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서론
AM (additive manufacturing)을 이용한 치과 보철물의 제작은 매우 많은 이점이 있다. SM (subtractive manufacturing) 방식으로 보철물을 제작할 경우에는 블록을 절삭하여 보철물을 제작하기 때문에 부산물들이 발생하고 그 부산물들을 폐기해야 하므로 재료의 낭비가 심하다. 반면, AM 방식으로 보철물을 제작할 때에는 필요한 양 만큼만 보철물 제작에 이용되고 나머지 재료는 그대로 다음 보철물 제작에 활용이 가능하다. 또한 SM 방식에서는 버의 소모로 인한 비용도 상당한 반면 AM 방식에는 버 등의 소모가 없어서 버에 대한 비용이 절감된다. 뿐만 아니라 SM 방식으로 보철물을 제작할 경우 절삭에 의한 소음이 많이 발생하는 반면 AM 방식으로 제작할 때에는 절삭과정이 없으므로 SM 방식에 비하여 소음이 적게 발생한다.1 그리고 기존의 SM 방식과 마찬가지로 디지털화가 가능하여 인상 채득 및 다양한 기공과정의 생략이 가능하므로 시간과 비용을 많이 절약할 수 있게 된다.2 또한 AM기술을 사용하면 SM기술보다 정교한 생산물의 제작이 가능한데 SM의 경우 절삭 기구의 움직임에 제약이 있는 반면 AM의 경우에는 그러한 제약이 없기 때문이다.1 AM기술로 제작한 레진 보철물이 임상적으로 용인할 만한 정밀도를 가진다는 연구 결과들도 존재한다.2,3 과거에는 AM 기기들이 크고 무거웠으나 최근에는 작고 경량화 된 것도 고무적이다.4
이러한 AM기술은 다양한 재료와 기술에 이용될 수 있다. 폴리머, 세라믹, 금속 등 다양한 재료를 사용하여 보철물 제작이 가능하다.5 AM기술로 제작한 임플란트를 식립하고 보철물을 제작한 후 3년 동안 94.5%의 생존률을 확인하기도 했고,6 다공성의 Ti-6AL-4V의 표면 거칠기를 조절하여 조골세포의 생성을 유도하여 임플란트에 AM기술 도입이 가능함을 밝혔다.7 치주조직유도재생술까지도 AM기술을 적용할 수 있는 가능성이 제시되었으며8 교정장치에 적용해 본 연구,9 국소의치의 조직면을 최적화하거나,10 클래스프의 물성을 조사하는 데에11 AM을 이용한 연구도 있다. 코의 재건,12 눈과 두개골의 재건,13 하악골의 재건,14 광범위한 중안모의 재건15 등 구강 악안면 전반의 재건에도 AM기술이 적용되었다.
이와 같이 여러 가지 이점이 있고, 다양한 재료에 적용이 가능한 AM기술은 치의학계에서 점차 주목 받고 있다. 어느 때인가부터 AM기술을 치의학에 적용하기 위해 활발한 연구가 이루어지기 시작하고 있다. 많은 학자들이 AM기술을 치의학에 적용하는 것은 미래의 치의학 발전에 있어서 필수적이라고 생각하고 있다.
다만, AM기술이 치과 임상에 적용되기 위해서는 AM기술에 사용하는 재료들의 다양한 성질들에 관한 조사가 필수적이다. 파절강도, 인장강도, 피로강도 등의 물리적인 성질, 제작 시 정밀도, 생체 적합성 등등, 다양한 성질에 관한 연구가 충분히 연구되고 검증되어야 한다.
그러나 치의학 용도로 AM을 이용할 때에 사용하는 재료들의 다양한 성질에 관한 연구 결과는 아직 불충분한 실정이다. 치과용 레진의 물리적 성질에 관한 조사들이 이루어지고 있으나 아직 그 데이터 양이 충분하지 않으며 연구 결과들도 한정적이다. 치과용 레진의 경우에, 기존의 조사로는 프린팅 각도에 따른 압축파절강도에 관한 연구가 있으나, 임상에 사용되는 3유닛 고정성 보철 형태의 보철물에 관해서는 아직 연구된 결과는 없다.
이 논문에서는 DLP방식으로 출력한 3유닛 고정성 보철 형태의 보철물에 관하여 굴곡강도를 측정하여 조사하였다. 이 때에 DLP방식의 프린팅에 사용되는 레진 재료의 종류에 따라서 그 강도가 어떻게 다른지 조사하였다.
연구 재료 및 방법
1. 시편 제작
1) 시편 재료
실험을 위한 시편 재료로는 DLP 3D 프린트용 레진을 사용하였다. 레진은 NC (Nextdent Co., Seosterberg, Netherland), DP-1 (Aekyung Chemical Co., Seoul, Korea), DT-1 (Veltz3D Co., Incheon, Korea)의 세 가지 종류를 사용하였다(Table 1).
Table 1
Composition and physical properties of materials
2) 금속 지그 및 압입자 제작
금속 지그는 3유닛 고정성 보철의 임플란트 지대주를 가정한 형태로 제작하였다. 상단으로 갈수록 직경이 작아지는 원기둥 형태 중 가는 부분은 하악 제2소구치 부분을, 두꺼운 부분은 하악 제2대구치 부분을 나타내며 그 사이에는 제1대구치에 해당하는 공간은 지대주를 생략하여 3유닛 고정성 보철 제작시 폰틱으로 처리할 수 있게 하였다.
3) 시편제작
시편은 금속 지그의 크기에 맞추어 제작했다. 우선, 스캐닝 작업 시 빛의 반사를 막기 위하여 금속 지그에 IP-Scan-Spray (IP division Co., Hainhausen, Germany)를 도포하였다(Fig. 2A) 그리고 금속 지그를 3D스캐너 Identica Hybrid (Medit Co., Seoul, Korea)에 넣고 스캐닝하여 3D 데이터를 얻었다(Fig. 2B). 이렇게 얻어진 가상의 금속 지그에 ExoCad 소프트웨어를 이용하여 3유닛 고정성 보철을 디자인하였다. 그리고 디자인된 고정성 보철에 VeltzBP 소프트웨어를 이용하여 슬라이싱작업을하고 보철을 DLP 3D 프린터인 DP-150 (Veltz 3D Co.)로 출력했다(Table 2). 출력 시 사용한 재료는 NC, DP-1,DT-1의 세 가지이다.
Fig. 2
Procedure of specimen fabrication. (A) Metal jig with IP-scan-spray, (B) Metal jig in the scanner, (C) Scanning area setting, (D) Virtual model of metal jig, (E) Setting cement gap, (F, G) Bridge design, (H) Specimen designed with supporters
Table 2
Specifications of DLP printer
출력 각도는 수평면에 대하여 30°로 하였다. 또한 각각의 재료마다 동일한 방식으로 5개씩의 시편을 제작하였다. 제작한 시편은 Denstar-300(Denstar Co., Daegu, Korea)경화기를 이용하여 경화시켰다. 시편의 규격은 Tinschert 등18의 연구에서 사용한 규격을 참고하여 연결부의 두께, 교합면의 교두와, 와, 측면 및 마진의 두께 등을 결정하였다. 소구치 사이의 연결부는 가로 4 mm에 세로 5 mm 폭으로 하였고, 소구치와 대구치 사이의 연결부는 가로 5.5 mm 세로 5.5 mm의 폭으로 하되 단면은 모서리가 둥근 역삼각형 형태의 타원으로 하였다.
2. 시험방법
금속 지그를 만능시험기(Instron8871, Instron Co., Norwood, USA)에 고정시켰다. 금속 지그 위에 시편을 안착시켰다. 시편에 압입자를 이용하여 힘을 가했다. 압입자의 힘을 가하는 부분은 6 mm 직경의 구 형태이다(Fig. 1).
압입자로 힘을 가할 때 1.0 mm/min의 속도로 진행하였으며 파절 전에 가해진 힘의 최고점을 기록하였다(Fig. 3).
이후, 시편에 파절이나 크랙이 발생한 양상을 관찰하였다. 파절이나 크랙이 주로 발생한 위치, 크기 등을 시편군에 따라 비교하였다
굴곡강도 실험 후 통계분석에 SPSS를 사용하였으며 일원배치 분산분석을 하였고 사후분석으로는 Tukey를 사용하였다. 독립변수는 시편의 종류이며 종속변수는 시편의 굴곡강도이다. 통계적 유의수준 P < 0.05로 검증하였다.
결 과
1. 굴곡강도
실험군 NC군의 굴곡강도는 1119 ± 305 N, 실험군 DP-1군의 굴곡강도는 619 ± 150 N, 실험군 DT-1군의 굴곡강도는 413 ± 65 N으로 나타났다. 세 군의 시편을 통계적으로 분석했을 때 평균 굴곡강도는 NC > DP-1> DT-1으로 나타났지만 일원배치분산분석 및 사후검정(Tukey HSD)적용 및 P < 0.05에서 유의성을 나타낸다고 보았을 때, NC와 다른 군들 사이에만 유의한 차이가 있고, DP-1과 DT-1사이에는 차이가 없는 것으로 나타났다(Table 3).
Table 3
Result of statistical analysis
| (I) Specimen | Average flexural strength | (J) Specimen | Average difference (I - J) | Standard error | SignificanceProbability | 95% Confidence interval | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Lowest value | Highest value | ||||||
| NC | 1119 | DP-1 | 500.20000* | 131.24932 | .007 | 145.7144 | 854.6856 |
| DT-1 | 706.45000* | 139.21092 | .001 | 330.4612 | 1082.4388 | ||
| DP-1 | 619 | NC | -500.20000* | 131.24932 | .007 | -854.6856 | -145.7144 |
| DT-1 | 206.25000 | 139.21092 | .336 | -169.7388 | 582.2388 | ||
| DT-1 | 413 | NC | -706.45000* | 139.21092 | .001 | -1082.4388 | -330.4612 |
| DP-1 | -206.25000 | 139.21092 | .336 | -582.2388 | 169.7388 | ||
2. 시편 파절 양상
시편은 주로 연결부나 폰틱에서 파절이 일어났음을 보여주었다. NC재료로 제작한 시편의 경우에는 다수의 조각으로 파절되어 나뉘어지는 양상이 많이 나타났다. 반면, DT-1은 모두 완전히 파절되기보다는 결합이 완전히 해체되지 않은 크랙 상태의 파절을 나타내었다. DP-1시편은 NC시편과 DT-1의 중간 정도의 파절상태를 보였는데 결합이 완전히 해체된 경우도 있었고 결합이 완전히 해체되지 않은 크랙상태도 있었다. 그러나 모든 실험군에서 파절은 주로 연결부나 폰틱 부위에서 일어났다(Fig. 4).
고찰
Alharbi 등21은 AM기술을 이용하여 시편을 출력하고 압축파절강도를 측정할 때에 출력 각도가 압축력에 대해 수직일 때에 압축파절강도가 높게 나타남을 보였으며 이는 출력 시 층간의 결합력이 층 내의 결합력보다 약하기 때문이라 하였다. 이것을 본 연구에 적용하여 최고의 값을 얻으려 한다면 수평면에 대하여 0°각도로 출력해야함을 의미한다. 하지만 본 연구에서 출력 각도를 0°로 할 경우에는, 크라운의 내면에 서포터가 자리잡게 되어 내면 상태 또는 시편이 지그에 안착되는 것에 있어서 오차를 야기하게 된다. 따라서 본 실험에서는 편의적인 면을 고려하여 0°각도가 아닌 30°각도로 시편을 출력하였다.
굴곡강도와 굴곡탄성은 다음과 같이 표현할 수 있다.22
위의 식에 의하면 시편의 규격이 일정할 때에 굴곡강도는 오로지 힘에 비례한다. 그러나 각 시편 재료를 제공한 회사들에서 제시한 굴곡강도는 DT-1 > NC > DP-1이고, 본 연구에서 나타난 굴곡강도는 NC > DP-1 > DT-1로 일치하지 않는다. 이로서, ISO규격이 아닌 임상에서 사용하는 형태에서는 다른 여러 가지 요소가 굴곡 강도에 개입될 가능성을 보여준다. 임상적으로 사용하는 형태에서는 균일하지 않은 모양이나 형태로 인하여 크랙의 전파 등이 ISO규격의 시편과는 다른 방식으로 일어날 수 있음을 보여준다.
굴곡탄성률 또한 굴곡 강도와 연관관계를 찾을 수 없다. 굴곡탄성률은 DT-1 > DP-1 > NC 순서이므로 본 연구에서 나타난 굴곡강도의 순서 NC > DP-1 > DT-1와 일치하지 않는다. 그러나 파절 경향성과 연관관계를 좀 더 조사해볼 필요가 있다. 본 연구에서 파절편이 나뉘어지는 경향은 NC > DP-1 > DT-1 순서로 나타났는데, 굴곡탄성률과 반대의 경향을 나타낸다. 굴곡 탄성률과 파절편이 나뉘어지는 경향 사이에 어떠한 연관성이 있는지에 대해서는 새로운 연구주제가 될 수 있어 보인다.
시편의 파절이 주로 연결부 및 폰틱부위에서 일어나는 것은 고정성 보철 형태의 보철에 대하여 굴곡강도 실험을 했던 다른 연구 결과들과도 일치한다.16,17,19,23 따라서 고정성 보철 형태에 있어서 연결부의 강한 형태를 부여하는 것이 파절에 의한 실패를 줄이는 한 가지 요인이라고 생각할 수 있다.
시편이 파절되는 형태 또한 임상에 있어서 중요한 요소이다. NC 시편의 경우에는 본 연구에서 굴곡강도 측정 시 가장 우수한 결과를 보여주었지만 파절 시 여러 개의 날카로운 조각들로 나뉘어진다. 실제 임상에 적용했을 때 파절이 일어난다면 파절편에 의해서 환자가 상해를 입을 수도 있다는 점을 생각해야 한다. 파절시에도 결합이 완전히 해체되지 않고 크랙이 일부분 생기면서 다른 일부분은 결합된 상태로 남아 있다면 날카로운 파절편이 발생하지 않아 임상 적용 시에 환자가 상해를 입을 가능성이 줄어든다. 이러한 점을 고려할 때에는, 비록 본 연구에서 파절 강도가 가장 낮게 측정되었지만, DT-1재료가 가장 우수하다고 볼 수 있다.
치과용 보철물을 3D 프린팅 방식으로 출력할 때에 출력 각도는 보철물의 정밀도에도 영향을 미친다. 우선, Osman 등24은 DLP 방식으로 치과 보철물을 출력할 때에 가장 정밀한 수복물을 얻을 수 있는 각도는 135°임을 그의 연구에서 밝혔으며, Alharbi 등25은 SLA 프린팅 방식으로 치과 보철물을 출력할 120°를 가장 정밀한 결과를 얻는 각도라고 언급하였다. 그리고 서포터가 보철물의 어느 부분에 위치하는가에 따라서 보철물의 정밀도에 영향을 미칠 수 있다. 특히 특정 각도로 출력 시에 크라운 내면에 서포터가 형성된다면 서포터를 제거한 후 남은 돌기들을 제거할 때에 내면을 별도로 조정해야만 하게 되고 그렇게 되면 수복물의 정밀도에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 결국 치과 보철물을 3D제작하는 데에 있어서 출력 각도를 정할 때에는 강도만을 고려할 수 없고, 서포터 형성 위치를 포함한 정밀도 또한 고려 대상이 되어야 한다.
본 연구에서는 세 가지 재료들 중에서 NC가 가장 좋은 결과를 나타내고 DP-1과 DT-1사이에는 유의한 차이가 없었지만, DP-1과 DT-1의 제조 방식이 다르기 때문에 비교에 있어서도 추후에 더 많은 수의 시편으로 연구하여 유의한 차이가 있는지 조사할 필요가 있다.
또한 프린팅 방식에 있어서, 레진의 경우만 해도, DLP 방식 외에 SLA, FDM 등 여러 가지 방식이 있다. 각각의 방식에 따라서도 시편의 굴곡강도가 어떻게 다른지도 앞으로 연구해야 할 대상이다. 이 뿐만이 아니다. 재료는 레진 외에도 금속이나 도재, 지르코니아 등 또한 3D프린팅이 가능하면서 치과 보철물로 사용이 가능하다. 특히 레진을 제외한 다른 종류의 재료에 대해서는 치과 보철학 차원에서의 물성 연구가 매우 부족한 실정이다. 레진 외의 재료의 물성을 조사하는 것도 치의학에 AM기술을 도입하는 데에 있어서 앞으로 꼭 이루어져야 할 연구이다.
치의학에 적용이 가능한 AM 재료들의 연구에 있어서 물성 외에도 다양한 연구가 추가적으로 이루어져야 한다. 물 흡착도, 물에 대한 용해도, 세포독성 등등 많은 연구가 이루어져야만 한다.
결론
본 논문에서는 세 종류의 재료를 사용하여 DLP방식으로 3유닛 고정성 보철 형태의 시편을 프린팅하였다. 이렇게 세 군으로 분류한 시편에 대하여 각각 굴곡강도 테스트를 하여 결과를 얻은 후 비교하였다. 그리하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
굴곡강도는 NC > DP-1 > DT-1으로 나타났으며 사후검정(Tukey HSD)에서는 NC와 다른 군들 사이에 유의한 차이가 있고, DP-1과 DT-1사이에는 차이가 없는 것으로 나타났다.
파절양상 관찰 시 NC군은 연결부 및 폰틱, 지대치의 크라운 부분 등 여러 부위에서 다수의 파절편이 생성되었지만 DP-1과 DT-1의 경우에는 대체로 연결부나 폰틱에서 완전히 파절되지 않고 크랙만 생성되는 양상을 보였다.
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