Evaluation of the Impact of Different Access Cavity Designs on Stress Distribution and Biomechanical Preparation for Premolars: A 3D-FEA and Micro-CT Study
No Thumbnail Available
Date
2026
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Saudi Digital Library
Abstract
الخلفية: تُعدّ الأسنان المعالجة لُبّياً، ولا سيما الضواحك السفلية، عُرضةً بشكل كبير للكسر نتيجة فقدان البنية التاجية للسن. يهدف علاج عصب وجذور الأسنان طفيف التوغل إلى الحفاظ على العاج حول عنق السن لتعزيز مقاومة الكسر، إلا أن فعالية فتحات الحجرة اللبية التحفظية لا تزال موضع جدل فيما إذا بإمكانها تحقيق تنظيف كافٍ لقناة الجذر.
الهدف: هدفت هذه الدراسة إلى تقييم تأثير ثلاثة تصاميم مختلفة لفتحات الحجرة اللبية— كالفتحة اللبية الموجّهة بالتسوس (CDA)، والفتحة اللبية التحفظية (CAC)، والفتحة اللبية التقليدية (TAC) — على توزيع الإجهاد والتحضير الميكانيكي الحيوي في الضواحك الثانية السفلية، وذلك باستخدام تحليل العناصر المحدودة ثلاثي الأبعاد (FEA) والتصوير المقطعي المحوسب الدقيق (Micro-CT).
المنهجية: في تحليل العناصر المحدودة، تم إنشاء أربعة نماذج ثلاثية الأبعاد) سن سليم، فتحة حجرة لبية موجهة بالتسوس، وفتحة لبية تحفظية، وفتحة لبية تقليدية) من تصوير مقطعي مخروطي عالي الدقة (CBCT) لضاحكة ثانية سفلية. تم تطبيق حمل عمودي ثابت بمقدار 200 نيوتن، وتم تحليل توزيع إجهاد فون ميزس. أما في تحليل التصوير المقطعي المحوسب الدقيق، فقد تم استخدام 27 ضاحكة ثانية سفلية مخلوعة ثم تم توزيعها عشوائياً على 9 مجموعات (ثلاث لكل مجموعة) بناءً على تصميم الفتحات اللبية ونظام التحضير الآلي ( EdgeFile X7، XP-endo Shaper، Vortex Blue) بعد ذلك تم مطابقة صور ما قبل التحضير وما بعده لتقييم المفقود من حجم السن، والتوسع الذي طرأ على حجم القناة، وحجم الحطام المتبقي، والزيادة التي طرأت على مساحة سطح القناة. ثم تم تحليل البيانات باستخدام تحليل التباين الثنائي (ANOVA) على القيم المحوّلة لوغاريتمياً (α=0.05).
النتائج: أظهر تحليل العناصر المحدودة أن تصميم الفتحة اللبية الموجّهة بالتسوس (CDA) حقق أفضل أداء ميكانيكي حيوي، مع أقل إجهاد على المينا (91.724 ميجا باسكال). أما تصميم الفتحة اللبية التحفظية (CAC) فقد أدى إلى تركيزات إجهاد حرجة على المينا (508.915 ميجا باسكال)، في حين أنتج تصميم الفتحة اللبية التقليدية (TAC) أعلى إجهاد على العاج (89.299 ميجا باسكال). أظهر تحليل التصوير المقطعي المحوسب الدقيق عدم وجود فروق ذات دلالة إحصائية بين المجموعات فيما يخص المفقود من حجم السن، أو توسع حجم القناة، أو زيادة مساحة سطح القناة (p > 0.05). ومع ذلك، لوحظ تأثير رئيسي ذو دلالة إحصائية لتصميم الفتحات اللبية على حجم الحطام المتبقي (p = 0.040)، حيث تركت التصاميم التحفظية (CDA وCAC) كمية أكبر بشكل ملحوظ من حطام الأنسجة الصلبة مقارنةً بتصميم الفتحة اللبية التقليدية (TAC).
الاستنتاج: يوفر تصميم الفتحة اللبية الموجهة بالتسوس (CDA) سلامة ميكانيكية حيوية متفوقة من خلال تقليل تركيزات الإجهاد. وفي حين أن هذا الحفاظ على البنية يقيد بطبيعته التدفق السلبي للحطام ويضعف نظافة القناة عند استخدام الطرق التقليدية، إلا أنه يمكن التغلب على هذا القصور بنجاح من خلال التطبيق الإلزامي لتقنيات تنشيط سوائل التعقيم المتقدمة. من خلال دمج بروتوكولات التعقيم النشطة — مثل التعقيم المنشط بالليزر، أو التعقيم بالموجات فوق الصوتية السلبية (PUI)، أو أدوات الإنهاء التكيفية — يمكن للأطباء السريريين التعويض بفعالية عن غياب الوصول التاجي المباشر، وتحقيق كل من الفوائد الميكانيكية الحيوية للحفاظ على العاج والمتطلب البيولوجي المتمثل في التطهير الكافي.
Description
Abstract
Background: Endodontically treated teeth (ETT), particularly mandibular premolars, are highly susceptible to fracture due to the loss of coronal tooth structure. Minimally invasive endodontics aims to preserve pericervical dentin to enhance fracture resistance, but the efficacy of conservative access cavities in achieving adequate root canal debridement remains controversial.
Aim: This study aimed to evaluate the impact of three different access cavity designs—Caries-Driven Access (CDA), Conservative Access Cavity (CAC), and Traditional Access Cavity (TAC)—on stress distribution and biomechanical preparation in mandibular second premolars using 3D Finite Element Analysis (FEA) and Micro-Computed Tomography (Micro-CT).
Methodology: For the FEA, four 3D models (Intact Tooth, CDA, CAC, TAC) were generated from a high-resolution CBCT scan of a mandibular second premolar. A 200 N static vertical load was applied, and von Mises stress distribution was analyzed. For the Micro-CT analysis, 27 extracted mandibular second premolars were randomly assigned to 9 groups (n=3) based on access cavity design (CDA, CAC, TAC) and instrumentation system (EdgeFile X7, XP-endo Shaper, Vortex Blue). Pre- and post-instrumentation scans were co-registered to evaluate tooth volumetric loss, canal volume enlargement, remaining debris volume, and canal surface area increase. Data were analyzed using a two-way ANOVA on log-transformed values (α=0.05).
Results: FEA revealed that the CDA design exhibited the most favorable biomechanical performance, with the lowest enamel stress (91.724 MPa). The CAC design resulted in critically high enamel stress concentrations (508.915 MPa), while the TAC design produced the highest dentin stress (89.299 MPa). Micro-CT analysis demonstrated no statistically significant differences among the groups for tooth volumetric loss, canal volume enlargement, or canal surface area increase (p > 0.05). However, a statistically significant main effect of access cavity design was observed for remaining debris volume (p = 0.040), with the conservative designs (CDA and CAC) leaving significantly more hard tissue debris compared to the TAC design.
Conclusion: The Caries-Driven Access (CDA) design provides superior biomechanical integrity by minimizing stress concentrations. While this structural preservation inherently restricts passive debris flushing and compromises canal cleanliness when using conventional methods, this limitation can be successfully overcome through the mandatory implementation of advanced irrigant activation technologies. By integrating active irrigation protocols—such as passive ultrasonic irrigation, or adaptive finishing instruments—clinicians can effectively compensate for the lack of straight-line coronal access, achieving both the biomechanical benefits of dentin preservation and the biological requirement for adequate disinfection.
Keywords
علاج جذور الأسنان طفيف التوغل؛ الفتحة اللبية الموجّهة بالتسوس؛ الفتحة اللبية التحفظية؛ الفتحة اللبية التقليدية؛ الضواحك الثانية السفلية؛ تحليل العناصر المحدودة؛ التصوير المقطعي المحوسب الدقيق؛ التحضير الآلي لقنوات الجذر؛ حطام الأنسجة الصلبة؛ العاج حول عنق السن.