Mechanical behavior of dental training teeth and bovine dentin under motion-controlled dynamic cutting: A study using three-axis load measurement and SEM analysis

Abstract

Dental training teeth are widely used in preclinical education for practicing tooth preparation. These training teeth are manufactured from synthetic resins, which differ from natural teeth in terms of composition and mechanical properties. Although dental training teeth are commonly employed in educational settings many prior studies have examined only uniaxial cutting forces or conducted qualitative assessments, which may not adequately represent the mechanical complexity of clinical procedures. To address these limitations, this study aimed to quantitatively evaluate the cutting force characteristics of dental training teeth and bovine dentin using a custom-built three-axis force measurement system under simulated cavity preparation movements. A computer-controlled dynamic cutting system with a three-axis load cell was used to measure cutting forces during cutting movements: vertical-downward (1.5 mm), horizontal (6 mm), and vertical-upward (1.5mm), all performed at a feed rate of 1 mm/s with a bur rotational speed of 200,000 rpm (revolutions per minute). After cutting, scanning electron microscopy (SEM) was used to examine surface characteristics of the samples and the cutting burs. Statistical analysis was performed using one-way ANOVA followed by post hoc Tukey’s test. In vertical-downward movement, Nissin and Frasaco exhibited higher Fr values than bovine dentin (p < 0.001), with no significant difference between the two (p = 0.714). During horizontal movement, all training teeth demonstrated significantly higher Fr values than bovine dentin (p < 0.001), and pairwise comparisons among the training teeth also showed significant differences (p < 0.05). In vertical-upward movement, Frasaco and Genoss showed significantly higher Fr values than bovine dentin (p < 0.001), while no significant difference was observed between Nissin and Frasaco (p = 0.529). These results suggest that bovine dentin exhibited lower cutting resistance than dental training teeth across all tested movement directions. SEM analysis of carbide burs (×100 and ×300) revealed fine chipping and surface wear on the cutting edges after cutting Frasaco and Nissin, whereas no comparable wear was observed on burs used for bovine dentin. SEM analysis of the cut surfaces (×500 and ×1,500) revealed that dental training teeth exhibited micro-cracks, fractures, and debris accumulation, whereas bovine dentin demonstrated smoother surfaces with fewer defects and minimal debris. This study identified differences in mechanical behavior between dental training teeth and bovine dentin under motion-controlled dynamic cutting, as demonstrated by three-axis force measurements and SEM analysis. While dental training teeth exhibited higher cutting resistance and distinct surface damage, bovine dentin showed lower resistance and smoother features. This study provided quantitative evidence of mechanical differences between dental training teeth and bovine dentin under simulated dynamic cutting. These differences, confirmed through force measurements and SEM analysis, underscore the need for educators and students to acknowledge such material-specific responses during training. Rather than assuming equivalence with natural tissue, training exercises should be designed and approached with an understanding of these limitations, so that learners develop appropriate expectations and techniques in preparation for clinical practice.

전임상 치의학 교육에서 지대치 형성을 포함한 다양한 치아 삭제 술식을 재현하기 위해 치과 훈련용 치아가 널리 사용된다. 치과 훈련용 치아는 합성 수지 기반의 재료로 제작되며, 조성 및 기계적 특성에서 자연치와 차이를 보인다. 치과 훈련용 치아는 교육 환경에서 널리 사용되었으나 기존 연구들은 주로 단축 하중 기반의 절삭력 측정이나 정성적 분석에 국한되어 있어, 실제 임상 상황에서 나타나는 복잡한 기계적 반응을 충분히 반영하지 못하는 한계가 있다. 본 연구에서는 이러한 한계를 보완하기 위해, 임상 절삭 환경을 모사한 조건에서 치과 훈련용 치아와 우치 상아질 간의 절삭 저항 특성을 3축 힘 측정 시스템을 통해 정량적으로 평가하였다. 본 연구는 고속 치과용 핸드피스를 이용한 컴퓨터 제어식 동적 절삭 시스템과 3축 로드셀을 이용해 수직 하향 1.5 mm, 수평 6 mm, 수직 상향 1.5 mm의 세 가지 절삭 방향에서 절삭력을 측정하였으며, 모든 절삭은 이송 속도 1 mm/s, 회전 속도 200,000 rpm의 조건에서 수행되었다. 절삭 이후, SEM 분석을 통해 절삭된 시편의 표면과 사용된 절삭 버의 마모 상태를 관찰하였다. 통계 분석은 일원분산분석(one-way ANOVA)과 사후 Tukey 검정을 통해 수행되었다. 수직 하향 운동시 프라사코와 닛신이 우치 상아질보다 유의하게 높은 합력(Fr) 값을 보였으며(p < 0.001), 두 재료 간에는 유의한 차이가 나타나지 않았다(p = 0.714). 수평방향 운동시 모든 훈련용 치아가 우치 상아질보다 유의하게 높은 합력 값을 나타냈고(p < 0.001), 훈련용 재료 간의 쌍 비교에서도 유의한 차이가 관찰되었다(p < 0.05). 수직 상향 운동시 프라사코와 제노스가 우치 상아질보다 유의하게 높은 합력 값을 보였으며(p < 0.001), 프라사코와 닛신간에는 유의한 차이가 없었다(p = 0.529). 이와 같은 결과는 조건이 통제된 동적 절삭 조건에서 재료별 절삭 저항성에 차이가 있음을 정량적으로 확인하였다. 이 결과를 통해 우치 상아질이 모든 절삭 방향에서 상대적으로 낮은 절삭 저항을 나타냄을 시사한다. 버에 대한 SEM 분석 결과(×100 및 ×300), 프라사코 및 닛신 치과 훈련용 치아를 절삭한 후의 카바이드 버에서는 미세한 파절과 절삭날 마모가 관찰되었으나, 우치 상아질을 절삭한 버에서는 이와 유사한 마모가 나타나지 않았다. 절삭된 시편 표면에 대한 SEM 분석(×500 및 ×1,500)결과, 치과 훈련용 치아 3종에서 미세균열, 파절, 이물질 축적이 관찰되었으며, 우치 상아질은 상대적으로 매끄럽고 결함이 적은 표면 특성을 보였다. 본 연구는 컴퓨터 제어식 동적 절삭 시스템에서 치과 훈련용 치아와 우치 상아질 간의 기계적 거동 차이를 규명하였다. 치과 훈련용 치아는 상대적으로 높은 절삭 저항과 표면 손상을 보였으며, 우치 상아질은 낮은 절삭 저항과 더 부드러운 절삭면 특성을 나타냈다. 본 연구는 모의 동적 절삭 환경에서 두 재료 그룹 간의 기계적 차이에 대한 정량적 증거를 제공하였으며, 절삭 힘 측정과 SEM 분석을 통해 이를 확인하였다. 이러한 재료 기계적 특성의 차이는 교수자와 학생이 교육 과정 중에 반드시 인식해야 할 요소로, 단순히 자연치와 동등하다고 가정하기보다는 이러한 한계를 이해하고 교육 실습을 설계하고 수행하여 학생이 임상 실습에 대비하여 적절한 기대치를 갖고 훈련하여 임상 환경에 효과적으로 대비할 수 있도록 해야 할 것이다.