Comprehensive Analysis of the Influence of Preparation design based on Total Occlusal Convergence, Margin shape, Crown height, and Auxiliary groove on Stress distribution and Stability of Full-coverage crown in the posterior area. A Finite Element Analysis and In-Vitro Study

Abstract

Purpose: The purpose of this study was to evaluate the influence of tooth preparation design factors such as total occlusal convergence (TOC), finish line design, crown height, auxiliary grooves, margin parallelism, and diverse loading direction on the stress distribution and stability of mandibular full-coverage crowns using both finite element analysis (FEA) and in vitro testing. Methods: A three-dimensional finite element analysis (FEA) model of a monolithic zirconia crown was developed based on a mandibular first molar. Tooth preparation designs varied by three crown heights, three types of finish line, presence of auxiliary grooves and marginal parallelism, and four different TOC, resulting in 35 different preparations. Multiple loading directions, both vertical and oblique, were simulated at a force of 200N. Select groups underwent in-vitro testing to validate FEA results, using a universal testing machine (UTM) to assess pull-out and occlusal loading strengths. Statistical analysis was performed, with significance set at p<0.05. Results: The finite element analysis revealed that increasing the TOC and crown height significantly impacted stress distribution. Stress values ranged from 471 MPa to 3617 MPa, with higher stress observed at 30° TOC, especially under oblique loading. The addition of a 1mm margin parallel (MP) reduced stress at higher TOC. Chamfer finish lines demonstrated the best mechanical performance, showing the lowest stress levels, while deep chamfer and vertical finish lines generated higher stress concentrations. The presence of auxiliary mesial grooves and taller crowns improved pull-out strength and reduced stress levels, especially at higher TOC. In-vitro testing corroborated these findings, demonstrating that the addition of MP and grooves enhance retention and reduce stress under both occlusal load and pull-out strength. Conclusions: Tooth preparation design factors, including TOC, finish line design, crown height, marginal parallelism, and auxiliary grooves, play crucial roles in optimizing stress distribution and mechanical performance of full-coverage crowns in the posterior area. The modification of preparation design by adding 1mm of margin parallel (MP) mitigates stress at higher TOC, and chamfer finish lines, and taller crowns improve crown retention and strength. Auxiliary grooves further reduce stress at higher TOC.

본 연구의 목적은 유한 요소 분석과 In-vitro실험을 통해, 지대치 형성 디자인-수렵각, 변연형태, 지대치 높이, 유지구- 이 다양한 하중 방향에서 구치부 단일 크라운에 응력분포와 안정성에 미치는 영향을 평가하는 것이다. 연구의 실험군은 유한요소 분석 (FEA) 과 In-vitro 실험으로 나뉘었다. 하악 우측 제1대구치를 기반으로 단일구조 크라운을 디자인하여 (Fusion 360, Autodesk) 3차원 응력분포를 관찰하고, 뒤이어 pull-out 및 교합력을 관찰하였다. 총 6가지의 load case들을 생성하였다 (200N). FEA에 대한 결과를 분석한 뒤, In-Vitro Study Groups를 선정하였다. 만능시험기(UTM, Instron)를 사용하여 두가지 시험을 진행하였다. 첫번째로는, Pull-out test를 시행하기 위해 시편 교합면에 링을 추가해 전용 jig를 이용하였다. 두번째 시험은 시편을 30도로 설정하고 압축력 jig를 이용하여 하중을 가하여 교합력이 크게 감소할시 시험을 중단하였다, 뒤이어 크라운이 탈락되지 않은 시편들은 Pull-out test를 진행하였다. FEA 와 In-Vitro를 함께 진행한 연구가 매우 드믈고, 이전 연구에서는 하중 방향을 한가지로 설정한 연구가 더 많으며, 본 연구는 다양한 프렙 디자인 요소 및 다양한 하중 방향을 분석하였다. 본 연구결과에 따르면, 수렴각, 변연형태, 지대치 높이, 유지구를 포함한 다양한 지대치 형성 디자인 요소들이 단일 크라운의 응력 분포와 크라운 안정성을 최적화하는 데 중요한 역할을 하는 것으로 보인다. 프렙 디자인을 수정하여 1mm의 margin parallelism을 추가하면, 더 높은 수렴각과, chamfer 변연형태, 그리고 더 높은 지대치에서의 응력을 완화하여 크라운의 응력 분포와 안정성을 향상시키며, 또한, 유지구(mesial groove)는 더 높은 수렴각에서의 응력을 추가로 감소시킨다.