Journal of Technologic Dentistry 2024; 46(1): 1-7
Published online March 30, 2024
https://doi.org/10.14347/jtd.2024.46.1.1
© Korean Academy of Dental Technology
민지원, 김세연, 김재홍
부산가톨릭대학교 보건과학대학 치기공학과
Ji-Won Min , Se-Yeon Kim
, Jae-Hong Kim
Department of Dental Laboratory Science, College of Health Science, Catholic University of Pusan, Busan, Korea
Correspondence to :
Jae-Hong Kim
Department of Dental Laboratory Science, College of Health Science, Catholic University of Pusan, 57 Oryundae-ro, Geumjeonggu, Busan 46252, Korea
E-mail: kjhong@cup.ac.kr
https://orcid.org/0000-0002-2679-8802
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Purpose: The goal of this study was to determine the clinical acceptability of various cement space settings for the marginal and internal fit of a zirconia core manufactured using additive manufacturing.
Methods: The maxillary right incisor served as the master model. After scanning the maxillary right incisor with a dental 3D (three-dimensional) scanner, the stereo lithography file was created using different cement space settings of 40, 120, and 200 μm using computer-aided design software (Dental System 2018; 3Shape). The marginal and internal fit of the 3 groups were determined using the silicon replica technique. Measurement points were divided into the following three categories: margin, axial wall, and incisal. To ensure more accurate measurements, these three measurement points were divided into 8 points. The Shapiro-Wilk, one-way ANOVA, and Tukey’s honestly significant difference test (for all tests α=0.05) were the statistical analyses that were included in the study.
Results: The CS (cement space)-200 group had better marginal and internal fit than the CS-40 and CS-120 groups, and there were statistically significant differences at the marginal and incisal points, except for the axial wall points. CS-200 group, both marginal and internal fit were within 120 μm, which is the clinically acceptable value.
Conclusion: This study suggests that a 200 μm cement space setting is ideal for optimal marginal and internal fit of 3D-printed ceramic crowns.
Keywords: Additive manufacturing, Cement space, Marginal and internal fit, Silicone replica technique
수작업으로 제작되던 주조 제작법에서 이제는 디지털 기반의 CAD/CAM (computer-aided design/computer-aided manufacturing) 기술을 활용하여 보철물을 제작할 수 있게 되었다[1]. 치과 CAD/CAM 기술은 지대치 모형을 스캔하여 얻은 데이터를 이용하여 블록 형태의 재료를 절삭 가공하여 보철물을 제작하는 방식으로, 이전의 수작업으로 이루어진 주조 제작법보다 제작 시간이 짧게 소요되며 작업자의 실력에 따른 완성도의 차이가 크지 않다. 또한 CAD 소프트웨어를 사용하여 보철물의 외형 두께 및 시멘트 공간 값을 정확하게 입력하고 수정할 수 있어서 제작 과정에서 발생할 수 있는 오차를 줄일 수 있다. 그리고 물성이 균일하며 추후 수정과 재제작이 용이하다는 장점도 있다. 그러나 이 방식은 블록 형태의 재료를 사용하므로 재사용이 어려워 재료의 낭비가 심하고 함몰 부위 등 복잡한 구조의 제작과 재현에 어려움이 있으며, 고가의 CAD/CAM 기계가 요구되고 절삭 시 사용되는 도구들의 소모가 잦아 교체가 자주 필요하므로 비용이 많이 들 수 있다[2].
이러한 절삭 가공 방식의 단점들을 보완하고자 3D (three-dimensional) 프린팅 기술을 활용한 적층 가공 방식이 도입되었는데 3D 프린팅 기술은 기존의 CAD/CAM 기술과는 전혀 다른 적층 가공 방식을 사용한다[3]. 3D 프린팅 기술은 디자인이 완료된 보철물의 디지털 데이터를 기반으로 하여 소재를 한 층 한 층 쌓아 올려 제품을 제작하는 방식으로, 절삭 가공으로는 불가능했던 복잡하고 정교한 디자인의 보철물을 제작할 수 있게 되었다. 블록 형태의 재료 대신 액상 또는 가루 형태의 재료를 사용하기 때문에 재료의 재사용이 가능하며, 빠른 제작 속도로 제품을 생산할 수 있다. 또한 보철물의 재현성도 보다 향상되었다. 특히, digital light processing (DLP) 기술은 digital micro mirror device로 알려진 빔 프로젝터를 사용하며, 이 장치는 출력할 이미지의 픽셀과 관련된 많은 미세한 거울의 직사각형 배열로 구성되어 있으며 빛의 경로를 조절하고 레진을 경화시킨다. Stereolithography (STL) apparatus 기술은 한 점의 형태로 스캔하여 제품을 형성하는 데 비해 DLP 기술은 광중합이 면 단위로 스캔이 진행되므로 프린팅 속도가 빠르며 여러 마이크로 픽셀의 거울을 사용하여 보다 높은 해상도를 얻을 수 있다[4]. 이러한 활용도가 높은 장점들로 인하여 DLP 기술은 복잡하고 정확하게 만들어야 하는 세라믹을 제조하는 데 많이 사용되고 있으나, 장비는 대부분 고가이며 후처리 과정이 필요하다는 단점이 있다[5]. 일부 특정 단점에 비해 장점이 많은 이유로 현재 치과 보철물의 3D 프린팅 제작이 지속적으로 증가하고 있는 추세에서, 3D 프린팅 제작 과정에서의 정확성과 품질을 보장하는 것은 매우 중요하기에 3D 프린팅 기술을 이용하여 제작한 치과 보철물의 완성도와 안정성을 검증하고 개선하기 위한 연구와 평가가 지속적으로 이루어져야 한다[6].
선행 연구들 중에서 CAD/CAM 기술을 사용하여 제작한 지르코니아 보철물의 임상적으로 허용 가능한 수치인 120 µm 이하의 변연 적합도[7]를 보여주는 연구는 많이 있으나, 시멘트 공간 값 설정과 관련된 정보를 제공하는 논문은 많지 않으며 대부분의 연구에서 주조 제작법에서 사용되었던 다이 스페이서의 두께나 제조사에서 제공하는 지르코니아 블록의 시멘트 공간 값을 활용하는 것이 일반적이다[8]. 또한 시멘트 공간은 제조 방법과 재료의 유형에 따라서 변연 및 내면 적합도에 다르게 영향을 미친다는 선행연구도 있었다[9]. 3D 프린팅 기술을 사용한 치과 보철물 제작에 관한 연구는 CAD/CAM 기술을 활용한 연구와 비교했을 때 현저히 적은 편이며 특히 지르코니아 보철물의 변연 및 내면 적합도에 관한 연구는 더욱 부족한 상황이다. 이러한 연구 상황을 고려했을 때, 전통적인 주조 제작법이나 CAD/CAM의 절삭 가공 방식에서 사용되는 시멘트 공간 값을 3D 프린팅과 같은 적층 가공 방식에서도 그대로 적용할 수 있는지에 대한 추가 연구가 요구된다.
따라서 본 연구의 목적은 3D 프린팅의 적층 가공 방식을 활용하여 제작한 지르코니아 하부구조물의 시멘트 공간을 3개의 그룹으로 나누어 설정하고, 변연 및 내면 적합도를 실리콘 복제법을 사용하여 측정하고 알아봄으로써 세라믹 3D 프린팅으로 제작된 지르코니아 하부구조물의 임상적 효용성을 평가하고자 하는 것이다.
본 연구를 위하여 상악 우측 중절치를 지대치로 채택하였다(AG-3; Frasaco). 채택한 이유는 구강 내 치아 중에서 심미의 영향을 가장 많이 받는 치아이며, 심미보철의 빈도가 높기 때문이다. 지대치의 형상은 전용 CAD 프로그램(3Shape Dental Designer; 3Shape)의 권장사항과 통상적인 전부도재관 제작방식에 의거하여 지르코니아 코어의 두께나 변연 모양을 디자인 하였다. 변연부의 형태는 chamfer type으로 설정하였으며, 치축면은 1.2 mm, 절단면은 1.5 mm offset을 부여하였고, 축벽인 인접면은 6°의 각도를 부여하여 삭제하였다[10]. 디지털 형태로 저장된 지대치 모형의 파일을 공업용 가공 장비(Arum DEG 5X; Doowon)를 이용하여 티타늄 절삭 공정으로 주 모형을 제작하였다. 완성된 티타늄 주 모형을 중심으로 실리콘(Deguform; DeguDent)을 이용하여 음형의 몰드를 제작하였다. 제작된 복제 몰드에 wetting agent (Picosilk; Renfert)를 도포한 후, 경석고를 부어 30개의 작업모형을 제작하였다(Fig. 1).
지르코니아 코어 제작을 위한 첫 단계로 치과용 스캐너(E3; 3Shape)를 사용하여 지대치 삭제가 완료된 작업 모형을 스캔한 후 디지털 형태의 STL 파일로 저장하였다. 하부구조물의 형태는 프로그램 내에 저장되어 있는 형태로, 처음 적용된 형태에서 일정 두께를 유지하기 위한 최소한의 수정만 진행하였다. 시멘트 공간은 CAD 소프트웨어(Dental System 2018; 3Shape)를 사용하여 마진 0.5 mm 상방에서 각각 40 μm, 120 μm, 200 μm 값[11]을 가지는 3개의 군으로 디자인을 완성하였다(Table 1). 저장된 지대치 모형의 STL 파일을 DLP 방식의 3D 프린터(ZIPRO; AON)와 동일 회사의 지르코니아 전용 소재 1종(INNI-CERA; AON)을 사용하여 군별로 10개씩, 총 30개의 시편을 제작하였다. 제작 방향은 교합면에서부터 출력되도록 설정하였으며 출력 레이어 두께는 제조사의 권장사항에 따라 25 μm로 설정하였다. 프린팅 완료 후에는 플랫폼에서 출력물을 제외한 잔여물을 제거하였으며 오차를 최소화하기 위하여 출력물 내면에 잔여물이 남아 있지 않은 상태가 될 때까지 붓과 에탄올을 사용하여 세척하였다. 세척이 완료된 출력물은 온도가 상승함에 따라, 25℃에서 500℃ 범위에 도달하면 탈지 과정을 거친 후 500℃에서 1,500℃ 사이의 온도에서 그룹별 10개의 시편을 분리하여 소결 과정을 진행하였다(Fig. 2).
Table 1 . Classification of specimens
Group | Cement space | Number |
---|---|---|
CS-40 | 40 μm | 30 |
CS-120 | 120 μm | |
CS-200 | 200 μm |
CS: cement space.
측정 기준은 Holmes 등[12]이 발표한 연구 결과를 참고 하였으며, 측정 지점에서의 간격은 지대치의 측정 지점 부위로부터 보철물까지의 수직 거리를 변연 및 내면 간격으로 정의하고 측정하였다[13,14]. 더욱 정확한 측정을 위하여 시편마다 8개의 측정 지점을 설정하였다. 구체적으로 설명하면, A, B 지점은 변연 간격 측정 지점이고, C, D, E, F 지점은 내면 간격 측정 지점이며, G, H 지점은 절단면 간격 측정 지점이다(Fig. 3). 동일한 측정 지점을 유지하기 위하여 측정 지점 사이에 400 μm 또는 800 μm의 직선거리를 기준으로 설정하였다.
제작이 완료된 지르코니아 하부구조물의 내면에 연질 실리콘을 주입한 후, 곧바로 작업 모형에 위치시키고 경화될 때까지 지대치 모형과 보철물에 손가락 압력을 일차 가압 후 50 N의 정하중기 압력으로 실리콘이 경화할 때까지 유지하였다. 경화가 완료되면 연질 실리콘(DuoSil Light body; Bukwang)을 하부구조물로부터 분리하는데, 이 연질 실리콘은 하부구조물과 작업 모형 사이의 간격을 표시하는 역할을 한다. 연질 실리콘의 필름은 두께가 매우 얇고 찢어지기 쉬우며 형태를 유지하는 것이 어렵기 때문에 이를 보완하기 위하여 그 위에 강도가 있는 경질 실리콘(DuoSil Tray; Bukwang)을 추가적으로 덮어주었다. 실리콘의 복제가 완료된 후 razer blade를 사용하여 순-설과 근-원심으로 절단하였다. 4개의 조각으로 절단된 실리콘 조각을 이용하여 부위별로 반복 측정을 진행하기 위해 지대치별로 4가지 방향(순, 설, 근심, 원심)에서 변연 및 내면 적합도를 측정하였다. 절단된 단면에서 연질 실리콘의 두께를 측정하기 위하여 140배율의 digital microscope (KH-8700; Hirox)로 관찰하였다(Fig. 4). 측정의 신뢰성을 높이기 위하여 군별로 시편 10개를 동일한 측정자가 측정 지점의 정의에 따라 변연 및 내면 적합도를 측정한 후 평균값을 계산하였다.
세 그룹을 대상으로 측정된 결과는 평균, 표준편차 통계량에 의해 평가되었다. 측정된 값들이 정규분포 여부를 확인하기 위하여 실시한 Shapiro-Wilk 검정 결과에서 p=0.163의 값(p>0.05)을 보여, 정규분포임을 확인하였다. 정규성 검정 결과를 토대로 모수적 통계분석법인 one-way ANOVA를 시행한 후, 각 그룹 간에는 통계적 유의한 차이를 알아보기 위하여 Tukey’s honestly significant difference 분석 방법을 이용하여 사후 분석을 실시하였다. 제1종 오류 수준은 0.05로 설정하였고, 모든 통계분석은 IBM SPSS Statistics ver. 26.0 (IBM)을 이용하였다.
시멘트 공간 설정에 따른 시편별 10개씩 제작된 하부구조물에서 측정된 포인트(A∼H)의 적합도와 측정 부위(margin, axial wall, incisal)별 평균(표준편차)은 Table 2에 나타내었다. 변연 및 내면 적합도의 측정을 보다 정밀하게 분석하기 위해서 A, B (margin), C, D, E, F (axial wall), G, H (incisal) 총 8지점의 평균값을 분석한 결과 가장 작게 나타난 집단은 변연 적합도의 경우 CS (cement space)-200 그룹의 B 지점인 76.52 μm이었고, 내면 적합도의 경우 CS-120 그룹의 E 지점인 37.69 μm이었다. 또한 통계적 유의한 차이를 알아보기 위하여 모수 검정법인 one-way ANOVA를 시행한 결과 axial wall 측정 지점인 C, D, E, F 지점을 제외한 margin 측정 지점인 A, B와 incisal 측정 지점인 G, H에서 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(p<0.05).
Table 2 . Mean±standard deviations of the gaps (μm) for all measurement points in zirconia coping for three different cement gap
Reference point | Group | p-value | ||
---|---|---|---|---|
CS-40 | CS-120 | CS-200 | ||
A | 242.37±34.27a | 175.51±31.95a | 80.67±33.30b | 0.027 |
B | 238.82±36.62a | 157.75±29.78a | 76.52±27.44b | 0.035 |
C | 223.31±26.38 | 112.92±31.28 | 60.02±20.63 | 0.056 |
D | 155.08±36.18 | 137.61±31.51 | 86.48±30.91 | 0.189 |
E | 58.94±30.61 | 37.69±19.35 | 41.76±12.13 | 0.152 |
F | 165.73±39.07 | 150.68±35.12 | 87.25±20.32 | 0.097 |
G | 167.25±34.47a | 105.70±37.38a | 54.10±16.66b | 0.039 |
H | 154.66±30.49a | 100.57±32.58a | 62.23±17.79b | 0.044 |
CS: cement space.
a,bLetters indicate statistical significance (p<0.05) by one-way ANOVA and Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05). Values with the same letter are not statistically different from each other.
측정 지점 8부위를 각각 margin (A, B), axial wall (C, D, E, F), incisal (G, H)로 분류하여 세 그룹 간의 평균(표준편차)을 분석한 결과 세 부위 중 axial wall 부위를 제외한 margin, incisal 부위에서는 통계적으로 유의한 차이를 보이며(p<0.05), CS-200 그룹이 CS-40, CS-120 그룹보다 더욱 작은 변연 및 내면 적합도를 보였다(Table 3).
Table 3 . Mean±standard deviations of the gaps (μm) for three positions in zirconia coping for three different cement gap
Position* | Group | p-value | ||
---|---|---|---|---|
CS-40 | CS-120 | CS-200 | ||
Margin | 225.60±30.64a | 166.63±36.02a | 77.60±31.45b | 0.033 |
Axial wall | 135.77±33.70 | 109.72±37.88 | 81.38±30.65 | 0.106 |
Incisal | 155.96±27.21a | 103.64±34.72a | 58.17±22.20b | 0.021 |
CS: cement space.
*Position=margin (points A, B), axial wall (points C, D, E, F), incisal (points G, H).
a,bLetters indicate statistical significance (p<0.05) by one-way ANOVA and Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05). Values with the same letter are not statistically different from each other.
각 측정된 8부위의 구분 없이 전체의 평균을 측정한 전체 간격 결과 CS-40 그룹은 175.77 μm, CS-120 그룹은 122.3 μm, CS-200 그룹은 68.63 μm로 나타났다(Fig. 5).
디지털 기술의 발전으로 인하여 치의학 분야에서는 치과용 보철물을 위한 장비와 재료에 많은 변화가 일어나고 있다. 특히 3D 프린터의 보급과 사용이 증가함에 따라 레진과 금속 제작을 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 임상에서의 응용도 확대되고 있다. 그러나 세라믹의 경우 매우 복잡한 형상물을 가지고 있고, 여러 단계의 후처리 과정을 거쳐야 하는 기존의 특성으로 인하여 여전히 임상 적용을 위해서는 다양한 연구가 필요한 상황이다. 이에 본 연구에서는 세라믹 3D 프린터를 활용하여 각각 다른 값의 시멘트 공간을 적용한 지르코니아 하부구조물을 제작하였다. 그리고 각 구조물의 변연 및 내면 적합도 값을 측정한 후, 비교 평가를 통하여 임상 적용 가능성을 평가하고자 하였다. 귀무가설은 시멘트 공간이 적층 가공으로 제작한 지르코니아 하부구조물의 변연 및 내면 적합도에 영향을 미치지 않는다는 것이다.
본 연구 결과 세 개의 실험군 중 CS-200 그룹에서는 모든 8개의 측정 지점에서 임상적 허용 가능 수치인 120 μm 이내의 간격을 보여주었다. 그러나 CS-40 그룹에서는 E 지점에서만 120 μm 이내의 값을, CS-120 그룹에서는 C, E 지점에서만 120 μm 이내의 값을 나타내었다. 특히 CS-120 그룹에서는 E 지점에서 CS-200 그룹보다 더 우수한 결과가 나타났다. 통계적 분석 결과, margin 및 incisal 지점에서는 유의한 차이가 나타났지만, axial wall 지점에서는 다른 양상을 보였다. 이러한 결과는 더 작은 시멘트 공간을 가진 CS-40 및 CS-120 그룹이 내부 축벽 지점에서 조기 접촉이 발생하여 변연 부분과 절단면 부분에서 큰 간격이 나타났다고 해석될 수 있다. CAD/CAM 시스템으로 제작한 지르코니아 보철물의 시멘트 공간 설정에 따른 변연과 내면 적합도에 관한 평가[8]에서 80 μm 그룹과 120 μm 그룹에서 임상적 기준에 부합하는 변연 적합도를 나타내었으나 축벽에서의 적합도는 시멘트 공간이 커질수록 값이 크게 나타났다고 보고하였는데, 이는 본 연구에서 E 지점에서의 값이 CS-120 그룹보다 CS-200 그룹에서 값이 크게 나온 것과 유사함을 알 수 있다. 본 연구와는 보철물의 제작 방식과 사용 재료에 대해서는 다른 연구이지만, 지르코니아 보철물의 시멘트 공간 값 설정이 변연 및 내면 적합도에 미치는 영향을 평가했다는 점에서 유사한 선행연구라고 볼 수 있다. 또한, Grajower 등[15]은 최적의 시멘트 공간으로 50 μm를 제시하였으며, Kale 등[16]은 30 μm, 40 μm, 50 μm 값의 시멘트 공간을 제공하였을 때 값이 커질수록 변연 적합도가 가장 우수하다고 보고하였고, Iwai 등[17]은 60 μm의 시멘트 공간을 제공하였을 때 변연 및 내면 적합도의 값이 최적으로 나타났다고 보고하였다. Zhang과 Dudley [18]는 50 μm, 100 μm, 200 μm의 값의 시멘트 공간 중 200 μm에서 가장 우수한 변연 적합도 값을 나타낸다고 보고한 바 있다.
본 연구 결과를 통하여 시멘트 공간이 적층 가공으로 제작한 지르코니아 하부구조물의 변연 및 내면 적합도에 미치는 영향을 가늠할 수 있다. 그러나 보철물의 적합도는 시멘트 공간 외에도 다른 다양한 요소들에 의해서도 영향을 받는다. 지대치의 형태, 적합도 측정 방법과 위치, 변연의 형태 등이 이에 해당한다[19]. 본 연구에서는 단관 모형을 사용하고 지대치의 설계 방법과 적합도 평가 방법 등을 다른 변수들을 배제하고자 한 가지의 방법으로 설정하였다. 따라서 추후 연구에서는 다양한 적층 가공 방식의 3D 프린터의 정확도 평가를 위해서는 3D 프린팅 과정에서 발생하는 여러 가지 영향을 고려하여 변연 및 내면 적합도 평가에 그치지 않고 파절 강도나 굴곡 강도 등 보철물의 정확도 평가를 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각한다.
본 연구는 시멘트 공간이 적층 가공으로 제작한 지르코니아 하부구조물의 변연 및 내면 적합도에 미치는 영향을 확인하기 위해 시멘트 공간 설정에 따른 세 그룹의 지르코니아 하부구조물을 제작 후, 각 지대치의 변연 및 내면 적합도를 비교 관찰하여, 다음과 같은 결론을 얻었다. CS-200 그룹에서의 변연 및 내면 적합도가 CS-40, CS-120 그룹보다 전반적으로 우수한 것으로 나타났으며, 축벽 지점을 제외한 변연, 절단면 지점에서는 통계적으로 유의한 차이가 나타났으며, 시멘트 공간이 적층 가공으로 제작한 지르코니아 하부구조물의 변연 및 내면 적합도에 영향을 끼치는 것으로 볼 수 있다. 본 연구결과가 3D 프린팅 치과보철물 제조관련 연구분야 및 임상분야에 적절히 활용될 수 있을 것으로 생각한다.
This paper was supported by RESEARCH FUND offered from Catholic University of Pusan.
None.
No potential conflict of interest relevant to this article was reported.
Journal of Technologic Dentistry 2024; 46(1): 1-7
Published online March 30, 2024 https://doi.org/10.14347/jtd.2024.46.1.1
Copyright © Korean Academy of Dental Technology.
민지원, 김세연, 김재홍
부산가톨릭대학교 보건과학대학 치기공학과
Ji-Won Min , Se-Yeon Kim
, Jae-Hong Kim
Department of Dental Laboratory Science, College of Health Science, Catholic University of Pusan, Busan, Korea
Correspondence to:Jae-Hong Kim
Department of Dental Laboratory Science, College of Health Science, Catholic University of Pusan, 57 Oryundae-ro, Geumjeonggu, Busan 46252, Korea
E-mail: kjhong@cup.ac.kr
https://orcid.org/0000-0002-2679-8802
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Purpose: The goal of this study was to determine the clinical acceptability of various cement space settings for the marginal and internal fit of a zirconia core manufactured using additive manufacturing.
Methods: The maxillary right incisor served as the master model. After scanning the maxillary right incisor with a dental 3D (three-dimensional) scanner, the stereo lithography file was created using different cement space settings of 40, 120, and 200 μm using computer-aided design software (Dental System 2018; 3Shape). The marginal and internal fit of the 3 groups were determined using the silicon replica technique. Measurement points were divided into the following three categories: margin, axial wall, and incisal. To ensure more accurate measurements, these three measurement points were divided into 8 points. The Shapiro-Wilk, one-way ANOVA, and Tukey’s honestly significant difference test (for all tests α=0.05) were the statistical analyses that were included in the study.
Results: The CS (cement space)-200 group had better marginal and internal fit than the CS-40 and CS-120 groups, and there were statistically significant differences at the marginal and incisal points, except for the axial wall points. CS-200 group, both marginal and internal fit were within 120 μm, which is the clinically acceptable value.
Conclusion: This study suggests that a 200 μm cement space setting is ideal for optimal marginal and internal fit of 3D-printed ceramic crowns.
Keywords: Additive manufacturing, Cement space, Marginal and internal fit, Silicone replica technique
수작업으로 제작되던 주조 제작법에서 이제는 디지털 기반의 CAD/CAM (computer-aided design/computer-aided manufacturing) 기술을 활용하여 보철물을 제작할 수 있게 되었다[1]. 치과 CAD/CAM 기술은 지대치 모형을 스캔하여 얻은 데이터를 이용하여 블록 형태의 재료를 절삭 가공하여 보철물을 제작하는 방식으로, 이전의 수작업으로 이루어진 주조 제작법보다 제작 시간이 짧게 소요되며 작업자의 실력에 따른 완성도의 차이가 크지 않다. 또한 CAD 소프트웨어를 사용하여 보철물의 외형 두께 및 시멘트 공간 값을 정확하게 입력하고 수정할 수 있어서 제작 과정에서 발생할 수 있는 오차를 줄일 수 있다. 그리고 물성이 균일하며 추후 수정과 재제작이 용이하다는 장점도 있다. 그러나 이 방식은 블록 형태의 재료를 사용하므로 재사용이 어려워 재료의 낭비가 심하고 함몰 부위 등 복잡한 구조의 제작과 재현에 어려움이 있으며, 고가의 CAD/CAM 기계가 요구되고 절삭 시 사용되는 도구들의 소모가 잦아 교체가 자주 필요하므로 비용이 많이 들 수 있다[2].
이러한 절삭 가공 방식의 단점들을 보완하고자 3D (three-dimensional) 프린팅 기술을 활용한 적층 가공 방식이 도입되었는데 3D 프린팅 기술은 기존의 CAD/CAM 기술과는 전혀 다른 적층 가공 방식을 사용한다[3]. 3D 프린팅 기술은 디자인이 완료된 보철물의 디지털 데이터를 기반으로 하여 소재를 한 층 한 층 쌓아 올려 제품을 제작하는 방식으로, 절삭 가공으로는 불가능했던 복잡하고 정교한 디자인의 보철물을 제작할 수 있게 되었다. 블록 형태의 재료 대신 액상 또는 가루 형태의 재료를 사용하기 때문에 재료의 재사용이 가능하며, 빠른 제작 속도로 제품을 생산할 수 있다. 또한 보철물의 재현성도 보다 향상되었다. 특히, digital light processing (DLP) 기술은 digital micro mirror device로 알려진 빔 프로젝터를 사용하며, 이 장치는 출력할 이미지의 픽셀과 관련된 많은 미세한 거울의 직사각형 배열로 구성되어 있으며 빛의 경로를 조절하고 레진을 경화시킨다. Stereolithography (STL) apparatus 기술은 한 점의 형태로 스캔하여 제품을 형성하는 데 비해 DLP 기술은 광중합이 면 단위로 스캔이 진행되므로 프린팅 속도가 빠르며 여러 마이크로 픽셀의 거울을 사용하여 보다 높은 해상도를 얻을 수 있다[4]. 이러한 활용도가 높은 장점들로 인하여 DLP 기술은 복잡하고 정확하게 만들어야 하는 세라믹을 제조하는 데 많이 사용되고 있으나, 장비는 대부분 고가이며 후처리 과정이 필요하다는 단점이 있다[5]. 일부 특정 단점에 비해 장점이 많은 이유로 현재 치과 보철물의 3D 프린팅 제작이 지속적으로 증가하고 있는 추세에서, 3D 프린팅 제작 과정에서의 정확성과 품질을 보장하는 것은 매우 중요하기에 3D 프린팅 기술을 이용하여 제작한 치과 보철물의 완성도와 안정성을 검증하고 개선하기 위한 연구와 평가가 지속적으로 이루어져야 한다[6].
선행 연구들 중에서 CAD/CAM 기술을 사용하여 제작한 지르코니아 보철물의 임상적으로 허용 가능한 수치인 120 µm 이하의 변연 적합도[7]를 보여주는 연구는 많이 있으나, 시멘트 공간 값 설정과 관련된 정보를 제공하는 논문은 많지 않으며 대부분의 연구에서 주조 제작법에서 사용되었던 다이 스페이서의 두께나 제조사에서 제공하는 지르코니아 블록의 시멘트 공간 값을 활용하는 것이 일반적이다[8]. 또한 시멘트 공간은 제조 방법과 재료의 유형에 따라서 변연 및 내면 적합도에 다르게 영향을 미친다는 선행연구도 있었다[9]. 3D 프린팅 기술을 사용한 치과 보철물 제작에 관한 연구는 CAD/CAM 기술을 활용한 연구와 비교했을 때 현저히 적은 편이며 특히 지르코니아 보철물의 변연 및 내면 적합도에 관한 연구는 더욱 부족한 상황이다. 이러한 연구 상황을 고려했을 때, 전통적인 주조 제작법이나 CAD/CAM의 절삭 가공 방식에서 사용되는 시멘트 공간 값을 3D 프린팅과 같은 적층 가공 방식에서도 그대로 적용할 수 있는지에 대한 추가 연구가 요구된다.
따라서 본 연구의 목적은 3D 프린팅의 적층 가공 방식을 활용하여 제작한 지르코니아 하부구조물의 시멘트 공간을 3개의 그룹으로 나누어 설정하고, 변연 및 내면 적합도를 실리콘 복제법을 사용하여 측정하고 알아봄으로써 세라믹 3D 프린팅으로 제작된 지르코니아 하부구조물의 임상적 효용성을 평가하고자 하는 것이다.
본 연구를 위하여 상악 우측 중절치를 지대치로 채택하였다(AG-3; Frasaco). 채택한 이유는 구강 내 치아 중에서 심미의 영향을 가장 많이 받는 치아이며, 심미보철의 빈도가 높기 때문이다. 지대치의 형상은 전용 CAD 프로그램(3Shape Dental Designer; 3Shape)의 권장사항과 통상적인 전부도재관 제작방식에 의거하여 지르코니아 코어의 두께나 변연 모양을 디자인 하였다. 변연부의 형태는 chamfer type으로 설정하였으며, 치축면은 1.2 mm, 절단면은 1.5 mm offset을 부여하였고, 축벽인 인접면은 6°의 각도를 부여하여 삭제하였다[10]. 디지털 형태로 저장된 지대치 모형의 파일을 공업용 가공 장비(Arum DEG 5X; Doowon)를 이용하여 티타늄 절삭 공정으로 주 모형을 제작하였다. 완성된 티타늄 주 모형을 중심으로 실리콘(Deguform; DeguDent)을 이용하여 음형의 몰드를 제작하였다. 제작된 복제 몰드에 wetting agent (Picosilk; Renfert)를 도포한 후, 경석고를 부어 30개의 작업모형을 제작하였다(Fig. 1).
지르코니아 코어 제작을 위한 첫 단계로 치과용 스캐너(E3; 3Shape)를 사용하여 지대치 삭제가 완료된 작업 모형을 스캔한 후 디지털 형태의 STL 파일로 저장하였다. 하부구조물의 형태는 프로그램 내에 저장되어 있는 형태로, 처음 적용된 형태에서 일정 두께를 유지하기 위한 최소한의 수정만 진행하였다. 시멘트 공간은 CAD 소프트웨어(Dental System 2018; 3Shape)를 사용하여 마진 0.5 mm 상방에서 각각 40 μm, 120 μm, 200 μm 값[11]을 가지는 3개의 군으로 디자인을 완성하였다(Table 1). 저장된 지대치 모형의 STL 파일을 DLP 방식의 3D 프린터(ZIPRO; AON)와 동일 회사의 지르코니아 전용 소재 1종(INNI-CERA; AON)을 사용하여 군별로 10개씩, 총 30개의 시편을 제작하였다. 제작 방향은 교합면에서부터 출력되도록 설정하였으며 출력 레이어 두께는 제조사의 권장사항에 따라 25 μm로 설정하였다. 프린팅 완료 후에는 플랫폼에서 출력물을 제외한 잔여물을 제거하였으며 오차를 최소화하기 위하여 출력물 내면에 잔여물이 남아 있지 않은 상태가 될 때까지 붓과 에탄올을 사용하여 세척하였다. 세척이 완료된 출력물은 온도가 상승함에 따라, 25℃에서 500℃ 범위에 도달하면 탈지 과정을 거친 후 500℃에서 1,500℃ 사이의 온도에서 그룹별 10개의 시편을 분리하여 소결 과정을 진행하였다(Fig. 2).
Table 1 . Classification of specimens.
Group | Cement space | Number |
---|---|---|
CS-40 | 40 μm | 30 |
CS-120 | 120 μm | |
CS-200 | 200 μm |
CS: cement space..
측정 기준은 Holmes 등[12]이 발표한 연구 결과를 참고 하였으며, 측정 지점에서의 간격은 지대치의 측정 지점 부위로부터 보철물까지의 수직 거리를 변연 및 내면 간격으로 정의하고 측정하였다[13,14]. 더욱 정확한 측정을 위하여 시편마다 8개의 측정 지점을 설정하였다. 구체적으로 설명하면, A, B 지점은 변연 간격 측정 지점이고, C, D, E, F 지점은 내면 간격 측정 지점이며, G, H 지점은 절단면 간격 측정 지점이다(Fig. 3). 동일한 측정 지점을 유지하기 위하여 측정 지점 사이에 400 μm 또는 800 μm의 직선거리를 기준으로 설정하였다.
제작이 완료된 지르코니아 하부구조물의 내면에 연질 실리콘을 주입한 후, 곧바로 작업 모형에 위치시키고 경화될 때까지 지대치 모형과 보철물에 손가락 압력을 일차 가압 후 50 N의 정하중기 압력으로 실리콘이 경화할 때까지 유지하였다. 경화가 완료되면 연질 실리콘(DuoSil Light body; Bukwang)을 하부구조물로부터 분리하는데, 이 연질 실리콘은 하부구조물과 작업 모형 사이의 간격을 표시하는 역할을 한다. 연질 실리콘의 필름은 두께가 매우 얇고 찢어지기 쉬우며 형태를 유지하는 것이 어렵기 때문에 이를 보완하기 위하여 그 위에 강도가 있는 경질 실리콘(DuoSil Tray; Bukwang)을 추가적으로 덮어주었다. 실리콘의 복제가 완료된 후 razer blade를 사용하여 순-설과 근-원심으로 절단하였다. 4개의 조각으로 절단된 실리콘 조각을 이용하여 부위별로 반복 측정을 진행하기 위해 지대치별로 4가지 방향(순, 설, 근심, 원심)에서 변연 및 내면 적합도를 측정하였다. 절단된 단면에서 연질 실리콘의 두께를 측정하기 위하여 140배율의 digital microscope (KH-8700; Hirox)로 관찰하였다(Fig. 4). 측정의 신뢰성을 높이기 위하여 군별로 시편 10개를 동일한 측정자가 측정 지점의 정의에 따라 변연 및 내면 적합도를 측정한 후 평균값을 계산하였다.
세 그룹을 대상으로 측정된 결과는 평균, 표준편차 통계량에 의해 평가되었다. 측정된 값들이 정규분포 여부를 확인하기 위하여 실시한 Shapiro-Wilk 검정 결과에서 p=0.163의 값(p>0.05)을 보여, 정규분포임을 확인하였다. 정규성 검정 결과를 토대로 모수적 통계분석법인 one-way ANOVA를 시행한 후, 각 그룹 간에는 통계적 유의한 차이를 알아보기 위하여 Tukey’s honestly significant difference 분석 방법을 이용하여 사후 분석을 실시하였다. 제1종 오류 수준은 0.05로 설정하였고, 모든 통계분석은 IBM SPSS Statistics ver. 26.0 (IBM)을 이용하였다.
시멘트 공간 설정에 따른 시편별 10개씩 제작된 하부구조물에서 측정된 포인트(A∼H)의 적합도와 측정 부위(margin, axial wall, incisal)별 평균(표준편차)은 Table 2에 나타내었다. 변연 및 내면 적합도의 측정을 보다 정밀하게 분석하기 위해서 A, B (margin), C, D, E, F (axial wall), G, H (incisal) 총 8지점의 평균값을 분석한 결과 가장 작게 나타난 집단은 변연 적합도의 경우 CS (cement space)-200 그룹의 B 지점인 76.52 μm이었고, 내면 적합도의 경우 CS-120 그룹의 E 지점인 37.69 μm이었다. 또한 통계적 유의한 차이를 알아보기 위하여 모수 검정법인 one-way ANOVA를 시행한 결과 axial wall 측정 지점인 C, D, E, F 지점을 제외한 margin 측정 지점인 A, B와 incisal 측정 지점인 G, H에서 유의한 차이가 있는 것으로 나타났다(p<0.05).
Table 2 . Mean±standard deviations of the gaps (μm) for all measurement points in zirconia coping for three different cement gap.
Reference point | Group | p-value | ||
---|---|---|---|---|
CS-40 | CS-120 | CS-200 | ||
A | 242.37±34.27a | 175.51±31.95a | 80.67±33.30b | 0.027 |
B | 238.82±36.62a | 157.75±29.78a | 76.52±27.44b | 0.035 |
C | 223.31±26.38 | 112.92±31.28 | 60.02±20.63 | 0.056 |
D | 155.08±36.18 | 137.61±31.51 | 86.48±30.91 | 0.189 |
E | 58.94±30.61 | 37.69±19.35 | 41.76±12.13 | 0.152 |
F | 165.73±39.07 | 150.68±35.12 | 87.25±20.32 | 0.097 |
G | 167.25±34.47a | 105.70±37.38a | 54.10±16.66b | 0.039 |
H | 154.66±30.49a | 100.57±32.58a | 62.23±17.79b | 0.044 |
CS: cement space..
a,bLetters indicate statistical significance (p<0.05) by one-way ANOVA and Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05). Values with the same letter are not statistically different from each other..
측정 지점 8부위를 각각 margin (A, B), axial wall (C, D, E, F), incisal (G, H)로 분류하여 세 그룹 간의 평균(표준편차)을 분석한 결과 세 부위 중 axial wall 부위를 제외한 margin, incisal 부위에서는 통계적으로 유의한 차이를 보이며(p<0.05), CS-200 그룹이 CS-40, CS-120 그룹보다 더욱 작은 변연 및 내면 적합도를 보였다(Table 3).
Table 3 . Mean±standard deviations of the gaps (μm) for three positions in zirconia coping for three different cement gap.
Position* | Group | p-value | ||
---|---|---|---|---|
CS-40 | CS-120 | CS-200 | ||
Margin | 225.60±30.64a | 166.63±36.02a | 77.60±31.45b | 0.033 |
Axial wall | 135.77±33.70 | 109.72±37.88 | 81.38±30.65 | 0.106 |
Incisal | 155.96±27.21a | 103.64±34.72a | 58.17±22.20b | 0.021 |
CS: cement space..
*Position=margin (points A, B), axial wall (points C, D, E, F), incisal (points G, H)..
a,bLetters indicate statistical significance (p<0.05) by one-way ANOVA and Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05). Values with the same letter are not statistically different from each other..
각 측정된 8부위의 구분 없이 전체의 평균을 측정한 전체 간격 결과 CS-40 그룹은 175.77 μm, CS-120 그룹은 122.3 μm, CS-200 그룹은 68.63 μm로 나타났다(Fig. 5).
디지털 기술의 발전으로 인하여 치의학 분야에서는 치과용 보철물을 위한 장비와 재료에 많은 변화가 일어나고 있다. 특히 3D 프린터의 보급과 사용이 증가함에 따라 레진과 금속 제작을 위한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 임상에서의 응용도 확대되고 있다. 그러나 세라믹의 경우 매우 복잡한 형상물을 가지고 있고, 여러 단계의 후처리 과정을 거쳐야 하는 기존의 특성으로 인하여 여전히 임상 적용을 위해서는 다양한 연구가 필요한 상황이다. 이에 본 연구에서는 세라믹 3D 프린터를 활용하여 각각 다른 값의 시멘트 공간을 적용한 지르코니아 하부구조물을 제작하였다. 그리고 각 구조물의 변연 및 내면 적합도 값을 측정한 후, 비교 평가를 통하여 임상 적용 가능성을 평가하고자 하였다. 귀무가설은 시멘트 공간이 적층 가공으로 제작한 지르코니아 하부구조물의 변연 및 내면 적합도에 영향을 미치지 않는다는 것이다.
본 연구 결과 세 개의 실험군 중 CS-200 그룹에서는 모든 8개의 측정 지점에서 임상적 허용 가능 수치인 120 μm 이내의 간격을 보여주었다. 그러나 CS-40 그룹에서는 E 지점에서만 120 μm 이내의 값을, CS-120 그룹에서는 C, E 지점에서만 120 μm 이내의 값을 나타내었다. 특히 CS-120 그룹에서는 E 지점에서 CS-200 그룹보다 더 우수한 결과가 나타났다. 통계적 분석 결과, margin 및 incisal 지점에서는 유의한 차이가 나타났지만, axial wall 지점에서는 다른 양상을 보였다. 이러한 결과는 더 작은 시멘트 공간을 가진 CS-40 및 CS-120 그룹이 내부 축벽 지점에서 조기 접촉이 발생하여 변연 부분과 절단면 부분에서 큰 간격이 나타났다고 해석될 수 있다. CAD/CAM 시스템으로 제작한 지르코니아 보철물의 시멘트 공간 설정에 따른 변연과 내면 적합도에 관한 평가[8]에서 80 μm 그룹과 120 μm 그룹에서 임상적 기준에 부합하는 변연 적합도를 나타내었으나 축벽에서의 적합도는 시멘트 공간이 커질수록 값이 크게 나타났다고 보고하였는데, 이는 본 연구에서 E 지점에서의 값이 CS-120 그룹보다 CS-200 그룹에서 값이 크게 나온 것과 유사함을 알 수 있다. 본 연구와는 보철물의 제작 방식과 사용 재료에 대해서는 다른 연구이지만, 지르코니아 보철물의 시멘트 공간 값 설정이 변연 및 내면 적합도에 미치는 영향을 평가했다는 점에서 유사한 선행연구라고 볼 수 있다. 또한, Grajower 등[15]은 최적의 시멘트 공간으로 50 μm를 제시하였으며, Kale 등[16]은 30 μm, 40 μm, 50 μm 값의 시멘트 공간을 제공하였을 때 값이 커질수록 변연 적합도가 가장 우수하다고 보고하였고, Iwai 등[17]은 60 μm의 시멘트 공간을 제공하였을 때 변연 및 내면 적합도의 값이 최적으로 나타났다고 보고하였다. Zhang과 Dudley [18]는 50 μm, 100 μm, 200 μm의 값의 시멘트 공간 중 200 μm에서 가장 우수한 변연 적합도 값을 나타낸다고 보고한 바 있다.
본 연구 결과를 통하여 시멘트 공간이 적층 가공으로 제작한 지르코니아 하부구조물의 변연 및 내면 적합도에 미치는 영향을 가늠할 수 있다. 그러나 보철물의 적합도는 시멘트 공간 외에도 다른 다양한 요소들에 의해서도 영향을 받는다. 지대치의 형태, 적합도 측정 방법과 위치, 변연의 형태 등이 이에 해당한다[19]. 본 연구에서는 단관 모형을 사용하고 지대치의 설계 방법과 적합도 평가 방법 등을 다른 변수들을 배제하고자 한 가지의 방법으로 설정하였다. 따라서 추후 연구에서는 다양한 적층 가공 방식의 3D 프린터의 정확도 평가를 위해서는 3D 프린팅 과정에서 발생하는 여러 가지 영향을 고려하여 변연 및 내면 적합도 평가에 그치지 않고 파절 강도나 굴곡 강도 등 보철물의 정확도 평가를 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각한다.
본 연구는 시멘트 공간이 적층 가공으로 제작한 지르코니아 하부구조물의 변연 및 내면 적합도에 미치는 영향을 확인하기 위해 시멘트 공간 설정에 따른 세 그룹의 지르코니아 하부구조물을 제작 후, 각 지대치의 변연 및 내면 적합도를 비교 관찰하여, 다음과 같은 결론을 얻었다. CS-200 그룹에서의 변연 및 내면 적합도가 CS-40, CS-120 그룹보다 전반적으로 우수한 것으로 나타났으며, 축벽 지점을 제외한 변연, 절단면 지점에서는 통계적으로 유의한 차이가 나타났으며, 시멘트 공간이 적층 가공으로 제작한 지르코니아 하부구조물의 변연 및 내면 적합도에 영향을 끼치는 것으로 볼 수 있다. 본 연구결과가 3D 프린팅 치과보철물 제조관련 연구분야 및 임상분야에 적절히 활용될 수 있을 것으로 생각한다.
This paper was supported by RESEARCH FUND offered from Catholic University of Pusan.
None.
No potential conflict of interest relevant to this article was reported.
Table 1 . Classification of specimens.
Group | Cement space | Number |
---|---|---|
CS-40 | 40 μm | 30 |
CS-120 | 120 μm | |
CS-200 | 200 μm |
CS: cement space..
Table 2 . Mean±standard deviations of the gaps (μm) for all measurement points in zirconia coping for three different cement gap.
Reference point | Group | p-value | ||
---|---|---|---|---|
CS-40 | CS-120 | CS-200 | ||
A | 242.37±34.27a | 175.51±31.95a | 80.67±33.30b | 0.027 |
B | 238.82±36.62a | 157.75±29.78a | 76.52±27.44b | 0.035 |
C | 223.31±26.38 | 112.92±31.28 | 60.02±20.63 | 0.056 |
D | 155.08±36.18 | 137.61±31.51 | 86.48±30.91 | 0.189 |
E | 58.94±30.61 | 37.69±19.35 | 41.76±12.13 | 0.152 |
F | 165.73±39.07 | 150.68±35.12 | 87.25±20.32 | 0.097 |
G | 167.25±34.47a | 105.70±37.38a | 54.10±16.66b | 0.039 |
H | 154.66±30.49a | 100.57±32.58a | 62.23±17.79b | 0.044 |
CS: cement space..
a,bLetters indicate statistical significance (p<0.05) by one-way ANOVA and Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05). Values with the same letter are not statistically different from each other..
Table 3 . Mean±standard deviations of the gaps (μm) for three positions in zirconia coping for three different cement gap.
Position* | Group | p-value | ||
---|---|---|---|---|
CS-40 | CS-120 | CS-200 | ||
Margin | 225.60±30.64a | 166.63±36.02a | 77.60±31.45b | 0.033 |
Axial wall | 135.77±33.70 | 109.72±37.88 | 81.38±30.65 | 0.106 |
Incisal | 155.96±27.21a | 103.64±34.72a | 58.17±22.20b | 0.021 |
CS: cement space..
*Position=margin (points A, B), axial wall (points C, D, E, F), incisal (points G, H)..
a,bLetters indicate statistical significance (p<0.05) by one-way ANOVA and Tukey’s honestly significant difference test (α=0.05). Values with the same letter are not statistically different from each other..
Lee, Jung-Hwan;Ahn, Jae-Seok;
Journal of Technologic Dentistry 2017; 39(4): 235-242 https://doi.org/10.14347/kadt.2017.39.4.235Kim, Jae-Hong;Kim, Woong-Chul;Kim, Ji-Hwan;
Journal of Technologic Dentistry 2014; 36(2): 75-81 https://doi.org/10.14347/kadt.2014.36.2.75Hyuk-Joon Lee, Ha-Bin Lee, Mi-Jun Noh, Ji-Hwan Kim
Journal of Technologic Dentistry 2023; 45(2): 31-38 https://doi.org/10.14347/jtd.2023.45.2.31