究会副会長
研究業績 リューサイト質高熱膨張性セラミックスに関する論文と特許 合計34篇 著 書 「リューサイト質高熱膨張性ガラスセラミックスの研究」(1978)
セラミックス工学ハンドブック， ガラスの事典などの分筆
《著者職歴》
編集者 安楽 照男 発行者 山本 隆彦
印刷所 株式会社 ウラノ 大阪 発行年月日 2004年12月13日
《技術レポート 既刊》
Vol.1 天然歯と審美修復材料（2004年12月）
営本 20041213
URL http://www.yamakin-gold.co.jp
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