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서 론
치아 우식은 많은 만성 질환 중에 아이들에게 높은 유병률을 보이는 질환 중 하나이다1). 일반적으로 유치는 영구치에 비하여 우식에 취약하고, 유치의 높은 우식 유병률은 아이들에게 있어 주요한 구강 건강의 문제로 인식되고 있다2,3). 특히나 유전치부에 호발하기 쉬운 우식증은 적절한 관리와 치료가 시행된다면 멈추거나 진행되지 않고 유지될 수 있지만, 그렇지 않을 경우 우식은 급속도로 진행되어 치아의 상실과 통증을 유발할 수 있다4). 만 3세 이전에 발생하는 우식은 주로 상악 유전치부에 발생하여 통증을 유발할 수 있으며, 직접적으로 심미성을 악화시킬 수 있기 때문에 적절한 치료 계획 및 수복이 필요하다5). 뿐만 아니라 단순히 통증을 경감시키기 위한 치료 이외에도 최근 전반적으로 향상된 생활 수준과 함께 소아의 구강 건강 및 관리에 대한 인식이 증가하며 심미성에 대한 요구가 높아졌다6).
유치는 상대적으로 치관이 작고 치수강이 크기 때문에 우식에 이환된 치질의 제거가 어렵다. 따라서 기능적인 면과 심미성을 동시에 회복하며 유전치부의 우식을 수복하는 것은 많은 치과의사들에게 어려운 과제로 남아있다7,8). 뿐만 아니라 협조도와 관련된 어린이의 행동조절 문제로 인하여 수복이 더욱 힘들어질 수 있으며, 수복 이후에도 수복물의 탈락과 파절이 빈번하게 발생할 수 있다8). 따라서 일반적으로 유전치부의 우식을 제거하고 심미성을 회복시키는 방법으로 치관을 모두 덮을 수 있는 전장관 수복이 추천된다9). 현재까지 유전치 전장관 수복에는 많은 방법들이 소개되고 있으며, 그 중에서도 strip crown은 레진을 이용한 전장관 수복 방법 중 빠른 술식 시간과 높은 심미적 만족도를 보여 자주 사용되고 있다10). 그러나 이러한 strip crown은 술자의 기술에 매우 민감하고 비교적 적절한 위치에 적합시키기 어렵다는 단점을 가지고 있다11). 최근에 널리 사용되고 있는 지르코니아 크라운의 경우 적절한 심미성을 회복시킬 수 있으며 매우 강한 강도를 보여주지만, 치아 삭제량이 비교적 많고 전장관의 형태를 조절하기 어려워 치료 부위의 치수 노출 가능성이 높아질 수 있다는 단점이 존재한다12).
비교적 오랜 기간 사용하지 않는 유전치부의 전장관 수복에 있어 수복 재료의 경제성은 중요하며 아이들의 협조도 특성상 빠른 수복 시간이 필요하다7). 하지만 유전치부의 총생이 존재하거나, 기성 전장관에 맞지 않는 근원심 공간을 보여주는 경우 해당 방법으로의 수복이 어려울 수 있다. 기존의 많은 기성 전장관의 경우 한국 소아 환자들의 치아에 기반을 두고 있지 않아 다양한 아이들의 유전치부 수복에 있어 정확한 적합을 이루어지지 않을 수 있다8). 아이들의 다양한 치열과 치아 형태에 따른 적절한 전장관의 형태를 디자인하여 수복할 수 있다면 효과적으로 술식 시간을 줄이고 심미성을 회복시킬 수 있지만, 아직 모든 부분을 만족시키는 이상적인 방법은 제시되지 않고 있다.
최근 3D 프린터를 이용한 레진 전장관 수복 방법이 소개되고 있다. 해당 방법의 가장 큰 장점으로는 레진 전장관으로서 훌륭한 심미성을 지니며, 한번에 여러개의 전장관을 출력할 수 있다는 점이다. 또한 술자의 기술에 따라 좌우될 수 있는 레진 전장관의 오차를 3D 프로그램을 통하여 줄일 수 있다13,14). CAD 프로그램(Computer Aided Design)을 사용하여 아이들마다 서로 다른 유치 형태에 따라 적절한 전장관의 모양을 디자인하고, 3D 프린터를 이용하여 빠른 시간 내에 전장관을 출력하여 접착할 수 있다면 개별 치아에 맞추어 형태 조절이 어려운 기성 전장관의 한계를 극복하고 더욱 효과적인 치료가 가능할 것이다. 그러나 현재 소개되고 있는 3D 프린터를 이용한 유전치부 레진 전장관의 물성과 임상적으로 유의한 강도를 지니는지에 대한 연구는 부족하다. 또한 CAD를 이용한 유전치 전장관에 대한 연구가 있었지만, 3D 프린팅 방식이 아닌 CAM (Computer Aided Manufacuring) 방식을 이용한 연구가 많았다14).
이 연구에서는 3D 프린터를 이용하여 전장관의 두께를 서로 다르게 디자인하여 제작하고, 두께에 따른 파절 강도와 반투명도를 측정하여 유의한 차이가 존재하는지 평가하였다. 3D 프린팅 이후 추가적인 광중합을 시행하였을 때 파절 강도의 차이가 있는지 비교 분석하였다.
연구대상 및 방법
1. 레진 전장관 디자인 및 두께 설정
기성 유전치 모델(model A4AN-900, Nissin Dental Products Inc., Kyoto, Japan) 중 상악 좌측 유중절치를 모형 상에서 기존의 레진 전장관을 위한 치아 삭제 방법에 따라 지대치를 형성하였다. 이후 완성된 지대치 모형을 Medit Link 3D scanner (Medit, Seoul, Korea)를 이용하여 3차원 영상 데이터를 획득하고, 3 Shape dental designer (3Shape Dental Systems, Copenhagen, Denmark) 소프트웨어를 이용하여 레진 전장관의 외형을 디자인하였다(Fig. 1).
레진 전장관의 순면은 1.0 mm, 절단연은 1.5 mm로 형성하였으며, 절단연에서 설측면까지의 두께에 따른 파절 강도를 측정하기 위하여 해당 부분은 각각 0.3, 0.5, 0.7, 그리고 1.0 mm의 4가지 두께로 디자인 하였다(Fig. 2).
2. 레진 전장관 및 지대치 제작
CAD 프로그램으로 디자인한 레진 전장관은 A desktop (Sindoh, Seoul, Korea) 소프트웨어를 이용하여 스텐트를 부착하고 슬라이싱 과정을 진행하여 출력을 준비하였다. 스텐트는 제조사의 지시에 따라 절단연에서 약 45° 정도의 각도로 전장관 순면에 부착하였다. 이후 Neo Speed 10 (Sindoh, Seoul, Korea) 3D 프린터와 Tera harz (Neo Biotech, Seoul, Korea) 레진을 이용하여 앞서 0.3, 0.5, 0.7, 그리고 1.0 mm 두께로 디자인한 레진 전장관을 각각 20개씩 출력한 뒤, Veltz MP300 (Hephzibah, Incheon, Korea) 중합기를 이용하여 중합하였다. 이후 각 두께의 전장관 20개 중 10개씩은 광중합기(B&LiteS, B&L Biotech, Ansan, Korea)로 추가적인 중합을 순, 설측에서 20초씩 진행하였다.
출력된 각 두께의 전장관의 내면을 왁스로 복제하고 니켈-크롬 합금을 이용하여 4가지 종류의 금속 주 모형을 만들어 파절 강도 측정을 위한 지대치를 제작하였다(Fig. 3A, 3B). 또한 Strip Crown Form-Pedo (3M ESPE, St.Paul, MN, USA)를 사용하여 내면을 Filtek Z350XT A2 resin (3M ESPE, St.Paul, MN, USA)으로 채우고 모델 스캐너를 통하여 외형 데이터를 획득한 뒤, 절단연에서 설측면까지의 두께가 1.0 mm가 되도록 지대치 모형을 디자인 하였다. 앞서 언급한 방법과 같은 방법으로 파절 강도 측정을 위한 금속 주 모형 지대치를 만들고 총 10개의 균일한 strip crown form을 제작하였다(Table 1).
3. 레진 전장관 접착 및 파절 강도 측정
3D 프린터로 출력하여 제작한 레진 전장관을 RelyX U200 resin cement (3M ESPE, St. Paul, MN, USA)로 각각 두께에 맞게 제작된 지대치 모형에 제조사의 지시에 따라 접착하였다(Fig. 3C, 3D). 2초간의 중합을 시행한 뒤 여분의 시멘트를 제거하였고, 이후 전장관의 순, 설면에서 각각 20초씩 광중합기를 사용하여 중합하였다.
지대치에 접착된 3D 프린팅 레진 전장관 및 stirp crown을 제작된 지그에 고정하여 장축으로부터 30° 경사진 상태로 유지하였고, 이후 만능시험기(Kyung-Sung Testing Machine Corporation, Ansan, Korea)를 사용하여 50 Kgf의 힘으로 cross head speed 1 mm/min로 하중을 가해 시편이 파절된 시점에서의 최대값을 측정하였다.
4. 반투명도 측정 시편 제작
반투명도 측정을 위한 시편 역시 앞서 설정된 레진 전장관의 두께와 같은 두께로 제작하였다. 가로, 세로 7.0 mm의 사각형 모양의 얇은 시편을 각각 0.3, 0.5, 0.7, 1.0 mm의 두께로 디자인하고(Fig. 4), Neo Speed 10 3D 프린터와 Tera harz 레진을 이용하여 각 두께당 10개씩 출력하고 중합하였다. 이후 각 시편당 20초씩 Enhance® Finishing system (Dentsply/Caulk, Milford, DE, USA)를 이용하여 활택하였다.
5. 반투명도 측정
분광측색장치(CM-3500d, Konica Minolta, Tokyo, Japan)를 이용하여 반투명도(Translucency Parameter, TP)를 측정하였다. CIE (Commission Internationale de I’Eclairage)의 표준 광원인 D65를 광원으로 선택하였으며, 흑색의 배경판(L*=0, a*=0, b*=―0.2)과 백색의 배경판(L*=96.61, a*=―0.16, b*=―0.15)을 이용하여 각 시편의 CIE-Lab 값을 측정하였다.
반투명도 계산을 위하여 다음의 식을 사용하였다.
LB, aB, bB와 LW, aW, bW는 각각 흑색 배경판과 백색 배경판에서 측정된 값을 의미하며, 반투명도는 해당 값의 차이로 결정된다. 반투명도가 증가할수록 더 투명해지는 것을 나타내며, 반투명도가 0이면 완전히 불투명함을 의미한다.
연구 성적
1. 파절 강도
3D 프린터를 이용한 레진 전장관 및 strip crown의 파절 강도는 추가적인 광중합을 시행하지 않았을 때 I군에서 평균 290.60±33.69 N으로 가장 높았다. 이어서 대조군에서는 평균 280.37±43.05 N으로 측정되었으며 II군에서는 평균 275.62±38.18 N, III군에서는 평균 221.95±32.89 N, IV군에서는 평균 211.10±38.79 N 순서로 나타났다(Table 2). 대조군, I군, II군과 III군, IV군 사이에서만 통계적으로 유의한 차이가 있었고(P<0.05), 같은 두께인 대조군과 I군 사이에서는 유의한 차이가 없었다.
추가적인 광중합을 시행하였을 경우도 마찬가지로 I군에서 평균 298.88±37.42 N으로 가장 높았으며, II군에서는 평균 282.81±36.65 N, III군에서는 평균 232.20±30.94 N 순서로 나타났고 IV군에서 평균 217.67±29.12 N으로 가장 낮은 수치를 보였다(Table 3). I군, II군과 III군, IV군 사이에서만 통계적으로 유의한 차이가 있었고(P<0.05), 추가적인 광중합을 시행한 경우에 시행하지 않은 경우보다 측정된 파절강도의 평균값은 약간 더 높았지만 통계적으로 유의한 차이는 없었다(Fig. 5).
고 안
치관을 모두 덮는 전장관은 우식이나 외상 등으로 인하여 손상을 받은 유전치부의 수복을 위하여 자주 사용된다. 유전치부의 전장관 수복 방법에는 레진 전장관, 기성 금속 전장관, 지르코니아 전장관 등이 존재한다15). 레진 전장관은 매우 심미적으로 환아 혹은 보호자의 높은 만족감을 보여주지만, 낮은 유지력과 함께 술자의 기술에 매우 민감하다는 단점이 존재한다10,12). 뿐만 아니라 기성 지르코니아 전장관의 경우 우수한 내구성과 함께 심미성을 지녀 유전치 심미 수복으로 자주 사용되고 있다. 하지만 기성 지르코니아 전장관은 다른 유전치 전장관 수복 방법에 비하여 치아 삭제량이 많고 외형의 조절이 매우 어렵다12). 제조사마다 조금씩 다르지만 일반적으로 지르코니아 전장관 수복을 위하여 부위에 따라서 1.0-2.0 mm의 치아 삭제를 권고하고 있으며, 유치의 평균 법랑질과 상아질의 두께는 1.0 mm이기 때문에 권고사항에 따라 치아를 삭제할 경우 치수 노출의 가능성이 높아진다16).
서로 다른 유치의 치수강의 형태와 치질의 두께는 개인차가 크게 존재한다17). 따라서 기성 전장관의 수복을 시행할 경우 아이들의 유치의 형태는 매우 다양하기 때문에 근심과 원심, 혹은 협측과 설측에 적합하지 않은 외형의 전장관을 수복할 가능성 및 전장관 접착을 위한 과도한 치아 삭제가 불가피한 상황이 초래되기 쉽다18). 따라서 다양한 유치의 형태에 맞추어 상황에 따라 적절한 외형의 전장관을 디자인할 수 있다면 임상적으로 높은 만족도와 함께 매우 유용하게 사용할 수 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서는 3D 프린터를 이용한 레진 전장관이 기존의 전장관들과 비교하여 적절한 파절 강도와 심미성을 보일 수 있는지 확인해보고자 하였다. Kim 등6)의 연구에 따르면 strip crown이 다른 전장관들 보다 기존의 유전치 형태와 가장 유사하다고 하였으며, 지르코니아 전장관이나 개창 금속관과는 다르게 온전히 레진으로 구성되어 있기 때문에 대조군으로서 strip crown을 선택하였다. 또한 실험군 전장관의 두께는 선행한 연구의 상악 유전치 법랑질 평균 두께를 참고하여 설정하였다. Gillings 등19)의 연구에 따르면 유전치의 평균 법랑질 두께는 0.5-1.0 mm라고 하였고, 다른 선행한 연구에서는 0.7-0.9 mm라고 주장하였다20). 따라서 본 연구에서는 0.5, 0.7, 그리고 1.0 mm로 전장관의 설측 두께를 설정하였고, 3D 프린터 제조사가 권장하는 최소 출력 두께인 0.4 mm보다 얇을 경우 물성의 차이가 존재하는지 알아보기 위하여 0.3 mm의 실험군을 추가적으로 설정하였다.
전장관 수복에 있어 수복물의 파절 강도는 중요하다21). 이는 장기적인 수복물의 생존을 위해 반드시 고려되어야 하고, 구강 내에서의 교합력을 견딜 수 있을 정도의 파절 강도를 지녀야 한다22,23). 평균 이상의 파절 강도를 지니더라도 부위에 따라 교합력의 최대값은 매우 높아질 수 있기 때문에 전장관의 파절 강도는 충분히 높아야 한다23). Gaviao 등24)에 따르면 3-5세의 유구치부 평균 교합력은 남아에서 186.2 N, 여아에서 203.4 N이라고 하였다. 또한 Mountain 등23)의 연구에서는 3-6세의 유전치부 평균 교합력은 약 50 N 정도라고 하였으며, 유구치부 평균 교합력은 약 200-250 N 정도라고 하였다. 본 연구에서는 Waggoner 등25)의 연구에 따라 상, 하악 유전치 간 평균 각도인 148도를 참고하여 지대치 장축을 기준으로 30도 각도를 기울여 파절 강도를 측정하였다. 측정 결과 모든 군에서 유전치부 평균 교합력인 50 N을 넘는 파절 강도를 보여주었으며, 0.7, 1.0 mm에서는 유구치부 평균 교합력보다 높은 파절 강도를 나타내었다. 이를 통해서 3D 프린팅 레진 전장관은 전치부 수복물로서 충분한 물성을 지님을 알 수 있으며, 이는 3D 프린터를 이용한 유구치부 레진 전장관의 파절강도를 실험한 Kim 등26)의 연구에서도 마찬가지로 3D 프린팅 레진 전장관은 유전치부와 유구치부에서 모두 임상에서의 적용 가능성을 보여주었다.
3D 프린팅 수복물의 경우 장비의 특성상 모든 면이 고르게 중합되지 않아 크기 안정성이 부족하고 전반적인 중합의 부족은 물성의 하락으로 이어질 수 있다27,28). 따라서 본 연구에서는 수복물 출력 이후 추가적인 광중합의 여부가 물성의 차이에 영향을 주는지 알아보고자 하였다. 실험 결과 추가적인 광중합을 시행하였을 경우 기존에 비하여 약간 증가한 파절 강도를 보여주었으나, 통계적으로 유의한 차이가 나타나지는 않았다. 따라서 임상적으로 적용할 경우, 추가적인 광중합은 기존의 3D 프린팅 수복물의 한계점을 어느정도 보완하여 좀 더 강한 파절 강도를 지닌 수복물을 얻을 수 있으나, 짧은 술식 시간이 필요한 소아 환자의 특성상 빠른 장착이 필요한 경우라면 접착제 중합을 위한 광중합 과정으로 해당 부분을 보완할 수 있을 것으로 사료된다12).
반투명도는 여러 보철물 수복시 자연치와 유사한 색조를 재현하기 위해서 참고되는 중요한 요소이다. 일반적으로 두께에 따라 반투명도의 값이 달라진다고 알려져 있으며, 수복물 제작 재료의 표면을 통과하는 빛의 상대적인 양에 따라 결정된다29). 특히나 전치부 수복물의 경우 반투명도를 포함한 심미성을 결정하는 요소들은 중요한데, 본 연구에서는 3D 프린터로 출력한 레진 시편들에서 두께에 따른 반투명도의 차이가 유의하게 존재하는지 알아보고자 하였다. Lee 등30)에 따르면 1.0 mm 법랑질 두께에서 나타내는 전치부 평균 반투명도는 약 15-19라고 하였다. 본 연구에서 측정한 모든 두께의 군에서 15 이상의 반투명도를 나타내었고, 0.5, 0.3 mm에서는 20에 가까운 반투명도를 보여주었다. 뿐만 아니라 Ong 등14)의 선행한 연구에서는 0.3, 0.5, 그리고 0.7 mm 두께의 지르코니아 시편의 반투명도는 각각 13, 11, 그리고 7 정도라고 하였으며, 이와 비교하였을 때 3D 프린팅 레진 전장관은 지르코니아에 비하여 훌륭한 반투명도를 보여줌을 알 수 있었다. 이를 통하여 파절 강도와 함께 심미성 부분에서도 3D 프린팅 레진 전장관의 임상적 적용 가능성이 있음을 확인할 수 있었으며, 강도가 중요한 설측면의 경우 0.5 mm 이상의 두께로 제작하여 상대적인 물성을 확보할 수 있을 것이며, 심미성이 중요한 순면의 경우 비교적 얇게 제작하여 자연치와 유사한 반투명도를 확보할 수 있을 것이다.
3D 프린터는 여러 개의 시편을 한번에 출력할 수 있는 것은 장점이지만, 반대로 지나치게 많은 양의 시편을 출력할 경우 각각의 시편들의 정확성이 떨어질 수 있다는 한계가 존재한다. 또한 진료실 내에서 당일 수복을 진행하기 위해서는 구강 스캐너, 3D 프린터 등 장비를 위한 공간이 따로 마련되어야 하며 이를 위한 초기 비용이 필요하다. 뿐만 아니라 본 연구는 실제 구강 내에서 진행한 것이 아니므로 임상적으로 적용할 경우 반투명도 이외에도 레진 전장관의 접착용 시멘트, 표면 오염, 질감 등 색조에 미칠 수 있는 영향들을 충분히 복합적으로 고려해야 한다17). 앞으로 개선된 정밀도를 지닌 재료와 함께 지속적인 3D 프린터의 발달이 이루어진다면 기존의 기성 전장관의 단점을 보완할 수 있을 것으로 사료되나, 본 연구에서는 한 가지 3D 프린터용 레진만을 사용하여 비교하였기 때문에 앞으로 다른 3D 프린터용 레진 재료들과 물성 및 심미성을 비교하는 추가적인 연구가 필요하다.
결 론
본 연구는 기존의 유전치 전장관 수복 방법들과 비교하여 3D 프린팅 레진 전장관의 파절강도와 반투명도를 평가하고 임상적으로 적용이 가능한지 확인해보고자 하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
3D 프린팅 레진 전장관의 경우 두께가 증가할수록 파절강도도 증가하였으며, 1.0 mm 두께에서 평균 290 N, 추가적인 광중합을 시행한 경우 평균 298 N으로 가장 높았다. 대조군, 1.0 mm, 0.7 mm군과 0.5 mm, 0.3 mm군 사이에서만 통계적으로 유의한 차이가 있었다(P<0.05). 반투명도의 경우 두께가 감소할 수록 증가하였으며, 0.3 mm 두께에서 20.5로 가장 높은 값을 나타내었다. 0.3, 0.5 mm 그리고 0.7, 1.0 mm 사이에서만 유의한 차이가 있었다(P<0.05). 파절강도의 경우 모든 군에서 유전치부 평균 교합력보다 높은 수치를 보여 주었으며 반투명도 역시 전치부 평균 반투명도보다 높은 값을 나타내어 3D 프린팅 레진 전장관은 임상적으로 적용 가능할 것으로 판단된다. 이 연구의 결과를 통해 앞으로 다양한 3D 프린팅 레진 재료가 개발되고, 물성과 심미성을 비롯하여 추가적인 연구가 지속적으로 이루어진다면 3D 프린터를 이용한 유전치부 수복은 기존의 기성 전장관 수복의 단점을 보완할 수 있을 것으로 사료된다.
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