[최신 치의기공임상학술논문] CAD/CAM 방식과 열중합 방식으로 제작된 의치상 레진의 노화 후 굴곡강도 비교 Comparison of flexural strength of Dentures Base Fabricated by CAD/CAM and Heat-Polymerization Methods after Aging

Purpose: The purpose of This study was to compare the flexural strength of denture base resins fabricated by CAD-CAM milling and conventional heat-polymerization after aging.

Materials and Methods: Denture base resin specimens were fabricated using heat-polymerization, 3D printing, and milling, following the ISO 20795-1:2013 standard. The specimens were stored in distilled water at 37°C for 0, 2, and 7 days. Flexural strength was measured using a universal testing machine with a three-point bending test. Statistical analysis was performed using the Kruskal-Wallis test.

Results: Flexural strength significantly differed according to the fabrication method and immersion period (p < 0.05). At all time points, the milling group exhibited the highest flexural strength, followed by the heat-polymerized group, whereas the 3D-printed group showed the lowest values.

Conclusion: The flexural strength of denture base resins was significantly influenced by the fabrication method and water immersion time, with CAD-CAM milling showing the most favorable mechanical performance.

Key words: CAD/CAM, Heat-Polymerization Methods, Dental Resin, Comparison of flexural strength 

•치과캐드캠기자재 품질평가연구회a
Evaluation Research Society of Dental CAD/CAM Device and Materials
•고려대학교 대학원 보건과학과 치의기공학 전공b
Dental Laboratory Science and Engineering, College of Public Health Science, Graduate School, Korea University
•고려대학교 보건과학과대학 명예교수c
•(주)피스티스 고문d

* 교신저자(Corresponding author) : 김지환 (kjh2804@korea.ac.kr)

서론
폴리메틸메타크릴레이트(polymethyl methacrylate; PMMA)는 1930년대 처음 도입된 이후 의치상제작에 널리 사용되고 있다. PMMA는 심미적 · 기계적 특성이 전반적으로 우수하나, 체적 수축, 파절 용이성, 색 안정성 저하, 낮은 습윤성 등의 한계를 지닌다.

최근 CAD/CAM(Computer-Aided Design and Manufacturing) 기술의 도입으로 기존 의치 제작 방식에서 나타나는 일부 단점이 개선되었다. CAD/CAM 방식은 제작 방법에 따라 밀링 방식과 3D 프린팅 방식으로 구분된다. 밀링방식은 사전 중합된 PMMA 디스크를 다축 장비로 절삭하여 수축 문제를 최소화하고, 고온 · 고압 중합으로 인해 잔류 단량체 함량과 기공률이 낮아 우수한 기계적 성질을 나타낸다. 반면, 3D 프린팅 방식은 광 개시제를 포함한 액상 레진을 광원으로 층층이 경화시키는 방식으로, 적층 구조로 기인한 수축과수분 흡수 가능성이 존재한다. 이러한 수분 흡수는 의치상 강도 저하와 표면 열화를 유발할 수 있다.

굴곡강도는 의치상 재료의 임상적 성공을 결정하는 중요한 요소이며, 구강과 같은 지속적으로습윤된 환경에서 따른 강도 변화 평가는 중요하다.그러나 제작 방식별 의치상 재료의 굴곡강도를 습윤환경 노출에 따라 비교한 연구는 제한적이다.

따라서 본 연구에서는 열중합방식, 밀링방식 그리고 3D프린팅방식으로 제작된 의치상 레진을 증류수에 기간별 (0day, 2day, 7day)로 침지하여 굴곡강도를 비교하였다.

연구방법
노화 후 의치상 재료의 굴곡강도 평가를 위해 열중합 방식, 밀링 가공 방식, 그리고 3D 프린팅 방식으로 각각 54개의 시편을 제작하였다. 모든 시편은 ISO 20795-1:2013 기준에 따라 65 × 10 × 3.3 mm의 직사각형 형태로 제작하였다.

열중합 그룹은 3D 프린팅을 이용해 레진 패턴을 제작한 후, 금속 플라스크에 경석고로 매몰하였다. 경석고가 경화된 뒤 100 °C에서 10분간 워싱하여 레진 패턴을 제거하고 건조하였다. 이후 열중합 아크릴 레진(Ivobase Hybrid, IvoclarVivadent)을 제조사 권장 비율로 혼합하여 Ivobase 시스템(Flask System, IvoclarVivadent)을 사용해 몰드에 주입하였다.

3D 프린팅 그룹은 탄성 의치상용 레진(Nextdent Base, 3D Systems)을 사용하여 3D 프린터(NextDent 5100, 3D Systems)로 출력하였다. 적층 방향은 0°로 설정하였으며, 레이어 두께는 50 µm로 설정하였다. 출력된 시편은 이소프로필 알코올로 1회 세척한 후, 제조사 권장 조건에 따라 광중합기에서 3분간 후중합하였다.

밀링 그룹은 PMMA 블록(Ivotion Base, IvoclarVivadent)을 밀링 장비(ZX-4SA, Manix)에 장착하여 절삭 가공하였다.

모든 시편은 500, 1000, 1200번 카바이드 사포로 순차적으로 연마하였다. 이후 시편은 37 °C 증류수에 0일, 2일, 7일 동안 각각 7개씩 침지하였다. 침지 후 만능 시험기를 사용하여 3점 굽힘 시험으로 굴곡강도를 측정하였다(Figure 1). 통계 분석은 Kruskal-Wallis test를 사용하였다.

결과
모든 그룹에서 침지 기간에 따라 굴곡강도에 유의미한 차이가 나타났다 (P<0.05).침지 기간이 길어질수록 굴곡강도가 감소하는 경향을 보였다(Table 1).또한 재료별 파단 양상을 관찰하기 위하여 광학 현미경을 이용해 파단면을 관찰하였다 (Figure2).

Flexural strength (Mean + SD)
Group    0 Day    2 Day    7 day    p-value
A    91.98±8.57a    92.66±6.09a    78.6±5.29b    0.011
B    94.81±1.15a    94.39±2.67a    87.28±1.52b    0.002
C    27.31±7.95a    10.43±4.50b    8.70±2.61bc    0.004

p-values by the Kruskal-Wallis test 
# Groups not connected with the same letter are significantly different (P<0.05, a>b>c>).Group (A; Milling group, B; Heat polymerization group, C; 3D printing group)

고찰 및 결론
본 연구에서는 구강 내 습윤 환경을 모사하기 위해 의치상 레진 시편을 증류수에 침지한 후 굴곡강도를 비교하였다. 모든 가공 방식에서 침지 기간이 길어질수록 굴곡강도가 감소하였으며, 이는 물 분자의 침투로 인해 레진 메트릭스가 연화되어 굴곡강도가 감소 된 것으로 보여진다.

3D 프린팅 방식은 침지 시간에 길어짐에 따라 강도가 크게 감소하였다. 이는 메틸메타크리레이트 단량체의 낮은 중합 전환율과 적층 구조 간 계면에서 높은 물 흡수를 유발해 따른 결과로 보여진다. 또한 본 연구에 사용된 3D 프린팅 재료는 탄성 의치상용 레진으로, 굴곡 하중에 대한 저항성이 낮아 굴곡강도 측정에서 낮은 값을 보여줬다.

결론적으로 모든 그룹에서 증류수 침지 시간에 따라 유의미한 차이를 보였으며, 그중 CAD/CAM 밀링 방식이 우수한 결과를 나타냈다.

다만 본 연구에서 사용한 3D 프린팅 재료는 탄성 의치상용 레진으로, 다른 제작 방식의 경질 재료와의 직접적인 굴곡강도 비교에는 한계가 있다. 따라서 향후 연구에서는 3D 프린팅용 경질 의치상 재료를 사용하여 제작 방식 간의 굴곡강도 평가를 진행할 필요가 있다

감사의 말
본 연구가 원활히 진행될 수 있도록 시편 제작, 임상 지식 제공, 실험 장비와 그리고 연구 전반에 헌신적인 도움을 주신 함건희, 김총명, 김경민, 김희령 대표님께 깊이 감사드립니다.