전문 기술적 지원 및 정보제공의 부재는 치과 임상에서의 활용이 원활하지 못했던 가장 큰 원인이기도 하다. 이런 이유에서 치과의사와 치과기공사의 관점에서 본다면 임상에서의 활용이 절실히 필요하게 되었다.
과거 덴탈 분야에서의 3D Printer의 도입과 활용은 이미 오래 전 진행되었고 최근에는 Intra oral Scanning Process의 보편화로 Digital Dentistry의 중요한 부분으로 자리잡고 있다. 아울러 그 활용 범위 또한 점차 확대되고 있어 임시치아나 모델 등의 기본적인 보철물 또는 보철물 제작을 위한 프린팅 결과물은 물론 구강내 바로 적용할 수 있는 Permanent 보철물의 확대로 그 양상과 관심이 더욱 높아지고 있다. 
이번 3D Printing Total Solution 연재를 통해 ‘우리 기공소 3D Printer 쉽게 활용하기’라는 목표를 가지고 전문적인 정보와 기술력 그리고 임상에서의 도입과 활용을 위한 방법 및 정보공유의 기회를 갖고자 한다. 
김민경 기자 zero@dentalzero.com
 

지금까지 5개월에 걸쳐 3D Printer에 대한 전반적인 내용과 임상활용에 대한 내용을 중심으로 5번에 나누어서 살펴보았다. 마지막 순서로 Dental 3D Printer 그리고 Printing Materials에 대하여 정리해보는 시간을 갖도록 하겠다.
현재 치과기공소 또는 기공실에서 3D Printer에 대한 활용과 관심은 이미 세계적인 추세와 발맞추어 급속도로 성장하고 있다. 일반 산업시장에서 이미 오래전부터 활용했던 3D Printer가 덴탈 분야에서도 디지털 환경의 변화와 발전으로 현재의 3D Printer시장이 형성되고 있다. 이런 분위기에서 함께 관심을 받고 있는 부분이 바로 3D Printer 소재인 Printing Material 분야이다. 이 부분에 대해서 그럼 살펴보기로 하겠다.

 

초기 Dental 3D Printer시장에서의 주요 소재들은 일반산업과 의료분야에서 활용되던 소재를 기본으로 발전시켜 Dental Part에서 적용가능 하도록 개발이 이루어졌다.
초기 시장에서의 재료들은 높은 재료 가격이 가장 큰 장애물이었다. 사용분야에 맞지 않는 가격으로 인하여 수익성 측면에 많은 애로 사항이 있었다. 다음으로 꼽을 수 있는 부분이 보철물을 제작하기 위한 Shade 또는 색상, 소재의 물성 부분이다. 치과 임상에서 요구하는 부분과의 차이를 극복하는데 많은 연구와 노력이 필요했다. 
하지만 국내 및 해외에서 개발된 소재들은 초기시장에 대비하여 많은 개선이 이루어지고 있으며 현재도 추가적인 개발과 발전을 통해 더욱 개선되야 하는 부분도 존재하는 것이 사실이다. 이미 임상치과 분야에서 아날로그 방식의 보철물을 제작하기 위한 재료들은 오랜 시간에 걸쳐 술자와 환자에게 좋은 결과를 제공할 수 있도록 상당수준으로 자리를 잡았다. 
일반적인 산업시장의 소재들과는 달리 메디컬이나 덴탈 분야에서 사용되는 거의 대부분의 소재들은 의료기기 인허가 대상에 해당된다. 이런 이유에서 의료분야 특히 치과분야에서 필요한 요구치를 100%반영하는데 분명 한계가 있는 부분도 사실이다. 재료의 안전성과 안정성, 물성, 품질 및 치과 보철물을 제작하는데 직/간접적인 결과 등 임상에서 연구와 개발에 필요한 요소들이 매우 다양하게 존재하기 때문이다.
실제로 일반산업 분야에서는 Dental 분야에서 필요한 탄성과 강도를 유지하는 소재들이 이미 오래전부터 개발되어 사용되고 있다. 하지만 의료기기품목으로 생물학적 안전성 부분까지 고려해야 하는 메디컬이나 덴탈 분야에서는 적용과 개발함에 있어 쉽지 않은 부분이 사실이다. 하지만 국내 재료 제조회사들에서 현재 시장의 수요와 활용분야에 맞는 소재 개발을 계속해서 진행하고 있다. 향후 멀지 않은 시기에 현재의 소재에서 부족한 부분을 보완해줄 소재들은 반드시 출시가 될 것이라고 전문가들은 예측하고 있다. 
그럼 현재 시장에 나와있는 소재를 잘 활용하는 방법은 무엇인지 살펴보고자 한다.

현재 출시되어 사용되고 있는 임시치아를 포함한 Permanent 재료들의 경우 200Mpa(제조사 제공)전후의 굴곡강도를 보이고 있다. 그런데 정확하게 사전에 언급되야 할 부분이 바로 후경화 과정의 필수 전제조건이다. 어떠한 3D Printing 재료 든 적절한 온도와 광파워를 통해 소재 별 정확한 시간과 조건으로 후경화 작업을 진행해야 한다. 전 연제에서 이미 언급한 후경화의 필요성은 출력물의 상태를 물질 본연의 특성으로 전환시켜주는 작업이다. 이 과정을 통해 재료의 최종 색상 Shade 및 물성치가 확보된다. 이런 후경화 작업은 재료별로 경화기에 따라서 그 조건의 설정이 필요하다. 출력물의 세팅 조건과 더불어 매우 중요한 과정이라고 할 수 있다.

 

이런 기본 조건 세팅이 끝났을 경우 후경화 작업전에 반드시 해야 하는 과정이 바로 세척 후 출력물 표면 건조과정이다. 건조과정은 여러가지 방법이 소개되고 있지만, 간단한 방법으로 가능하다. 자연건조로 약10분간 표면에 있는 세척액을 반드시 제거해주고 후경화 단계로 가야 한다. 충분한 표면건조가 안된 상태에서 후경과 과정으로 진행되면 출력물 표면의 크랙현상이나 색상 및 Shade 표현 등에서 문제가 발생할 수 있다.

위의 작업은 현재 100%의 특성에는 부족하다고 하지만 기존보다 개선되고 발전한 소재들의 물성치를 표현하는데 반드시 필요한 작업이며, 그 중요성이 강하게 인식되고 있다. 간단한 예로 투명계열의 재료를 사용하는 Surgical Guide, TMJ Splint 소재에서도 위의 적절한 후경화 과정을 거치지 않는다면 술자가 원하는 투명도와 투광도 및 물성 데이터가 확보되지 않는다.
치과 임상에서 Dental 3D Printer 사용자들이 재료에 대한 궁금해하는 부분들이 있다. 대표적으로 재료(소재)별 용도와 특징이 가장 큰 부분이다.
대표적으로 Castable Printing Material의 경우가 있다. 즉 Dental 3D Printer로 출력한 출력물을 이종의 재료인 Metal로 Investing & Casting 작업을 통해 보철물로 주조하는 경우이다. Metal은 크게 Gold로 대표되는 Precious metal과 Cr-Co 또는 Ni-Cr 계열 등 일반적인 metal로 알고 있는 Non-precious metal이 대표적인 경우라고 할 수 있다. 모두 Dental 3D Printing 과정을 통해 출력된 상태에서 매몰재를 이용한 매몰과 주조 과정을 통해 결과물을 직접 보철 소재로 사용하는 과정이다. 이 과정에서 가장 중요한 부분이 수축과 팽창이 없는 1:1의 출력 결과물과 Detail part의 재현성일 것이다. 물론 매몰과 주조 또한 중요한 부분이지만 우선 출력된 결과물이 임상에서 아날로그 방식으로 보철물을 제작하던 방식과의 차이 없이 깨끗하고 미세한 부분의 표현이 정확히 되야 하는 부분을 생각해 볼 수 있다. 따라서 덴탈 분야에서 3D Printer를 사용하기 위해서는 일반 산업 분야, Jewelry 분야나 Figure 등을 출력하는 용도의 3D Printer가 아닌 Z-AXIS가 견고하고 출력물의 정확도가 매우 높은 Dental 전용 3D Printer를 사용해야 하는 이유이기도 하다.

 

 

이 과정과 바로 이어지는 부분인 Burn-out과 Casting 과정이다. Non-precious metal로 Casting을 하는 경우 권장 소환 스케쥴은 전에 연제 한 부분에서 소개한 바 있다. 

Castable printing 재료의 경우 기본 액상 Resin base가 거의 대부분이기 때문에 특히 Burn-out 과정에서 스케쥴이 매우 중요하다. 술자는 이런 부분을 감안하여 보철물 제작 작업을 해야 하며 Casting 과정까지 잘 마무리된 상태라면 적합 등의 과정도 수반되는 부분이다. 따라서 Dental 전용 3D Printer를 사용해 안정적인 출력물을 먼저 출력하는 부분이 보철물의 성패를 좌우한다고 말해도 과언이 아니다.
Castable 3D Printing Material의 범주에 포함될 수 있는 부분이 All-ceramic 재료로의 치환을 위한 Printing material이다. 일반적인 Fire flame casting(불대주조) 또는 High-frequency casting(고주파주조) 방식이 아닌, All-ceramic Pressing 방식을 이용해서 보철물을 제작하는 경우에도 3D Printing material을 이용하는 경우에도 소재 자체의 성분을 확인해야 한다. 
즉, All-ceramic Pressing 방식으로 보철물을 제작한다면 pressing 전 과정인 Burn-out 과정이 끝나고 Heated Investment Ring 내부에 소환 후 탄소잔유물(Carbon residue)이 남지 않는 3D Printing 소재가 필수이다. 만약 All-ceramic Pressing 과정에서 Heated Investment 내부에 소환 후 탄소잔유물이 남는 경우, All-ceramic 소재가 오염되는 부분을 막기 위함이다. 
Intra oral scanning data를 기반으로 보철물을 제작하는 시대가 되면서, 보철물의 직접제작과 확인을 위해 3D Printer로 모델을 출력해서 사용하는 경우가 많아지고 있다. Model용 레진의 경우에도 Dental 3D Printer를 기공소에서 활용하는데 중요한 역할을 한다. Scan data와 1:1로 부합되는 결과물이 매우 중요하다. 일반적으로 모델 없이 보철물을 제작한다는 개념으로 도입된 Modeless는 아이러니하게도 임플란트 케이스를 포함한 일반 보철물을 제작하는데 출력을 하게 되는 경우가 많다. 이런 경우에 스캔데이타 오차는 배재하고라도, 출력물의 정확한 Fitting과 Contact & Margin부의 확인이 필요한 경우에 3D Printer Model 재료는 그 중요성이 더해지고 있다.
Digital Dentistry 시대의 본격적인 시작과 더불어 Intra oral scanner의 활용이 점차 늘고 있다. 아울러 보철물 중에서 Final Crowns의 수요도 함께 늘고 있다. 물론 Scan Data를 이용한 Zirconia 보철물도 밀링 과정을 통해 제작할 수 있지만, 환자에게 반드시 Provisional Restoration을 확인해야 하는 경우 특히, Long-span provisional restoration 제작을 통해 최종 보철물 전에 보철물 제작을 위한 Reference stage에 적용되는 경우 Milling에 의한 제작 방법도 있지만, 보다 효율적인 제작시간과 재료의 불필요한 소모방지 그리고 다수의 임시보철물을 제작하는데 필요한 것이 3D Printing Provisional 재료이다. 
구강내에서 Long term setting이 필요한 경우에는 그에 부합하는 재료의 물성수치는 매우 중요하다. 일반적으로 PMMA 재료의 경우, 세라믹 재료에 비해 기본 물성이 약하기 때문에 교합압이 강하게 적용되는 경우나, 환자의 악습관 그리고 기타 외적요소에 의해 쉽게 파절되거나 손상되는 경우가 있다. 이런 경우 빠르게 다시 제작할 수 있는 방법 중 하나가 3D Printer를 이용해서 새로 제작하는 경우이다. 보통은 임시치아용으로 출시된 Temporary 재료를 이용하지만, 경우에 따라 Permanent 재료가 사용되기도 한다. 
Permanent 재료의 경우 제조사에서 제공하는 물성 데이터를 보면 일반적으로 임상 적요에 쉽지 않다는 생각을 하게 되는 경우가 있다. 우리가 전통적으로 사용했던 Ceramic 보철물이나 Zirconia 소재 또는 Metal 보철물의 경우 물성 수치 특히, Dental Ceramic 재료의 물성 중 강하고 약한 정도를 대표할 수 있는 굴곡강도(Flexural Strength)는 Resin base material과는 현저한 차이를 보이며 높은 것이 사실이다. 우리가 사용하는 Lithium disilicate 소재만 고려해도 약 360~400Mpa의 굴곡강도를 갖는다. 
이런 관점에서 본다면 3D Printer 재료 중 특히, Permanent 재료의 경우 기본적인 굴곡강도를 더 높이기 위한 연구와 개발이 계속되고 있다. 구치부의 경우 환자의 저작압을 견딜 수 있는 3D Printer 재료의 개발은 모두의 관심사로 주목받고 있다. 물론 심미적인 부분도 함께 고려해야 할 부분이므로 연구와 개발 단계에서 임상 치과기공사의 역할도 더욱 중요해지고 있다.
Printed Denture의 경우도 Permanent 재료와 비슷한 개발요소가 필요하다. Denture 소재의 경우 Denture base 부분과, Artificial teeth 부분으로 크게 구분되며, Base 소재의 경우도 기존 아날로그 방식의 Denture 제작에 사용하는 Heat cure 방식의 Acrylic Resin이 기본이 된 가운데, 소재 자체의 Reinforcement를 위해 추가적인 다양한 종류와 형태의 강화 Filler가 함유된 경우가 많다. 적절한 Flexibility는 물론 Strength가 필요한 부분에 대해서 이미 오랜 기간 임상에서 증명되었기 때문이다. 인공치아 부분의 경우도 Permanent 소재의 개발과정에서 함께 고려되는 부분이며, 현재 임상에서 주로 사용하는 Composite resin계열의 물성을 기본으로 지속적인 연구와 개발이 진행되고 있다. 
동시에 물성 이외에 기본 색상과 종류별 Shade 그리고 생체 친화적인 부분의 안전성은 물론 Denture base 소재와 Chemical Bonding 부분까지 고려해야 할 부분이 많다. 
Dental 3D Printing Material에 대해 현재 안정적으로 사용하는 재료도 있지만, 앞으로 지속적인 연구와 개발을 통해 술자와 환자가 모두 만족할 수 있는 단계까지는 상당한 연구의 노력이 필요하다. 동시에 현재의 소재에서 물성 데이터가 높아진 소재를 사용하게 될 때, 3D Printer의 핵심 부분인 광원의 양과 질 부분도 함께 뒷받침이 필요한 부분이다. 3D Printer의 추가적인 성능개선도 함께 필요한 부분임을 예상해 볼 수 있다. 
3D Printer의 구성 성분 중 우리에게 새집증후군과 관련된 정보로 많이 알려진 휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)의 발현과 인체유해성 부분도 생각을 해볼 수 있는 부분이다. 현재 국내/외 전세계 많은 기업들은 VOCs의 함량을 줄이거나 인체에 덜 유해한 비독성(Non-toxic)재료나 생체친화적(Bio-friendly)재료로의 대체도 함께 연구 중이다. 
이제는 사용하는 재료에 대한 충분한 생체친화성과 인체무해성 부분이 중시되고 있는 시대적인 흐름도 중요 고려사항으로 자리잡고 있다.
마지막으로 임상에서 현재 사용하고 있는 3D Printing Material의 안정적인 사용을 위해 참고해야 할 부분이 있다. 바로 재료의 보관부분이다. 액상으로 된 3D Printer 재료의 특성상 보관 온도에 영향을 받는 것이 현실이다. 다만 초기에 출시되고 사용했던 재료들에 비해 최근 재료들은 점도(Viscosity) 부분에서 상당히 개선되었다. 액상 재료의 경우 과거 높은 점도를 가지고 있어 사용상에 시간과 프린터의 설정 그리고 보관 부분에서 불리한 점이 상당히 많았던 것이 사실이다. 하지만 소재 별 차이점을 반영하더라도 현재 사용하고 있는 대부분의 액상 재료는 전체적인 점도의 조정을 통해 유저 중심의 쉬운 형상을 갖게 되었다. 
일반적으로 임상에서는 사용하는 프린터 재료를 수조에 담아 놓고 사용하게 된다. 이런 경우 재료가 수조안에서 부분적으로 분리되거나 점도가 변하는 현상을 직/간접적으로 경험할 수 있다. 이를 방지하기 위해 재료를 주기적으로 본래의 통에 담아 초음파세척기 같은 장비를 이용해 재료의 내부 구성 성분을 재혼합을 시켜주는 작업이 필요하다. 액상 프린터 재료의 경우 구성 성분별로 밀도의 차이를 보이기 때문이다. 혼합은 되어 있지만 화학적 반응이 일부 또는 되지 않은 상태로 유저에게 공급되기 때문에 사용 전 균일한 혼합은 물론, 일정한 주기로 재혼합이 반드시 필요한 부분이다. 
이렇게 현재 사용 중이거나 연구 개발되고 있는 3D Printer 재료에 대한 부분을 함께 알아보았다. 앞에서 언급한 바와 같이 Dental 3D Printer를 이용해 치과 보철물을 직접 출력하거나 제작 과정의 한 부분이나 과정의 마무리 부분 그리고 보조적 수단이나 장치로 함께 사용하는 빈도는 점점 더 높아지고 있다. 약 10여년 전, 3D Printer와 Printing Materials가 Dental Part에 사용가능성 여부를 의문점으로 남은 채 보철물 제작 시도와 운용이 이루어졌던 시기가 있었다. 
하지만 많은 시행착오와 연구 그리고 Dental part에 맞춤형 개발을 통해 많은 발전을 거듭하고 있다. 비단 Digital Dentistry Work Flow가 동반이 되면서 이루어진 결과인 동시에 전세계 수많은 치과계 연구자와 임상가들의 노력을 통해 현재 단계까지 온 결과라고 해석하는 것이 바람직한 해석일 것이다. 
지금까지 2023년 1월부터 6월까지 6개월동안 Dental 3D Printer의 개념부터 실제 출력에 대한 전체적인 광학 메커니즘 그리고 가장 중요한 Clinical Review 등을 포함해 Printing Material까지 다소 부족하나마 동시대를 함께 살아가는 Smart Dental Member분들과 정보 공유의 기회가 되었을 것으로 생각한다. 
아울러 앞으로 Dental 3D Printer를 조금 더 쉽게 이해하는 좋은 계기가 되었으면 하는 바램이다.