치과보철물에서 사용되는 비금속 합금은 우수한 물리적 특성과 생체 안정성으로 주로 금속도재관과 국소의치에 사용되고 있다[1,2]. 그 중 금속도재관은 지대치와 적합되는 금속하부구조물(이하 코핑)을 제작 후에 치아 색을 띄는 도재를 축성하여 완성하는 고정성 보철물로 심미성이 요구되는 경우에 적용이 가능하다[3,4].

1950년대 개발된 금속도재관은 금합금을 사용하여 코핑을 제작하고, 상부에 도재를 결합하여 제작되기 시작하였으나 현재는 주로 비귀금속 합금인 Ni-Cr과 Co-Cr을 사용하고 있다[4,5]. 코핑의 전통적인 제작 방식은 왁스로 납형을 조각하고 납형을 매몰, 소환, 주조하여 제작하였으나[6], 이러한 방식은 최종 결과물이 작업자의 숙련도에 의존적이며 시간 효율성이 떨어지고, 재료의 소모가 많은 단점을 가지고 있다[7].

수작업이 주를 이루던 치과 분야에 캐드캠(computer-aided design/computer-aided manufacturing, CAD/CAM)이 도입되면서 새로운 소재와 기술들의 사용이 가능해짐에 따라 코핑의 제작방식도 변화되었다[8]. 절삭가공방식(subtractive manufacturing)은 블록형태로 가공된 기성의 재료를 절삭공구(bur)로 삭제하며 제작하는 방식으로, 코핑의 제작에 있어 왁스블록을 절삭하여 금속 재료로 주조하거나 연질의 금속블록을 절삭하여 코핑을 제작하였다[9,10]. 하지만 이러한 절삭가공방식은 가공과정에서 재료 낭비와 밀링bur의 직경 및 형태로 인해 좁게 함몰된 부위나 언더컷에 대한 재현성이 부족한 한계가 발생하였다[11].

이러한 절삭가공방식의 한계를 보완하는 적층가공방식(additive manufacturing)은 three-dimensional (3D) 프린팅으로도 불리며, 이 방식은 액상이나 분말 형태의 재료에 광원이나 고온의 레이저를 의도한 부분에만 조사하여 경화시키고 이 과정을 반복하여 레이어를 층층이 쌓아 구조물을 제작한다(Fig. 1) [12,13]. 금속을 적층가공하는 방식 중의 하나인 selective laser melting (SLM) 방식은 금속 분말이 융합되도록 고출력의 레이저를 조사하여 구조물을 제작하는데, 복잡한 형태의 구조물도 가공이 가능하며, 기계적 성질이 우수하다고 알려져 있다[14,15]. 최근 이러한 SLM 방식을 적용한 치과용의 금속 3D 프린터가 출시되며, 기존의 노동집약적이고 경험의존적인 제작 방식과 밀링방식에서의 단점이 보완 가능해졌다[16,17].

Figure 1. (A) Overview of the SLM (selective laser melting) process, (B) melting metal powders using SLM.

하지만 CAD/CAM 시스템을 이용한 제작과정에서 스캔, 가공과정, 후처리 등에서 오차가 일부 발생되며 이는 보철물의 적합도에 영향을 주는 것으로 알려져 있다[18-20]. 적합은 보철물이 구강 내에서 유지되는 수명과 관련된 중요한 요소로, 적합이 부적절할 경우 시멘트 용해로 인한 미세누출의 증가로 이차우식이나 치주질환의 원인이 되며 치은변색과 치수염을 일으킬 가능성이 있다[3].

따라서 본 연구를 통해 SLM 방식과 주조방식으로 제작한 코핑의 적합도를 비교하여 임상에서의 적용가능성을 평가하고자 하였다. 선행된 SLM 방식의 적합도 관련 연구에서는 주로 산업 분야에서 사용되던 장비인데 반해 본 연구에서는 치과분야에서 주로 쓰이는 장비를 사용하였다[19,21]. 또한 왁스를 이용하여 조각한 납형은 전통적인 코핑 제작 방식의 대조군으로 다수 사용되었으나[22,23], 본 연구에서는 수작업으로 인한 오차를 최소화하기 위하여 왁스 납형을 대체하여 3D 프린터로 레진 납형을 제작하였다. 귀무가설은 ‘SLM 방식과 주조방식으로 제작한 코핑의 변연 적합도 간에 차이가 없을 것이다’, ‘SLM 방식과 주조방식으로 제작한 코핑의 내면 적합도 간에 차이가 없을 것이다’로 설정하였다.

본 연구는 다음과 같은 과정으로 진행 되었다(Fig. 2).

Figure 2. Study design for cobalt chrome coping and fit evaluation. SLM: selective laser melting, CRP: casting the three-dimensional printed resin patterns.

1. 주 모형의 제작

주 모형의 제작을 위해 교합면 2 mm, 6° 경사의 숄더 변연 1 mm로 삭제된 상악 우측 제1대구치 치아모형(D85DP-500B.1; Nissin Dental)을 선정하였다. 모델 스캐너(3Shape E4 scanner; 3Shape)를 사용하여 치아 모형을 스캔하고 digital light processing (DLP) 타입의 3D 프린터(Asiga MAX UV; Asiga)에 모형용 레진 용액(DentaMODEL; Asiga)을 사용하여 1개의 주모형을 출력하였다. 빌드 플랫폼에서 출력물을 분리하고 세척기(CARES P wash; Straumann)에 넣어 미경화된 레진액을 세척한 후, 광중합기(CureM; Graghy)에서 10분간 후경화시켜 주모형을 완성하였다.

2. 코핑 제작

모델 스캐너를 사용하여 주모형을 스캔하였다. CAD 소프트웨어(3Shape Dental System; 3Shape)를 사용하여 변연부위 1 mm 제외한 내면의 시멘트 공간을 30 µm 설정하고 0.5 mm의 일률적인 두께로 코핑을 디자인하고 stereo lithography (STL) 파일로 저장하였다.

캐드캠 소프트웨어 내의 슬라이싱을 이용하여 디자인된 STL 파일을 빌드 플랫폼 내에 위치시키고 계산한 후 SLM 방식의 3D 프린터(NCL-M2150t; Chamlion)와 Co-Cr분말(Chamlion)을 이용하여 10개의 코핑을 출력하였다(n=10). 적층레이어의 두께는 30 µm로 설정하였으며 레이저 스팟 직경 40 μm, 레이저 출력 200 W, 아르곤가스를 사용한 환경에서 공정 과정을 거쳤다[24,25].

슬라이싱 소프트웨어(Asiga Composer; Asiga)를 이용하여 디자인된 STL 파일을 빌드 플랫폼 내에 위치시키고 계산한 후 레진 3D 프린터(Asiga MAX UV)를 이용하여 주조용 레진(DentaCAST; Asiga)을 채운 수조를 장착하고 10개의 레진 납형을 출력하였다(n=10). 이때 출력 레이어는 50 μm로 설정하였다. 출력 완료 후 빌드 플랫폼에서 출력물을 스크래퍼로 제거 후 세척기로 잔여 레진을 세척하였으며, 주조를 위해 후 경화 과정은 거치지 않았다. 출력물의 서포터를 제거하고 레진 납형에 주조선을 부착하고 습윤제를 분사하였다. 인산염계 매몰제(BC-VEST CB-700; Bukwang)를 100 g:17 ml의 혼수비로 혼합하여 매몰하였다. 경화된 매몰주형을 소환로에 넣어 870℃까지 상승 후 30분간 계류하고 원심주조기의 도가니에 Co-Cr 인고트(StarLoy C; Degudent)를 넣고 불대를 이용하여 용융시킨 후 주조하였다. 방랭 후 매몰재와 주입선을 제거하고 샌드블라스터(Basic classic; Renfert)에 Al2O3 분말을 0.2 MPa의 압력으로 분사하여 코핑 내면의 잔여 매몰제를 제거하였다.

3. 실리콘 복제 기법을 적용한 적합도 측정

적합도 측정을 위해 실리콘 복제기법을 사용하였다[26]. SLM 군과 CRP 군 코핑 내면에 연질 실리콘(Aquasil Ultra XLV; Dentsply Sirona)을 주입하고 주모형에 적합시킨 후 만능시험기기(OTU-05S; Oriental TM)로 5 kPa의 압력을 5분간 유지하였다. 연질 실리콘의 경화가 완료되면 주모형에서 코핑을 분리하였다. 이렇게 얻어진 실리콘 막의 고정을 위해 지름 15 mm, 높이 10 mm로 제작한 전용 트레이에 실리콘 막과 보색을 이루는 경질 실리콘(Selection-K V.P.S Heavy; Shinhung)을 주입하고 실리콘 막을 넣어 경화시켰다.

완성된 실리콘 시편은 블레이드를 사용하여 근원심경의 중앙, 협설방향으로 수직 2등분하였다. 절단된 단면에 변연을 기점으로 하여 변연의 측정지점 A, H, 내면의 측정지점 B~G로 시편당 8개의 측정지점을 표시하였다(Fig. 3) [27]. 디지털 광학 현미경(KH-7700; Hirox)을 이용하여 140배율로 확대하여 8개의 측정지점의 2차원 거리를 측정하였다(Fig. 4).

Figure 3. Eight measurement points: marginal fit (points A, H), internal fit (axial points; B, G, occlusal angle points; C, F, and occlusal points; D, E).

Figure 4. Two-dimensional image of a silicon slice at x140 magnification using a digital microscope (A) selective laser melting group, (B) casting the three-dimensional printed resin patterns group. L: length.

4. 통계분석

두 군의 적합도 차이를 알아보기 위한 통계분석을 위해 SPSS 소프트웨어(IBM SPSS Statistics ver. 25.0; IBM)를 사용하였다. 데이터의 정규성 검정을 위해 Shapiro-Wilk 검정을 시행한 결과 CRP 군의 내면 적합도 값들이 정규분포를 따르지 않았기 때문에(p<0.05) 비모수 통계법인 Mann-Whitney U-test (α=0.05)를 이용하여 두 군 사이의 유의성을 검증하였다.

SLM 방식과 주조방식으로 제작한 코핑의 변연 및 내면 적합도를 측정한 결과 변연 적합도(측정지점 A~H)의 평균값은 SLM 군 69.67±18.04 µm, CRP 군은 117.10±41.95 µm이었다. 내면 적합도(측정지점 B~G)의 평균값은 SLM 군은 95.18±41.20 µm, CRP 군은 86.35±32.00 µm이었다. 군 간 통계적인 차이를 알아보기 위해 시행한 Mann-Whitney U-test 결과 변연 적합도에서 SLM 군과 CRP 군 간의 유의한 차이가 있는 것으로 나타났으나(p<0.05), 내면 적합도에서 SLM 군과 CRP 군 간에는 유의한 차이가 없었다(p>0.05; Table 1).

Table 1 . Mean±standard deviation of marginal and internal fit for two groups.

Measurement group	SLM group (µm)	CRP group (µm)	p-value
Marginal group	69.67±18.04	117.10±41.95	<0.001
Internal group	95.18±41.20	86.35±32.00	0.293

Measurement points of marginal group: A, H; internal group: B, C, D, E, F, G..

SLM: selective laser melting, CRP: casting the three-dimensional printed resin patterns..

측정 지점 별로 나누어 살펴보면 SLM 군에서의 A 지점의 평균값은 63.99±18.98 µm, B 지점 67.94±16.60 µm, C 지점 97.49±24.28 µm, D 지점 95.85±26.06 µm, E 지점 134.69±61.07 µm, F 지점 97.59±49.23 µm, G 지점 77.53±22.61 µm, H 지점 75.36±15.96 µm 으로 나타났으며 E 지점에서 가장 큰 간격을 보였다(Table 2). CRP 군에서는 A 지점 110.50±38.14 µm, B 지점 102.40±24.40 µm, C 지점 93.50±32.93 µm, D 지점 67.10±22.43 µm, E 지점 74.40±26.25 µm, F 지점 69.40±38.25 µm, G 지점 110.70±22.67 µm, H 지점 123.70±46.51 µm로 H 지점에서 가장 큰 간격을 가지는 것으로 나타났다. 측정 지점별로 SLM 군과 CRP 군 사이에 유의한 차이가 있는지 알아보기 위해 통계 분석을 시행한 결과 A, B, D, E, G, H 지점에서는 두 군 사이에 차이가 있는 것으로 나타났으나(p<0.05), C, F지점에서는 두 군 사이에 차이가 없었다(p>0.05).

Table 2 . Mean±standard deviation of detailed measurements of points (n=10).

Measurement points	SLM group (µm)	CRP group (µm)	p-value
A	63.99±18.98	110.50±38.14	0.010
B	67.94±16.60	102.40±24.40	0.002
C	97.49±24.28	93.50±32.93	0.241
D	95.85±26.06	67.10±22.43	0.023
E	134.69±61.07	74.40±26.25	0.028
F	97.59±49.23	69.40±38.25	0.112
G	77.53±22.61	110.70±22.67	0.010
H	75.36±15.96	123.70±46.51	0.008

SLM: selective laser melting, CRP: casting the three-dimensional printed resin patterns..

본 연구의 목적은 SLM 방식으로 제작한 코핑의 적합을 주조방식과 비교하여 임상에서의 적용 가능성을 알아보고자 하였다. 실험결과 SLM 군의 변연 적합도 평균값은 69.67±18.04 µm, CRP 군은 117.10±41.95 µm이었고, SLM 군의 내면 적합도 평균값은 95.18±41.20 µm, CRP 군은 86.35±32.00 µm이었다. 값이 낮을수록 지대치와 코핑 사이의 간격이 적어지는 것으로 적합도가 우수함을 나타낸다.

여러 문헌들을 종합해 임상적으로 허용가능한 변연 간격의 한계는 120 µm 이내, 내면 간격의 한계는 140 µm 이내로 보고 있다[28,29]. 본 연구결과에 SLM 방식의 변연 및 내면 간격은 선행연구에서 제시하고 있는 임상허용 한계 내의 값을 가지는 것으로 나타났다. 변연 적합도에 있어 SLM 군과 CRP 군 사이 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 나타나 ‘SLM 방식과 주조방식으로 제작한 코핑의 변연 적합도 간에 차이가 없을 것이다’는 귀무가설은 기각되었으며, 적합도 관점에서 SLM 방식이 주조방식을 우수하게 대체할 수 있음을 보였다. 하지만 내면 적합도에 있어 두 군 사이 통계적으로 유의한 차이가 있는 것을 나타내지 못하여 ‘SLM 방식과 주조방식으로 제작한 코핑의 내면 적합도 간에 차이가 없을 것이다’는 귀무가설은 기각되지 않았다.

SLM 방식과 관련하여 보고되었던 여러 연구들의 결과를 살펴보면 Daou와 Baba [30]는 SLM으로 제작한 코핑에 소둔과 도재 소성 주기의 열처리를 가하면 변연 및 내면 적합도가 낮아진다고 보고하였으며, Zhang 등[31]은 SLM 방식으로 제작한 가철성부분의치 클래스프의 적합도는 주조방식과 차이가 없다고 보고하였다. Lapcevic 등[32]과 Zhou 등[33]은 SLM으로 제작한 Co-Cr은 주조방식과 비교하여 강도와 인성이 우수한 것으로 보고하였는데, 이를 균질하고 규칙적인 표면으로 인한 것으로 분석했다. 이에 더해 Kruth 등[34]의 SLM 방식과 selective laser sintering (SLS) 방식의 기계적 성질을 비교한 연구에서 SLM 방식이 우수하다고 보고하였다. SLS 방식은 금속 분말을 녹는점 이하의 온도에서 뭉치도록 소결하는 것으로 용융시켜 결합시키는 SLM 방식과 차이가 있다. SLM 방식과 주조방식으로 제작한 Co-Cr 금속 크라운의 변연 적합도를 평가한 Xu 등[35]의 연구에서 SLM 군이 주조군보다 우수하다는 결과가 도출되어 본 연구와 비슷한 양상을 보였다. 그러나 선행연구는 6 mm 높이의 원기둥 모형을 지대치로 사용하여 실험을 진행하였으며 본 연구는 치형을 사용한 해부학적 외형에서 컷백한 형태의 코핑으로 평가하였다는 점에서 의의가 있다.

본 연구에서는 간접측정법에 속하는 실리콘 복제 기법을 사용하여 적합도를 측정하였다[26]. 이 기법은 주모형에 직접적인 손상을 주지 않으면서 다방향 측정과 반복 측정이 가능하다는 장점이 있다. 흐름성이 높은 연질 실리콘을 사용하여 주모형과 제작한 보철물 사이의 공간을 인기하는 것으로, 실리콘 경화 후 경질 실리콘으로 보강하고 절단하여 단면의 간격을 측정하는 적합 평가 기법이다. 이러한 실리콘 작업 동안 발생할 수 있는 변수는 결과에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 시편마다 동일한 힘을 가하도록 만능시험기를 이용하였으며, 동일한 지점의 측정을 위해 버니어캘리퍼를 사용하였다. 또한 코핑 제작 시 납형 조각에서 발생하는 변수를 통제하고자 SLM 군과 동일한 STL 파일을 이용하여 DLP 방식의 레진 프린터로 납형을 출력하였고[36], 주조를 포함한 전체 과정은 숙련된 치과 기공사 한명에 의해 이루어졌다. 그러나 시편이 단일 지대치로 한정되어 있고 실험실 연구라는 점에서 한계가 존재하고, 추후 치료 범위가 넓은 교의치 등 다양한 보철물에 대한 추가 연구와 임상에서의 연구가 이루어져야 할 것이다.

1. 변연에서는 SLM 방식과 주조방식의 적합도 간에 통계적으로 유의한 차이가 있는 것으로 나타났으며, SLM 방식이 주조 방식보다 우수한 적합도를 나타냈다.

2. 내면에서는 SLM 방식과 주조방식의 적합도 간에 통계적으로 유의한 차이가 없었지만 주조 방식이 SLM보다 우수한 적합도를 나타냈다.

3. SLM 방식의 변연 및 내면 적합도는 선행연구에서의 제시하고 있는 임상적 변연 한계값인 120 µm와 내면 한계값 140 µm 이내의 수치를 보였다.

4. SLM 방식의 적합도 평가 결과는 선행연구에서 제시하고 있는 임상적으로 허용 가능한 범위의 내로 적합도의 관점에서 본다면 현재의 주조방식을 혼용하거나 대체 사용이 가능할 것으로 보인다.

None.

None to declare.

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