Three-dimensional (3D) 프린터는 주로 산업 분야에서만 사용되어 왔지만, 최근 치과 분야에서도 치과보철물을 제작하는 데 있어 사용빈도와 관심이 높아지고 있다[1,2]. 치과 분야에서 수작업 방식으로 제작한 치과보철물은 자동화 장비를 사용한 디지털 방식으로 전환이 되고 있다[3]. 기존의 수작업으로 제작한 치과보철물은 제작 과정이 복잡할 뿐만 아니라 불필요한 공정과정으로 치과보철물 정확도 및 재료의 변형 등 오차가 높았다[4]. 반면 디지털 방식으로 전환되면서 복잡한 과정과 난이도가 높은 치과보철물은 디지털 기기에 의해 쉽게 제작이 가능하게 되었으며, 불필요한 재료의 소모도 줄어들 수 있게 되었다[4].

디지털 방식인 3D 프린터를 활용한 치과보철물의 종류는 인레이, 금관, 임플란트, 수술용 가이드, 임시치아, 총의치 등 다양하게 제작되고 있다. 3D 프린터의 종류는 광중합 프린팅(digital light processing, stereolithography), 선택적 금속 프린팅(selective laser melting, selective laser sintering), 필라멘트를 사용한 압출기식 프린터(fused deposition modeling, FDM) 등 다양한 방식이 존재한다[5]. 선택적 금속 3D 프린터는 기존의 수작업 방식의 금속 주조를 생략할 수 있어서 시간 및 재료에 대한 소모를 줄일 수 있으나, 고가의 장비와 재료가 필요하기 때문에 유지 비용이 높다는 단점이 있다. 압출기식 프린터의 FDM 방식은 장비 가격이 다소 낮은 장점은 있으나, 열가소성 필라멘트를 사용하기 때문에 열에 의한 부정확한 보철물과 표면이 다소 거칠다는 단점이 있다. 광중합 프린팅은 광(ultraviolet, UV)을 조사하여 선택적으로 조형물을 제작하는 방식이다. 부피가 큰 조형물 제작에는 한계가 있으나, 치과보철물과 같은 작은 조형물에는 정밀도 및 표면이 우수한 출력물을 출력이 가능하여 치과 분야에서 널리 이용되고 있다[5-8].

광중합은 UV 개시제(photoinitiator)에 UV를 조사함으로써 개시 반응이 시작되고 모노머(monomer), 올리고머(oligomer), 각종 첨가제가 연속반응을 일으켜 경화(photopolymerization)되는 과정이다[5,9]. 광중합성 3D 프린터는 3D로 디자인된 치과보철물을 출력한 후 후경화 처리를 진행한다. 후경화 처리 과정은 출력된 치과보철물을 경화기에 배치시켜 UV를 조사하여 경도 및 강도를 높이는 과정이다[10]. 치과 환자마다 구강 조건이 다양하며, 이에 따른 치과보철물의 두께 및 부피가 서로 상이하기 때문에 후경화 처리 중 광경화 깊이는 중요하다. 한편, 치과용 광중합 복합레진의 중합도에 대한 연구는 다수 존재하지만[11], 치과 3D 프린팅용 광 중합 레진의 중합도에 대한 연구는 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 치과 3D 프린팅용 광경화 레진을 사용하여 광중합에 따른 깊이를 분석하고자 한다.

1. 스테인리스강 몰드 준비

본 연구의 시편 제작은 ISO 4049:2009와 선행연구를 참고하여 스테인리스 몰드를 제작하였다[5,12]. 스테인리스 몰드의 구조는 높이 4.00 mm, 내경 4.00 mm, 외경 30.01 mm로 제작하였다(Fig. 1).

Figure 1. Specimen making process. (A) Stainless steel mold. (B) Curing resin injection. (C) Aligning the specimen height using a disk. (D) Light curing process using a light curing machine. (E) Separation of stainless steel mold and light-cured resin. (F) Light-cured resin measurement. UV: ultraviolet.

2. 시편제작 및 측정

본 실험 집단은 다음과 같이 세 집단으로 분류하였으며, 첫 번째 집단(first group, FG)의 실험 과정은 다음과 같다(Table 1). 준비된 스테인리스 몰드 중앙 내벽에는 바세린을 도포하였으며, 밑면에는 스카치 테이프(#550 Scotch; 3M, Saint Paul, MN, USA)로 부착하여 광중합 레진(DT-1 temporary teeth-OD shade; Hephzibah, Incheon, Korea)이 누출되지 않도록 방지하였다. 5 mm 두께의 투명 유리 판 위에 스테인리스 몰드를 고정한 다음 광중합 레진을 주입하였다. 여분의 광중합 레진은 레진 제거 디스크를 사용하여 제거하였으며, 몰드의 높이와 광중합 레진의 높이를 일치하도록 하였다. 광중합을 주입한 다음 광중합기(CureM U102H; Sona Global, Seoul, Korea)를 사용하여 5분 동안 광중합을 진행하였으며, 중합 세기는 1~3단계 중 중간인 2단계로 진행하였다(n=10, Fig. 2A). 광중합이 완료된 다음 시편 분리기를 사용하여 시편과 스테인리스 몰드를 분리하였다. 분리된 시편은 디지털 측정기(C220; Kroeplin, Schlüchtern, Germany)를 사용하여 시편의 높이를 측정하였다.

Table 1 . Group classification and study specimen content.

Number	Full name group	Abbreviated name group	Test specimen selection
1	First group	FG	The number of specimens was produced in 10 pieces
2	Second group	SG	UV polymerization was performed again with 10 specimens used in the FG group
3	Third group	TG	UV polymerization was performed again with 10 specimens used in the SG group

UV: ultraviolet..

Figure 2. Light-cured specimen. (a) Natural color. (b) Light color. (A) First group. (B) Second group. (C) Third group.

두 번째 집단(second group, SG)은 첫 번째 집단에서 수행된 광중합된 시편을 5분 동안 추가 광중합을 진행하였으며, 중합 세기는 1~3단계 중 중간인 2단계로 진행하였다(Fig. 2B). 이어서 디지털 측정기(C220; Kroeplin)를 사용하여 시편의 높이를 측정하였다.

세 번째 집단(third group, TG)은 두 번째 집단에서 광중합을 진행한 시편을 5분 동안 추가로 광중합을 진행하였으며, 중합 세기는 1~3단계 중 중간인 2단계로 진행하였다(Fig. 2C). 이어서 디지털 측정기(C220; Kroeplin)를 사용하여 시편의 높이를 측정하였다(Fig. 3).

Figure 3. Specimens of the final cured third group.

3. 통계분석

통계 분석(IBM SPSS Statistics ver. 22.0; IBM, Armonk, NY, USA)은 스캔된 시편의 수량이 적기 때문에 비모수 검정인 Kruskal-Wallis 검정으로 실시하였다(α=0.05).

Table 2에서는 광 중합 레진 시편의 높이를 측정한 결과 값이다. 측정 높이가 가장 큰 집단은 TG 집단이었으며, 가장 작은 집단은 FG 집단이었다. 한편, 집단 간 통계적으로는 유의한 차이는 보이지 않았다(p>0.05).

Table 2 . The results of the resin specimen of the mean, SD, median and 95% CI (Unit: mm).

Group	Mean±SD	95% CI		p-value
		Min	Max
FG	3.825±0.19	3.689	3.961	0.980
SG	3.827±0.18	3.698	3.957
TG	3.830±0.18	3.699	3.961

FG: first group, SG: second group, TG: third group, SD: standard deviation, CI: confidence interval..

Fig. 2는 광중합이 진행된 시편 사진이다. 스테인리스 몰드 내에서 광중합을 진행한 FG 집단은 시편 절반(a)만 시편의 본연의 색상을 보였으며, 다른 절반(b) 부위는 연한 색상을 보였다. 스테인리스 몰드에서 경화하지 않은 SG집단과 TG 집단은 전반적으로 본연의 색상을 보였다.

병∙의원에서 디지털 시스템의 사용 빈도가 높아지고 있는 현상은 시간적, 편의성 등 유저들이 만족해하고 있으나, 고가의 장비로 인한 단점도 존재한다[2]. 고가의 장비는 시간이 경과함에 따라 비용이 점자 낮아지고 있으므로 유저들이 더욱 관심을 끌고 있다. 3D 프린터에 사용되는 UV light-emitting diode 파장은 다음과 같이 분류된다. 자외선(315~405 nm, UV-A), 중 파장 자외선(280~315 nm, UV-B), 단파장 자외선(100~280 nm, UV-C)로 분류할 수 있다[13]. 본 연구에서 사용한 광중합 레진은 405 nm에서 경화 반응이 되는 광중합 레진을 사용하였다. 본 연구의 UV 세기는 1~3단계 중 2단계로 진행하였다. 1단계는 세기가 약하여 중합이 되지 않을 가능성이 있었으며, 반면 3단계는 세기가 강하여 시편이 변형될 가능성이 있기 때문에 중간 단계인 2단계로 진행하였다[14].

본 연구에서의 레진 시편의 깊이를 측정한 결과는 다음과 같다. FG 집단이 가장 작은 수치를 보였으며, TG 집단은 가장 큰 수치를 보였다. FG 집단과 TG 집단의 차이는 0.005 mm이었으나, 통계적으로는 유의한 차이를 보이지 않았다. 한편, Fig. 2의 A를 분석하였을 때, 시편의 상단 절반(a)은 진한 색을 보였으나, 하단 절반(b)은 밝은 색상을 나타났다. 이러한 현상은 스테인리스 몰드 상부에서 UV 조사를 받아 경화를 하였으나, 중간 부위와 하부는 UV가 투과되지 못해 상부에 비해 미반응으로 판단된다. Fig. 2의 B, C에서는 스테인리스 몰드와 시편을 분리 후 시편만 UV 경화를 진행 하였을 때 전반적으로 본연의 색상을 나타났다. 3D 프린팅으로 출력된 치과보철물은 광중합기를 사용하여 후경화 처리 시 상단 부위만 1차 후경화를 진행하는 경우가 있으나, 본 연구를 통해서 출력물을 뒤집어서 2차 후경화를 진행해야 할 것으로 판단이 된다.

선행 연구에서는 후경화 시간에 따른 다양한 연구결과들이 존재한다. Park과 Kang [10]은 10분 동안 광중합을 진행하였다. Kim [5]은 5분, 15분, 30분으로 광중합을 진행하였으며, 경화 시간이 길어져도 약간의 수축률은 있으나 통계적으로 유의한 차이는 없다고 보고된 바 있다. Cook [15]은 광중합 복합 레진의 중합 깊이는 광도, 시간의 영 향을 받으며, 가시광선을 이용하는 레진은 투과성이 우수하고 UV 세기도 크기 때문에 3~6 mm의 깊이에서도 충분한 중합이 가능하다고 하였다. 본 연구에서는 선행 연구를 참고하여 5분 동안 광중합을 진행하였으며, 4 mm에서 충분히 경화가 이루어졌으나, 중간 및 하부는 경화는 경화가 이루어지지 못한 것으로 판단된다. Cho 등[16]에 의하면 광중합 레진의 중합에 있어서 UV 세기뿐만 아니라 UV 조사 시간도 중요한 요소라고 하였으며, UV 조사 시간의 증가는 중합 깊이와 중합률에 영향을 미친다고 하였다. UV 조사 시간이 길어지면 중합을 개시하는 free radical을 형성하는 빛이 많이 도달하고, 중합률이 증가함으로써 수복물의 깊은 부위에서 경도가 증가한다고 보고한 바 있다[17]. 선행 연구를 통해서 UV 중합 시간을 더 늘려서 중합을 진행이 필요할 것이며, 광중합 세기도 높게 설정하여 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.

본 연구에서의 한계점은 불투명한 한 가지 색상을 가지고 실험을 하였으며, 중합 깊이는 4 mm의 높이로 설정하였다. 선행 연구에서는 2 mm, 4 mm, 6 mm로 진행하여 6 mm 높이까지 모두 경화가 되었으나 수축률에는 상이한 결과 값을 보였다[13]. 향후 연구에서는 6 mm 이상의 높이, 다양한 색상 및 투명도, UV 세기, 시편과 광의 거리 등에 따른 중합 깊이를 측정하는 것이 필요할 것이다. 또한, 빛의 조사 부위 유무에 따른 강도, 경도, 물 흡수도, 광중합 등에 따른 물리적 및 화학적 평가도 기초연구로 이루어져야 할 것이다.

본 연구에서는 광경화 레진의 경화 깊이에 따른 결론을 다음과 같이 얻었다. 4 mm의 두께의 광중합 시편 모두 광중합 반응이 있었으나, UV가 직접적으로 조사되지 못한 부분은 본연의 색상을 보여주지 못하였다. 따라서 3D 프린팅 출력 후 후경화 시 모든 면에 UV 조사가 이루어져야 할 것으로 시사한다.

None.

This study was supported by a 2022 research grant from Wonkwang Health Science University (2022033).

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