적층 가공(additive manufacturing)은 3차원(three-dimensional, 3D)으로 모델링한 데이터 및 스캔 형상을 적절한 소재를 이용하여 한층 한층 쌓아 올려 3D로 형상을 제작하는 기술을 일컫는다[1]. 국제표준화기구(International Organization for Standardization)와 미국재료시험학회(American Society for Testing and Materials International)에서는 2015년에 적층 가공이란 용어를 공식적으로 인정하였으나[2] 대중적으로는 3D 프린팅이란 용어를 친숙하게 사용하고 있다[3].

치과 분야의 디지털화와 관련하여 환자 구강을 스캔하는 구강 스캐너(intraoral scanner)의 도입으로 빠르게 데이터 전송이 가능해졌고, 컴퓨터를 사용한 보철 디자인 과정과 제조 방식은 기존의 작업 단계를 상당히 줄여주는 효과를 가져왔다[4]. 3D 프린팅을 중심으로는 디지털 덴티스트리(digital dentistry) 기술이 발전되고 있고, 기존 SLA (stereolithography apparatus)와 같은 3D 프린팅 기술의 특허가 만료되면서 더 많은 기술 개발과 제품이 소개되고 있다[5].

3D 프린팅은 적용하는 소재나 방식에 따라 분류될 수 있는데, 치과용 3D 프린팅 기술에 이용되는 소재는 매우 다양하고 그 범위가 넓지만 크게 고체, 분말 그리고 액체로 구분된다. 고체 형태는 고체 필라멘트에 열을 가해 압출하는 방식으로 적층하는 fused deposition modeling 방법이 대표적으로 알려져 있고 장비와 소재가 저렴하다는 장점이 있으나, 치과용으로 사용하기에 품질이 다소 낮고 보철로 사용하기에 알맞은 소재가 거의 없다는 한계가 있다[6].

선택적 레이저 소결 기술(selective laser sintering)은 금속분말과 레이저를 사용하는 방식으로 기존 주조방식을 이용하던 금속-도재 보철(porcelain fused to metal)이나 부분 의치(partial denture)의 금속 프레임(metal frame)을 제작하거나 금속관(metal crown)을 제작하는데 적용되고 있다[7]. 정확도가 높아 정밀한 제작을 요구하는 부품 등에도 사용하고 있으나, 장비와 소재가 고가이며 대부분 수입에 의존하면서 유지 관리가 쉽지 않다는 한계가 있다.

현재 가장 많이 사용되는 액체 타입의 소재는 광중합 레진으로, UV (ultraviolet)에 반응하여 경화되는 성질인 광중합 레진에 UV를 조사하여 적층하는 방식이다. 빠른 출력 속도와 우수한 정확도를 가지면서 치과용으로 사용하기에 적합한 소재와 대중적인 가격으로부터 최근 사용 빈도 및 관심이 지속해서 증가하고 있다[8]. 특히 광중합 레진은 임시 수복용[9], 의치상 제작용[10], 수술 가이드용[11], 교정장치 및 교정 모형 그리고 치과 모형[12] 등 용도에 따른 적용 범위가 매우 넓어 사용 목적에 따라 세분화하여 선택적으로 사용하고 있다.

광중합 방식의 종류로는 SLA, DLP (digital light processing) 그리고 LCD (liquid crystal display) 방식이 소개되고 있다. SLA는 레진에 UV를 선택적으로 조사함으로써 적층하는 방식이다. 레이저 스팟(spot) 크기에 따라 정확도에 차이가 있으나 DLP와 LCD 방식에 비해 출력 시간이 오래 걸린다는 한계가 있다[13]. DLP 방식은 디지털 프로젝터를 사용하여 한 레이어 전체를 동시에 적층하는 방식이다. LCD 역시 프로젝터에서 조사된 빛을 이용하여 한 층을 적층하는 방식이나 DLP와의 차이점은 DLP는 프로젝터에서 상을 만들어서 출력하는 반면 LCD는 광경화성 빛을 전체 면적으로 조사하되 레진 수조와 light emitting diode 스크린 사이에 존재하는 LCD에서 출력 영역을 제외한 나머지 영역을 마스킹하여 빛을 차단해준다는 차이가 있다[14]. 즉 DLP는 빛이 조사되는 과정에서 외곽 부분에 픽셀의 왜곡이 생길 수 있으나 LCD는 이러한 문제가 없다. 나아가 DLP와 LCD 방식 모두 픽셀의 크기에 따라 결과물의 질이 달라지는데 픽셀의 크기가 작을수록 적합도는 우수하다. 최근에는 2K에서 4K를 넘어 8K까지도 출시되고 있는데 여기서 K는 해상도를 의미하며 숫자가 커질수록 해상도는 좋아지게 된다[15]. LCD는 다른 광중합 방식에 비해 가격이 저렴하고 우수한 해상도를 가지면서 많이 소개되고 있으나[16], LCD 프린터에 대한 연구는 매우 미비한 수준이다.

Park 등[17]은 다양한 3D 프린팅 장비와 소재가 국내에서 제조되거나 국외에서 수입되어 임상에서 사용되고 있으나 해당 제품들에 대한 평가는 매우 미비함을 언급하였고, Park과 Bae [18]도 개발되고 있는 3D 프린팅용 소재를 임상에서 광범위하게 사용하기 위해 출력물의 정확도와 3D 프린터의 해상도 및 출력 속도 등 다양한 분석이 필요함을 언급하였다. Bagheri와 Jin [19]도 높은 출력 해상도를 얻기 위해서는 사용하는 광경화성 출력 조건과 재료가 중요함을 언급하였다.

더불어 수입에 의존하고 있는 실정에서 국내 기술로 개발된 장비에 대한 연구는 국내 치과기공 기술을 잘 반영할 수 있다는 점에서 중요한 의미를 갖는다. 본 연구에 이용된 LCD 장비는 국내 기술로 개발된 제품으로 현재 대중적으로 쓰이고 있는 DLP 장비와의 분석을 통해 국내 적용 가능성을 평가하고자 한다. 따라서 본 연구에서는 두 가지 광중합 적층 가공 방식으로 제작된 전치와 구치 단일 치아의 정확도를 3D 분석 방법으로 비교하여 임상적 적용 가능성을 분석하고자 한다. 본 연구의 귀무가설은 두 가지 광중합 적층 방식으로 제작된 단일 치관보철의 적합도에 차이가 없다는 것이다.

1. 지대치 시편 선정

본 실험에서 사용한 치아 모델로는 프렙된 상악 우측 중절치와 하악 우측 제1 대구치(ANA-4; Frasaco)를 선정하였다(Fig. 1). 이후 치과용 모델링 프로그램(E4; 3Shape)을 사용하여 상부 단일 치관보철을 디자인하였고, 두 치아 모두 50 μm의 내면 공간을 주었으며 최종 디자인이 마무리된 후 STL 파일 포맷(stereolithography file format)으로 추출하였다(Fig. 2).

Figure 1. Anterior single-crown teeth (left) and posterior single-crown teeth (right).

Figure 2. Anterior single crown (left) and posterior single crown (right).

2. 3D 프린팅

두 가지 광중합 방식의 3D 프린터를 이용하여 광중합 소재로 전치부와 구치부 싱글 치형과 치관보철을 각 10개씩 총 40개의 치형과 치관보철을 출력하였다(Table 1, Fig. 3).

Table 1 . Equipment and materials used in the experiment.

Group	LCD (n=10)	DLP (n=10)
Equipment (model; manufacturer)	OnDemand3D 4K 3D printer; Cybermed	Asiga MAX UV; Asiga
Material (model; manufacturer)	C&B Permanent; ODS	Freeprint Temp; Asiga

LCD: liquid crystal display, DLP: digital light processing..

Figure 3. 4K three-dimensional (3D) printer (OnDemand3D; Cybermed) (left) and 3D printer (Asiga Max UV; Asiga) (right).

LCD 3D 프린터는 슬라이스 소프트웨어(Chitubox 1.7.0; Chitubox)를 이용하여 추출한 STL 치형 파일과 치관보철 파일은 빌드 플랫폼에 위치시키고 각 10개씩을 50 μm의 적층 두께로 출력하였다. 출력이 완료된 후 출력물들을 isopropyl alcohol (Isopropyl alcohol bulk; 동그라미과학)에 15초 정도 담근 후 전용의 세척기(Cyber Washer; Cybermed)를 사용하여 세척하였다. 세척이 완료된 출력물은 UV 경화기(Cure Box; ODS) 제조회사의 권장에 따라 7분 동안 후경화 처리하였다.

DLP 군도 슬라이스 소프트웨어(Asiga Composer 2.5.5; Asiga)를 이용하여 위와 같은 방식으로 출력한 후 세척 및 후경화 처리하였다.

3. 3D 적합도 분석

본 연구에서는 3D 분석법을 이용하여 출력된 치관보철의 적합도를 분석하기 위해 출력된 치관보철과 치형을 치과용 스캐너(E4)로 스캔하였다. 치형과 치관보철의 내면 그리고 외면의 형태를 각각 비교 분석하기 위하여 세 부분으로 구분하여 스캔하였고 모든 스캔 된 데이터는 최초 데이터와 중첩하여 3D 분석(Geomagic Control X; 3D Systems)을 실시하였다. 3D 분석 시 정렬은 베스트 핏 정렬(best fit align)을 사용하고, 적합도 평가를 위해 제곱평균제곱근(root mean square, RMS) 값을 계산하였다. RMS에서 x¹은 기준 데이터의 측정 포인트를 뜻하며, x²는 스캔 된 데이터를 뜻한다. n은 측정 포인트의 총수를 뜻하며 RMS 값이 작을수록 3D 분석의 일치도는 높은 것으로 평가한다[20].

4. 통계분석

각 그룹 간에 유의한 차이를 비교하기 위해 측정된 RMS 값을 통계 프로그램(IBM SPSS Statistics ver. 22.0; IBM)을 이용하여 기술통계 및 일원배치 분산분석(one-way ANOVA test) 후 Tukey의 사후분석을 실시하였으며, 유의수준은 0.05로 설정하였다.

LCD와 DLP 방식으로 제작한 단일 치관보철의 적합도를 측정한 결과는 Table 2와 같다. 등분산 검정 결과 전치부에서는 F값이 0.656이고 유의확률이 0.421로 0.05보다 크므로 등분산은 가정되었고, 구치부에서도 F값이 0.562이고 유의확률이 0.457이므로 등분산은 가정되었다. 전치부의 RMS 평균값은 DLP 군에서 41.89±12.33 μm, LCD 군에서 42.59±10.94 μm로 LCD 군이 높았으나 유의한 차이는 없었다(p>0.05). 구치부에서는 LCD 군이 42.30±16.66 μm, DLP 군이 43.29±18.03 μm로 DLP 군이 높았으나 통계적으로 유의하지는 않았다(p>0.05).

Table 2 . Root mean square analysis results of single crowns fabricated by 2 three-dimensional printing methods (unit: μm).

Teeth classification	LCD		DLP	p-value
	Mean±SD		Mean±SD
Anterior teeth (n=10)
Inside	43.39±8.51		32.61±7.58	<0.001
Outside	50.49±6.10		40.23±6.69	<0.001
Prepared teeth	33.89±6.01		52.83±6.74	<0.001
Mean	42.59±10.94		41.89±12.33	0.378
Posterior teeth (n=10)
Inside	25.90±6.52		23.55±5.47	0.821
Outside	64.15±11.71		52.48±9.77	<0.001
Prepared teeth	36.86±6.61		53.85±7.39	<0.001
Mean	42.30±16.66		43.29±18.03	0.405

Levene's test result: anterior teeth; F=0.656, p=0.421, posterior teeth; F=0.562, p=0.457..

LCD: liquid crystal display, DLP: digital light processing, SD: standard deviation..

단일 치관보철을 내면과 외면 그리고 치형으로 구분하여 비교해보았다. 전치부에서는 DLP 군의 내면이 32.61±7.58 μm로 가장 낮았으며, LCD 군에서는 43.39±8.51 μm로 DLP보다 높았으며 통계적으로 유의하였다(p<0.05). 전치부 외면에서는 DLP 군이 40.23±6.69 μm, LCD 군이 50.49±6.10 μm로 낮았고 통계적으로 유의하였다(p<0.05). 반면 치형에서는 LCD 군이 33.89±6.01 μm, DLP 군이 52.83±6.74 μm로 LCD 군이 낮았으며 통계적으로 유의하였다(p<0.05).

구치부 내면에서는 DLP 군이 23.55±5.47 μm, LCD 군이 25.90±6.52 μm로 DLP 군이 낮았으나 통계적으로 유의한 차이는 없었다(p>0.05). 외면에서는 DLP 군이 52.48±9.77 μm, LCD 군이 64.15±11.71 μm로 DLP 군이 낮았으며 통계적으로 유의하였다(P<0.05). 치형에서는 LCD 군이 36.86±6.61 μm, DLP 군이 53.85±7.39 μm로 LCD 군이 낮았고 통계적으로 유의하였다(p<0.05).

3D 분석 결과에 대한 이미지를 color difference map으로 나타낸 결과는 Fig. 4와 같다. 공차 범위는 ±50 μm로 설정하였는데, 공차 범위는 오차가 색으로 표현되는 스펙트럼에서 ‘공차 범위 내’의 값은 녹색으로 표현되며, 공차 범위를 벗어난 양의 오차는 빨간색 그리고 음의 오차는 파란색으로 표현되는 기준이 된다. 양의 오차와 음의 오차가 우각 부위나 교두 부분 등에서 나타났고, 특히 전치부 설면과 구치부 교합면에서 양의 오차가 나타나는 양상을 보였다.

Figure 4. Three-dimensional (3D) analysis result image of anterior and posterior teeth fabricated by 3D printer. LCD: liquid crystal display, DLP: digital light processing.

본 연구에서는 LCD와 DLP 방식으로 제작한 전치부와 구치부 단일 치관보철의 적합도를 3D로 비교하여 임상적 허용 가능성을 평가하고자 하였다. 3D 분석법은 기준이 되는 데이터에 스캔 된 데이터를 중첩해 적합도를 확인하는 것으로 시편의 손상 없이 평가할 수 있으며, 오차의 양상을 시각적으로 확인할 수 있다는 장점이 있다[21]. 분석 결과 두 방식으로 제작된 전치부와 구치부의 평균값에서 모두 통계적으로 유의하지 않아 귀무가설은 채택되었다. 그러나 내면과 외면 그리고 치형으로 구분하여 비교한 결과에서는 부위별로 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다. 내면과 외면은 DLP 군에서 오차가 적었으나 치형에서는 LCD 군에서 오차가 적었다. 적합도는 3D 프린터로 제작된 치과 보철물이 임상에서 안정적으로 적용될 수 있는지를 평가하는 중요한 요소로 적합도가 낮은 경우 2차 우식증이나 교합 이상을 초래할 수 있으므로 반드시 높은 적합도를 가져야 한다.

여러 연구에서[22,23] 3D 프린팅으로 제작된 보철물의 임상적으로 허용할 수 있는 수치를 120 μm로 보고 있으나, 3D 프린터마다 <100 μm에서 >500 μm까지 매우 다양한 정확도를 나타내고 있었다[24]. 그러나 3D 프린팅의 기술력은 나날이 발전하고 있으며, 높은 생존율을 가져가기 위해서는 이보다 더 높은 적합도를 요구하는 방향이 제시되어야 한다. Persson 등[25]과 Att 등[26]은 디지털로 생성된 수복물의 임상적 허용 수치가 50~100 μm 범위 아래로 떨어져야 한다고 하였다. 이러한 상황에 맞게 본 연구에서도 임상적 허용 수치를 100 μm로 설정하였다.

Computer-aided design/computer-aided manufacturing을 적용한 연구에서 내면 접합제 공간은 50 μm, 100 μm, 150 μm 그리고 200 μm 등 다양하게 부여하고 있는데, Gonzalo 등[27]의 연구 결과를 참고하여 50 μm를 본 연구의 내면 접합제 공간으로 설정하였다.

본 연구에서 분석된 전치부와 구치부의 내면, 외면 그리고 치형의 RMS 값은 최소 23.55 μm에서 최대 64.15 μm로 나타나 임상적으로 허용가능한 것으로 나타났다. 이는 최근 연구되는 있는 3D 프린팅으로 제작된 치관보철에 관한 적합도 연구와도 유사하다. Son 등[28]은 3D 프린팅으로 출력된 치아에서 SLA 23.6 μm, DLP에서 29.0 μm를 보였으며, 또 다른 연구에서도 24.91 μm의 정확도를 보였다[29]. Moon 등[30]의 연구에서는 2본 교의치에서 DLP가 약 90 μm, LCD가 약 100 μm의 RMS 값으로 측정되어 본 연구에 비해 오차가 큰 것으로 나타나는데, Moon 등[30]은 수복물의 크기가 커질수록 부정확해진다고 언급함에 따라 본 연구결과보다 높은 오차가 나타난 것은 단일치관보철과 교의치 치관 보철의 면적 차이에 의한 것이라고 사료된다.

Color difference map의 결과에서 양의 오차가 두드러지게 나타난 곳은 전치부 설면과 구치부 교합면이었는데, 이는 좁고 깊은 부분의 영역의 출력 재현성이 낮고 지지대를 교합면에 부착함으로써 생긴 오차로 사료된다. 이는 Park과 Kang [31]의 연구와도 일치하는데, 교합면의 오목한 부위에서 양의 오차가 나타났고 이것은 교합면 부위에 제작한 지지구조물로 인해 야기된 것이라고 언급하였다.

본 연구에서는 치관보철의 외형과 내면 그리고 치형을 구분하여 비교하였는데, 3D 프린팅 출력 시 수축이나 변형 등의 오차가 발생되는 부위에 차이가 있기 때문이다. 이러한 오차는 3D 프린팅 기술의 특성상 출력할 당시의 조건에 영향을 받을 수 있다. 출력 각도나 적층 두께, 적층 시간, 지지대의 위치 등의 출력 조건은 출력물의 정확도에 영향을 주는 것으로 조사되고 있으며, Kim 등[32]도 프린터의 종류나 모델의 형태, 레이어의 두께 그리고 프린팅 방향에 따라 3D 프린팅의 정확도가 달라짐을 보고하였다. 따라서 3D 프린팅 출력 조건에 따른 분석에 대해서도 추가적인 연구가 필요할 것이다.

본 연구는 단일 치관보철로만 평가하였기 때문에 연구 결과를 일반화하기에는 한계가 있다. 그러나 높은 정확도를 요구하는 치관 보철에 대해 외형과 내면 그리고 치형을 각각 비교했다는 점에서 본 연구는 의미가 있다고 사료된다. 추후에는 다양한 조건을 고려하여 치과용으로 이용되는 3D 프린팅 보철물의 정확도를 높이기 위한 연구가 지속되어야 할 것이다.

본 연구 결과 LCD와 DLP 방식의 3D 프린터로 제작된 단일 치관 보철의 오차는 모두 100 μm 이내로 나타남에 따라 임상적으로 허용 가능하다는 것이 본 연구의 결론이다.

None.

This work was supported by 2023 Bucheon University Research Grant.

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.