자가중합형 아크릴 레진은 내변색성과 표면 광택성 및 가공성이 좋아서 치과용 보철물이나 치과 교정 장치물 제작 시 다양한 부분에서 활용되어지고 있다.

치의학에서 폭넓게 사용되는 자가중합형 아크릴 레진은 주로 polymethyl methacrylate로 제작되며, 중량체(polymer)와 단량체(monomer)를 혼합한 중합 과정을 통해 사용되는 치과재료이다[1].

중합 방법에 따라 열 중합 방식(heat cured resin)과 자가 중합 방식(autopolymerized resin)으로 나눌 수 있다. 열 중합 방식은 benzoyl peroxide가 열에 의해 분해되어 자유 라디칼을 형성함으로써 중합 반응이 진행되어 완성되는 것이고, 자가 중합 방식은 benzoyl peroxide가 실온에서도 단량체에 포함된 tertiary amine에 의해 자유 라디칼을 형성함으로써 중합되어 완성된 것이다[2,3].

그 중에서도 자가중합형 아크릴 레진은 가철성 치과 교정 장치물에 가장 많이 사용되고 있다. 자가중합형 아크릴 레진은 열 중합 레진에 비해 미반응 단량체가 미량 남는 경우가 있으나 조작이 편리하고 체적 안정성과 조직의 친화성, 강도 등이 좋기 때문에 많이 사용하고 있다[4,5].

이러한 치과용 자가중합형 아크릴 레진은 의치상 제작, 임시 치관, 개인트레이, 가철성 교정용 장치 등의 제작이 가능하고 조직치료제나 시멘트와 같은 다양한 수복재료로의 활용이 가능하다[6,7].

가철성 교정 장치 제작에 사용되는 자가중합형 아크릴 레진은 교정용 와이어와 함께 사용된다. 교정용 와이어는 착탈 시 구강 내에서 유지를 얻을 수도 있고, 치열의 위치를 보정해 주는 역할도 한다. 자가중합형 아크릴 레진과 교정용 와이어는 환자의 구강 상태에 따라서 다양한 치과 교정 장치물을 제작할 수 있다. 교정용 와이어는 치과기공사에 의해 치아 형태에 따라 밴딩을 하게 되고 와이어의 끝 부분은 태그 처리하여 레진 안쪽에 들어가도록 제작된다. 이때 와이어의 태그 처리 부분은 치과기공사의 역량에 따라 짧거나 길게 제작이 가능하다(Fig. 1).

Figure 1. Wires inserted into orthodontic appliances for dental use.

치과용 자가중합형 아크릴 레진은 교정 환자들에 의해 장기간 구강 내 사용하게 되며, 치과 교정 장치물을 사용하는 연령대도 상대적으로 낮기 때문에 기계적 특성은 무엇보다 중요하다. 구강 내 사용 중 외부 충격이나 부주의로 바닥에 떨어 뜨려 충격을 가하게 되면 레진은 파손될 수 있다[8].

치과 교정 장치물 제작 시 교정용 와이어 태그가 자가중합형 아크릴 레진상에 삽입되면 강도 값에 영향을 미칠 것이다. 그러나 삽입된 교정용 와이어가 자가중합형 아크릴 레진에 어느 정도 기계적 성질의 변화를 주는지 연구한 사례가 현재 미미한 실정이다.

이에 본 연구에서는 자가중합형 아크릴 레진에 교정용 와이어 삽입 유무에 따른 시편을 제작하여 International Organization for Standardization (ISO) 20975-2 type 1: autopolymerizable materials [9]의 굽힘강도(flexural strength [FS]), 탄성계수(flexural modulus [FM]), 항복강도(proportional limit [PL]), 파절에너지(work of fracture [WOF]) 등의 기계적 특성을 비교 분석하여 치과 교정 장치물 제작 시 활용하고자 하였다.

1. 실험재료

본 연구에서는 교정용 자가중합형 아크릴 레진(Ortho-Jet, Lang)과 치과용 교정 와이어 0.7 mm, 0.9 mm (Remanium, Dentaurum)를 사용하였다(Table 1, Fig. 2).

Table 1 . Orthodontic resin and wire materials used this study.

Product	Size	LOT	Status
Remanium(Dentaurum)	0.7 mm	456881
	0.9 mm	455998
Ortho-Jet (Lang)	Pink	1334K20BA	Liquid+powder

Figure 2. (A) Orthodontic resin (Ortho-Jet, Lang) and (B) dental wire (Remanium, Dentaurum).

2. 연구방법

1) 레진 시편 제작

시편은 화이트 초경석고(New plastone, GC)를 사용하여 70 mm×11 mm×7 mm의 석고막대를 제작하였고 치과용 실리콘(Elite Double, Zhermack)을 사용하여 몰드를 제작하였다.

레진 시편은 제작된 몰드에 교정용 자가중합형 아크릴 레진을 사용하여 제작하였고 중합 방법인 spray on technique으로 진행하였다. 분액비는 제조사의 메뉴얼대로 중량체와 단량체 부피의 비 2.5:1.0으로 진행하였으며, 중합 설정은 40℃, 3 bar의 압력으로 15분간 pressure pot (Curing Unit, Sejong Dental)을 사용하여 습식 중합하였다(Fig. 3).

Figure 3. The process of making a specimen. (A) Specimen made of ultra stone, (B) spray on technique, and (C) wetting polymerization unit.

대조군은 중량체와 단량체를 정해진 양에 맞추어 혼합 후 중합하였고(no wire, NW), 실험군은 와이어 직경 0.7 mm (0.7 mm wire, 7W), 0.9 mm (0.9 mm wire, 9W) 와이어를 시편 중앙에 1개(7W1, 9W1), 시편 중앙에 2개(7W2, 9W2), 와이어 사이를 5 mm 띄어서 2개 삽입(7W3, 9W3)하여 6개씩 42개의 시편을 제작하였다.

2) 시편의 연마

중합이 완료된 모든 시편은 ISO 20975-2 규격에 맞춘 모델트리머(Model trimmer, Shinmyung)를 이용하여 1차 연마를 실시하였다. 1차 연마된 시편은 연마기(LaboPol-5, Struers)를 사용하여 #800, #1200 Sic Paper로 습식 연마하여 두께가 3.3 mm, 폭은 10 mm, 길이는 65 mm로 최종 완성하였다(Fig. 4).

Figure 4. Design drawings and manufactured specimens. NW: no wire, W: wire.

3) 기계적 특성 측정

기계적 특성을 측정하기 위해 만능물성실험기(Instron 3344, Instron)를 이용하여 측정하였다. 실험 전 완성된 시편은 항온항습기에서 37℃의 증류수에서 48시간 보관하였고 측정 시 구강 내 환경을 재연하기 위해 37℃의 물이 담긴 수조 안에서 3점 FS, FM, PL, WOF를 측정하였다. 이때의 하중 속도는 5 mm/min으로 진행하였다(Fig. 5, 6).

Figure 5. (A) Flexural test of specimen at 37℃ water bath according to ISO 20795-2 (Instron 3344, Instron) and (B) fractured specimens.

Figure 6. Typical stress-stain graph of specimens.

4) 통계분석

FS, FM, PL, WOF의 평균값들의 비교분석을 하기 위하여 IBM SPSS Statistics ver. 23.0 (IBM) 프로그램을 이용하여 일원배치분산분석(one-way ANOVA)을 실시하였고, 유의수준은 p=0.05에서 Duncan test로 사후 검정하였다.

교정 장치용 자가중합형 아크릴 레진에 교정용 와이어 삽입에 따른 기계적 특성의 측정결과를 와이어 직경에 따라 Table 2, 3에 정리하였다. 치과용 와이어가 삽입되지 않은 자가중합형 아크릴 레진(NW)의 3점 FS는 54.6 Mpa, FM은 1.98 Gpa, PL은 21.2 Mpa, WOF는 7.18 KJ/mm²의 값을 나타내었다.

Table 2 . Mechanical properties using 0.7 mm wires tested by Duncan test.

Group	FS (Mpa)	FM (Gpa)	PL (Mpa)	WOF (KJ/mm2)
NW	54.60 (0.8)a	1.98 (0.0)a	21.22 (1.4)a	7.18 (0.5)a
7W1	60.50 (3.5)b	2.20 (0.2)ab	25.22 (4.0)b	9.86 (1.3)b
7W2	65.46 (2.9)c	2.32 (0.2)b	26.08 (3.1)b	10.86 (0.7)bc
7W3	65.98 (2.8)c	2.36 (0.2)b	27.36 (2.4)b	11.14 (0.4)c

FS: flexural strength, FM: flexural modulus, PL: proportional limit, WOF: work of fracture, NW: no wire, W: wire..

^abcDifferent small letters mean significant differences by the Duncan test (p=0.05)..

Table 3 . Mechanical properties using 0.9 mm wires tested by Duncan test.

Group	FS (Mpa)	FM (Gpa)	PL (Mpa)	WOF (KJ/mm2)
NW	54.6 (0.8)a	1.98 (0.0)a	21.22 (1.4)a	7.18 (0.5)a
9W1	68.7 (3.2)b	2.37 (0.1)b	26.98 (4.1)b	10.01 (1.3)ab
9W2	83.3 (5.1)c	2.65 (0.3)c	30.66 (2.6)b	12.90 (6.6)b
9W3	83.2 (5.9)c	2.94 (0.2)d	31.30 (3.7)b	19.09 (3.0)c

FS: flexural strength, FM: flexural modulus, PL: proportional limit, WOF: work of fracture, NW: no wire, W: wire..

^abcdDifferent small letters mean significant differences by the Duncan test (p=0.05)..

0.7 mm 와이어를 삽입한 시편(7W)의 값은 치과용 와이어가 삽입되지 않은 자가중합형 아크릴 레진(NW) 시편보다 통계적으로 유의한 차이가 있었다. 또한 와이어 한 개를 삽입한 시편(7W1)보다 와이어를 두 개 삽입한 시편(7W2)의 FS 값이 증가하였다.

0.9 mm 와이어를 삽입한 시편(9W)은 치과용 와이어를 삽입하지 않은 자가중합형 아크릴 레진(NW)보다 3점 FS, FM, PL, WOF가 유의적으로 차이가 나타났다.

0.7 mm와 0.9 mm 와이어 2개를 붙여서 제작한 시편(7W2, 9W2)과 5 mm 간격을 준 시편(7W3, 9W3)은 통계적으로 유의한 차이가 없었다.

Table 4의 결과 값은 와이어 직경이 증가함에 따라 3점 FS가 유의적 차이가 나타났고, 치과용 와이어를 삽입한 후 FM, PL, WOF 값은 증가하였지만 유의적 차이가 없었다.

Table 4 . Mechanical properties using 0.7 mm, 0.9 mm wires tested by Duncan test.

Group	FS (Mpa)	FM (Gpa)	PL (Mpa)	WOF (KJ/mm2)
NW	54.6 (0.8)a	1.98 (0.0)a	21.22 (1.4)a	7.18 (0.5)a
7W1	60.5 (3.5)b	2.20 (0.2)b	25.22 (4.0)ab	9.86 (1.3)b
9W1	68.7 (3.2)c	2.37 (0.1)b	26.98 (4.1)b	10.01 (1.3)b

FS: flexural strength, FM: flexural modulus, PL: proportional limit, WOF: work of fracture, NW: no wire, W: wire..

^abcDifferent small letters mean significant differences by the Duncan test (p=0.05)..

치의학에서 사용되는 중량체 재료는 다양한 용도로 개발되어 사용되고 있다. 중량체는 단량체가 반복적으로 모여 형성된 유기분자 화합물질로 치과 교정 장치물로 제작되고 있는 자가중합형 아크릴 레진이 대표적이다[10].

자가중합형 아크릴 레진은 자외선 범위 안에서 변색되지 않고 수명이 길며 매우 단단하다. 특히, 열 중합 레진에 비해 조작이 간편하고 중합 반응이 빨라 초보자도 쉽게 제작할 수 있는 장점이 있어 현재 치과 교정 장치물 제작 시 많이 사용하고 있다[11].

가철성 교정 장치는 장기간 착용하며 교정 상태를 유지해야 하므로, 자가중합형 아크릴 레진은 충분한 강도가 필요하다. 그러나 자가중합형 아크릴 레진이 구강 내 타액에 오랜 시간 노출되게 되면 중합체 사슬을 약하게 하여 표면 강도와 경도를 약화시킨다고 하였다[12]. Takahashi 등[13]은 자가중합형 아크릴 레진을 장기간 수분에 노출 시 FS가 감소하므로 아크릴 레진의 파절을 막기 위해서는 적당한 FS가 필수적이라고 하였다. 치과 교정 장치물 제작은 대부분 자가중합형 아크릴 레진과 교정용 와이어를 함께 사용하여 제작한다. 이에 본 연구는 치과용 자가중합형 아크릴 레진에 교정용 와이어를 삽입했을 때 발생하는 기계적 특성 변화를 분석하여 FS의 변화를 비교 분석하고자 하였다. 치과기공사가 제작하는 교정용 와이어 밴딩의 태그 부분은 레진 안쪽에 설정되며 태그 부분이 자가중합형 아크릴 레진의 기계적 특성에 어떤 영향을 미치는지 다양한 조건의 레진 시편을 제작하고, 3점 FS, FM, PL, WOF를 측정하여 비교하였다.

구강환경을 재현하기 위해 37℃의 물이 담긴 수조 안에서 진행되었으며, 임상에서 와이어의 태그를 붙이거나 띄어서 제작하는 교정 장치의 차이점을 비교 분석하기 위해 5 mm의 간격을 설정하여 시편 제작 후 비교 분석하였다.

교정용 와이어가 삽입된 자가중합형 아크릴 레진 시편은 삽입되지 않은 시편에 비해 기계적 특성이 전반적으로 향상되었다. 특히, 0.7 mm, 0.9 mm 와이어가 삽입된 시편은 FS와 FM이 유의미하게 증가하였으며, 와이어의 개수가 증가할수록 그 효과가 더욱 뚜렷하게 나타났다. 그러나 2개의 와이어를 붙여서 제작하거나 띄어서 제작할 경우 기계적 특성은 특별한 차이가 없음을 알 수 있었다. 와이어의 두께가 증가함에 따라 레진의 기계적 특성 또한 증가함을 알 수 있었고, 치과 교정 장치물 제작 시 와이어 삽입은 자가중합형 아크릴 레진의 구조적 강화에 기여함을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 ISO 20795-2 [9]의 규격에 따라 시편을 제작하여 3점 FS 실험을 진행하였다. ISO 20795-2에서 요구되는 FS의 값은 50 MPa, FM의 값은 1.5 GPa이다[9,14]. 본 실험에서 FS와 FM의 값은 ISO 기준치에 상회하는 결과 값을 가지고 있으며, 0.7 mm와 0.9 mm의 와이어를 삽입한 시편에서도 상회하는 결과 값을 보였다. 이를 와이어가 없을 때와 있을 때의 비율로 계산해 보면 0.7 mm 와이어를 삽입한 경우 약 10%, 0.9 mm 와이어를 삽입한 경우 약 20.5% 정도의 강도 값이 상승한 것을 알 수 있었다.

그러나 이번 실험을 통해 장시간 사용에 따른 자가중합형 아크릴 레진의 기계적 특성 변화와 다양한 종류의 자가중합형 아크릴 레진과 와이어를 비교 분석한 추가적인 실험이 필요하다는 것을 제안하는 바이다. 이를 통해 치과 교정 환자에게 조금 더 안전하고 강도 좋은 치과 교정 장치물 제작이 가능해질 것이다.

본 연구에서 교정용 자가중합형 아크릴 레진에 치과용 교정 와이어가 삽입되었을 때의 기계적 특성을 측정한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 교정용 자가중합형 아크릴 레진에 치과용 와이어를 삽입했을 때 3점 FS, FM, PL, WOF가 증가하였다.

2. 와이어 직경이 증가함에 따라 3점 FS가 증가하는 것을 알 수 있었다.

3. 와이어를 2개 붙여서 제작한 시편과 5 mm 간격을 준 시편의 3점 FS 값은 유의한 차이가 없었다.

치과 교정 장치물 제작 시 교정용 자가중합형 아크릴 레진에 치과용 교정 와이어가 삽입 되었을 때 FS가 커지는 것을 알 수 있었고, 임상에서의 교정 장치물 제작 시 얇은 레진 부위에는 와이어 삽입을 통해 강도를 보강하면 보다 견고한 치과 교정 장치물 제작이 될 것으로 사료된다.

None.

None to declare.

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