서론
최근 Three-dimensional printing (3D printing, Additive manufacturing)이 치과 영역에서 대두되고 있으며, 여러 치과 수복물들을 대체하고 있다[1,2]. 3D 프린팅은 교정 모델, 임플란트 수술 가이드, 임시 치아 등을 제작하는 데에 주로 사용되었으며, 최소한의 재료 사용으로 복잡한 디자인을 만들 수 있고, 접근성과 저렴한 가격이 장점이다[3-5]. 특히 Stereolithography(SLA) 방식의 3D 프린팅은 높은 정확성과 부드러운 표면 제작이 가능하고, 세부적인 재현이 가능하다는 점에서 치과 수복물을 제작하기에 적합할 것으로 보인다[1,2,5].
하지만 3D 프린팅 레진은 색조의 불안정성이나 프린팅에 관한 매개변수에 따라서 정확성이 달라질 수 있다는 한계점이 존재한다[3]. 특히 강도가 약하고, 연마 방법이나 코팅 재료 사용 여부에 따라 다른 정도의 착색을 보이며 시간이 지나면서 색조 변화가 심화되어, 물리적 특성의 한계와 심미적 불안정성으로 인해 현재까지 출시된 많은 3D 프린팅 레진은 임시 수복용으로만 사용이 제안되었다[3,4]. 그러나 기술이 점차 발전함에 따라 최근 개발된 TC-80DP (Graphy, Seoul, Korea)는 굴곡 강도가 200 MPa 이상으로 물리적 특성이 개선되면서 영구 수복용으로 출시되었다. 유전치의 전장관으로는 지르코니아 크라운이 가장 많이 사용되나, 이는 고가의 비용과 대합치의 마모를 초래한다는 단점이 있어 3D 프린팅 레진이 심미적 문제만 개선된다면 지르코니아 크라운의 대체재로 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 보인다[6,7].
치과용 수복물의 심미성, 그 중 색조에 영향을 미치는 요인으로는 내인성과 외인성 요인이 존재한다[8]. 내인성 요인은 수복 재료의 3급 아민 촉진제의 산화와 같은 화학적 변화를 뜻하며, 이는 수복물의 백색에서 황색으로의 색조 변화를 야기한다. 외인성 요인으로는 재료에 커피, 차, 니코틴 등의 착색제의 결합이나 침투가 일어나는 경우를 뜻하며, 재료의 필러 함량이나 표면 조도, 연마 방법 등이 착색 정도에 영향을 미치게 된다[8]. 특히 그 중에서 표면 조도는 거칠기가 심화할수록 빛이 다양한 각도에서 분산되므로 색조에 중요한 영향을 미칠 수 있다[5,9,10]. 이에 많은 연구에서 연마가 표면을 더 매끄럽게 만들어 착색제 흡수를 예방할 수 있으며, 특히 연마 재료의 입자 크기가 단단할수록 더 부드러운 표면을 만든다고 알려져 있으나, 또 다른 연구들에 의하면 연마하지 않는 것이 오히려 표면 특성이 더 우수하다고 하여 아직 논란의 여지가 있다[9,11,12].
기존의 3D 프린팅 레진의 색조 안정성과 관련된 연구에서는 연마 방법이 한가지로 한정되어 있거나 임시 크라운용 레진 제품만을 사용하여 최신 제품에 대한 연구는 전무하다. 또한, 3D 프린팅 레진과 관련된 연구 중 색조에 중요한 영향을 미치는 표면 조도에 대한 연구도 부족한 실정이다.
따라서, 이번 연구에서는 영구 수복용 3D 프린팅 레진의 연마 방법에 따른 색조 안정성과 표면 조도를 관찰하여 심미적 안정성을 알아보고자 하였다.
연구 재료 및 방법
1. 연구 재료
2) 연마 기구 및 침전 용액
저속 핸드피스는 FX25 (NSK Dental Korea, Seoul, Korea)가 사용되었으며, 연마 기구는 Enhance® finishing system (Dentsply/Caulk, Milford, DE, USA)와 Sof-LexTM disc (3M ESPE, St. Paul, MN, USA)를 이용하였다. 침전 용액은 인공 타액(Taliva® Solution, Hanlim pharm Co., Seoul, Korea)를 대조군으로 사용하였고, 어린이들이 자주 접하는 음료인 오렌지 주스(Achim-e orange juice, Seoul milk Co., Seoul, Korea)를 실험군으로 사용하였다.
3) 측정 장비
색조 변화는 분광측색장치(CM-2600d, Konica Minolta, Tokyo, Japan), 표면 조도는 조도 측정기(SJ-400, Mitutoyo, Kanagawa, Japan)을 이용하여 측정하였다(Fig. 2).
2. 연구 방법
1) 시편 제작
AutoCAD software (Autodesk Inc., San Francisco, CA, USA)를 이용하여 10.0 × 10.0 × 1.0 mm의 직육면체 시편을 제작하였다. 각도는 90°로 일정하게 하였으며 각각 서포트는 시편의 바닥 부분에 5개씩 설정하였다. 이를 Standard Tessellation Language (STL) 파일로 저장 후 3D 프린터로 전송하여 프린팅을 진행하였으며 레이어 높이는 100 μm로 설정하였고, 출력 후 서포트를 제거하였다. 초음파 세척기를 이용해 90% 이소프로필 알코올 용액에서 30초간 세척 후, 제조사의 지시에 따라 240 W, 385 - 405 nm에서 60초간 후 중합과 240초간 heating을 거쳤다(Fig. 3). 총 60개의 시편을 6개씩 나누어 프린팅을 진행하였고, 과정 중 두께가 일정치 않거나 형태가 손상된 시편은 실험에서 제외했다.
2) 연마 방법
각 시편은 연마 방법에 따라 연마를 시행하지 않은 군(Control), Enhance®를 이용하여 연마한 군(Enhance®군), Sof-LexTM disc를 이용하여 연마한 군(Sof-LexTM군)으로 시편 20개씩 나누었다. 모든 시편의 연마와 측정은 서포트가 존재하지 않은 반대면을 대상으로 연구를 진행하였다. Enhance®군은 Enhance® finishing point를 저속 핸드피스(4000 - 5000 rpm)를 사용하여 20초간 연마하였다. 열 발생을 막기 위해 주수 하에 연마하여 주었다. Sof-LexTM군은 저속 핸드피스(4000 - 5000 rpm)를 사용하여 medium disc부터 superfine disc까지(29, 14, 5 μm) 단계별로 20초씩 주수 하에 연마하였다. 단계 사이마다 10초 이상 물로 세척하여 잔존물이 레진 표면에 남아있지 않도록 하였다. 술자에 따른 차이를 최소화하기 위해 한명의 술자가 같은 날 모든 연마를 시행하였다.
3) 색조 변화 및 표면 조도 측정
(1) 색조 측정 및 분석
각 시편은 연마 직후에 분광측색장치를 이용하여 기준점의 색조를 측정하였다. 색조 측정은 국제 조명 위원회에서 제시하는 CIE L*a*b* 색 공간을 기준으로 시행되었다. 장치는 매 측정 전에 제조사의 표준백판을 이용하여 영점 조정을 시행하였고, 각 시편의 중앙에 6.0 mm 지름의 렌즈를 위치시킨 뒤, CIE 표준 측정 주광인 D65 광원으로 설정 하에 10° 관찰자 각도로 시편 당 2회 반복 측정하여 그 평균값을 기록하였다. 그 이후 각 군의 20개 시편을 다시 10개씩으로 나누어 인공 타액, 오렌지 주스에 침전시켰다.
용액은 37°C 항온수조에 보관하여 매일 1번씩 교체하였고, 침전 1, 7, 30, 60일에 색조 측정을 시행하여 시편 별 CIE L*a*b* 값을 기록하였다. 시편의 색조 변화는 해당 시점의 CIE L*a*b* 값과 기준점의 CIE L*a*b* 값의 차이(ΔL*, Δa*, Δb*)를 이용하여 색차(ΔE*)를 다음의 공식을 통해 산출하여 확인하였다: ΔE* = {(ΔL*)2 + (Δa*)2 + (Δb*)2}1/2. 이때, ΔE* > 3.3을 육안으로 확인 가능한 색조 변화의 역치 기준으로 설정하였다[13].
3. 통계 분석
통계 분석은 IBM SPSS 17.0 (SPSS Inc, Chicago, IL, USA)를 이용하였다. Kolmogorov-Smirnov, Shapiro-Wilk 정규성 검정을 시행하였으며, 연마 방법에 따른 ΔE* 값과 표면 조도의 분석은 Kruskal-Wallis test와 사후 검정으로 Mann-Whitney’s U test를 시행했으며 유의수준(α)는 0.0167로 설정하였다. 침전 용액에 따른 ΔE* 값과 표면 조도의 분석과 시간 경과에 따른 표면 조도 변화는 Mann-Whitney’s U test를 시행했으며 유의수준(α)는 0.05로 설정하였다.
연구 성적
1. 색조 변화 측정 결과
1) 연마 방법 별 색조 비교
(1) 연마하지 않은 군
연마하지 않은 군에서는 60일에서 오렌지 주스가 인공 타액보다 큰 색조 변화가 나타났다(p = 0.032). 이때, 오렌지 주스에서는 7일부터 육안으로 확인 가능한 색조 변화를 나타냈고 인공 타액에서는 육안으로 확인 가능한 수준의 색조 변화는 없었다.
2. 표면 조도 측정 결과
1) 연마 방법 별 표면 조도 비교
시편을 각 용액에서 60일간 침전 후 표면 조도를 측정한 결과, 연마하지 않은 군과 Enhance®군에서는 용액에 따른 표면 조도 차이는 유의하지 않았다. Sof-LexTM군에서는 오렌지 주스보다 인공 타액에서 표면 조도 값이 낮았다(p = 0.03).
총괄 및 고찰
색조 안정성은 전치부의 심미 수복에서 재료를 선택하는 데에 중요한 기준으로 고려될 수 있으며, 이의 실패는 수복물의 교체와 직결된다[11,13]. 하지만 레진 수복물의 표면은 시간이 지날수록 점점 마모되면서 다공성이 증가하고, 표면의 거칠기와 색조 안정성에 영향을 끼치게 된다[14]. 또한, 이 때 연마가 표면 성질을 향상시키는지 여부와 그 중에서도 가장 효과적인 연마 방법에 대한 의견은 여전히 분분하다.
레진 중에서도 특히 3D 프린팅 레진은 낮은 색조 안정성을 보이는데, 이에는 여러 요인이 존재한다. 첫 번째로 표면 미세 구조에 층이 존재하며 이는 주사전자현미경 사진에서도 관찰된다[4,15,16]. 두 번째 요인은 3D 프린팅 레진의 낮은 광중합 비율이다[4,17]. 3D 프린팅 레진은 필러가 없이 90% 이상의 methacrylic oligomer와 3% 이하의 광개시제로 구성되어 있으며, 다른 레진보다 적은 광중합률과 낮은 물성을 보이게 된다[18-20]. 또한, TC-80DP와 더불어 3D 프린팅 레진에서 주로 사용되는 광개시제인 phosphine oxide는 camphorquinone에 비해 더 빠른 개시를 나타내지만 낮은 흡수 전력 밀도와 중합 깊이를 보여 광중합률에 영향을 미칠 수 있다[21]. 따라서 3D 프린팅 레진은 후 중합 과정을 거침에도 불구하고 상대적으로 광중합 비율이 낮아 불량한 표면 결속력으로 인한 착색 가능성을 증가시키고 잔여 모노머에 의한 표면 성질의 저하를 야기할 수 있다[4,22]. 세 번째로, 3D 프린팅 레진이 다른 자가중합형 레진에 비해 수분 흡수가 높은지는 아직 의견이 분분하지만, Berli 등[23]에 의하면 수분 흡수가 3D 프린팅 레진의 표면 성질 저하의 주요 원인 중 하나가 될 수 있다[4,24].
따라서 이번 연구에서는 영구 수복용 3D 프린팅 레진의 연마 방법에 따른 심미적 안정성을 알아보기 위해 연마하지 않았을 때, Enhance®, Sof-LexTM disc를 각각 이용하였을 때의 색조와 표면 조도의 변화를 비교하였다. 색조 안정성은 심미 치의학에서 가장 흔히 사용되는 방법인 CIE L*a*b* system을, 표면 조도는 Ra를 이용하여 측정하였다. CIE L*a*b* system에서 L*은 흑색에서 백색까지의 명도, a*는 적색과 녹색, b*는 황색과 청색의 정도를 나타내며 색조 차이, 즉 ΔE* = {(ΔL*)2 + (Δa*)2 + (Δb*)2}1/2로 계산할 수 있다[3,25]. 이전 연구들에 의하면 ΔE* 값은 1보다 작을 때 육안으로 구분하기 어렵다. 1에서 3.3 사이에서는 전문가들은 구분할 수 있지만, 일반인에서는 구분하기 어려워 임상적으로 허용 가능한 정도이며, 3.3보다 높으면 일반인에서도 구분 가능하여 임상적으로 허용 불가능한 정도이다[13,26,27]. Ra는 일정 간격에서 조도의 평균선으로부터의 거리에 대한 절댓값을 합계하여 평균한 값으로, 한 개의 결점이 측정값에 미치는 영향이 대단히 작아 안정된 결과를 얻을 수 있어 가장 일반적인 파라미터가 된다[28]. Ra는 0.2 μm가 수복물에 치태가 침착하는 것을 줄이기 위한 치태 침착의 임계 조도(threshold Ra)이며, 10 μm 이하이면 임상적으로 허용 가능한 수준이다[29-31]. 이번 연구에서도 이전 연구를 바탕으로 육안으로 확인 가능한 색조 변화의 역치 수준을 ΔE* > 3.3, 임상적으로 허용 불가능한 표면 조도의 역치 수준을 > 10 μm로 설정하였다.
연구 결과, 연마 방법에 따른 색조 안정성의 차이는 유의하지 않았으나, 표면 조도는 연마 직후와 60일 용액 침전 후 모두 Sof-LexTM군이 연마하지 않은 군과 Enhance®군보다 유의하게 낮게 나타났다. 특히 시간 경과에 따른 표면 조도 변화를 관찰하였을 때, 연마하지 않은 군은 모든 용액에서, Enhance®군은 오렌지 주스에서 유의한 표면 조도 변화를 일으켰지만, Sof-LexTM군은 모든 용액에서 유의한 표면 조도 변화를 일으키지 않았다. Karaarslan 등[9]과 Taşin 등[29]에 따르면, 레진 연마가 표면의 microcrack과 미세 결함을 생성할 수 있어 오히려 표면 성질을 저하할 수 있다고 하였으나 본 연구에서는 상반된 결과를 나타내었다. 이번 연구에서는 연마하는 것이 색조 안정성에는 영향을 끼치지 않았으나 표면 조도에서 연마하지 않는 것보다 우수한 결과를 보여, 적합한 연마를 통해 표면을 평활하게 만드는 것이 수복물의 수명을 연장시키고 치태 침착을 감소시킬 수 있어 수복물의 심미와 내구성을 위하여 중요하다고 밝힌 대부분의 연구 결과와 유사하였다[1,11,12,32]. 연마 방법 중 Enhance®와 Sof-LexTM disc에 대한 Shah 등[33]이나 Howell과 Weekes[34]의 연구에 의하면 Sof-LexTM disc는 퍼미스 잔여물과 필요 이상의 과도한 처리로 인하여 오히려 표면에 손상을 주어 Enhance®보다 거친 표면을 만들었지만 이번 연구에서는 Sof-LexTM군에서 Enhance®보다 우수한 결과를 나타내었다. 이러한 결과가 나타난 것은 연마 재료 자체의 물성 때문이라 생각된다. Enhance®와 Sof-LexTM disc에서 주된 절삭 입자 역할을 하는 것은 각각 silicon dioxide와 aluminum oxide이다. 절삭 입자의 크기와 기하학적 구조는 미세하고 단단할수록 더 평활한 표면을 얻을 수 있는데, 알려진 결과에 따르면 aluminum oxide는 silicon dioxide보다 경도가 크고 미세해서 다양한 복합 레진의 연마에 더 적합하다고 할 수 있다[9,25,35,36]. Enhance®는 간편하다는 장점이 있지만 이번 연구 결과 유전치 전장관 수복을 위해 3D 프린팅 레진 사용 시 표면 치태 침착을 막기 위해서는 Sof-LexTM를 이용하여 연마하는 것이 추천된다. 물론, 모든 군에서 표면 조도가 10 μm보다 훨씬 낮은 값을 보이긴 하였지만, 치태 침착 임계 조도보다는 높은 값을 보여 수복물의 치태 침착을 줄이기 위해 Sof-LexTM 사용은 유의미한 의미가 있을 것으로 사료된다.
이 연구에서는 침전 용액에 따른 심미적 안정성 또한 부가적으로 관찰 가능하였다. 본래 레진은 용액의 종류와 상관없이 침전 기간이 길어질수록 수분 흡수 정도가 증가하며 물리적, 화학적으로 기질이 파괴된다[1,5,29,37]. 물리적으로는 기질 네트워크를 용해하면서 팽창과 잔여 모노머와 이온의 용출을 야기하고, 결과적으로 용액이 화학적 결합 없이 빈 공간을 점유하게 되며, 화학적으로는 폴리머 구조를 변화시키고 올리고머와 모노머를 생성하는 가수분해가 일어난다[38]. Radwan 등[5]에 의하면, 레진은 타액 침전 시에도 높은 확산 계수로 인해 수분을 흡수하여 색조가 변화될 수 있다고 하였지만, 다른 논문에서는 인공 타액은 색소 입자를 포함하고 있지 않기 때문에 유의하게 낮은 정도의 색조 변화(ΔE* ≤ 2)만 일으켰다[36]. 이번 연구에서도 인공 타액 내에서는 시간 경과에 따라 표면 조도와 색조 변화가 증가하였지만, 그 정도가 육안으로 확인 불가능하며 임상적으로 허용 가능한 수준이었다. 오렌지 주스 내에서도 표면 조도의 변화는 타액과 마찬가지로 임상적으로 허용 가능한 수준이었으나 모든 군에서 시간이 경과할수록 타액에 비해 색조 변화가 크게 나타났으며, 육안으로 확인 가능한 정도였다. 이러한 결과가 나타난 것은 낮은 pH가 가장 주된 요인이라 생각된다. 낮은 pH는 레진 표면의 결합을 약화시키고, 미세 간극과 다공성이 수분 흡수를 증가시켜 레진 색조 변화의 원인이 된다[5,26,29]. 특히 충분히 중합되지 않은 레진은 산성화된 환경에서 더 쉽게 용해될 수 있어 오렌지 주스는 다른 레진에 비하여 낮은 광중합률을 가지는 3D 프린팅 레진에 취약한 환경이 될 수 있다[5,17,23]. 또한, 오렌지 주스의 노란 색소 역시 착색의 주요 원인이 될 수 있다[26]. 어린이들에게 오렌지 주스는 많이 섭취하는 음료 중 하나이지만, 이번 결과를 통해 3D 프린팅 레진을 이용하여 유전치 수복을 진행할 경우, 잦은 오렌지 주스 섭취는 확연한 색조 변화를 유발할 수 있을 것으로 보인다.
이 연구에는 몇 가지 한계점이 존재한다. 먼저 이번 연구에서는 다른 3D 프린팅 레진 제품과 비교하지 않고 단일 제품만을 사용하여, 향후 연구에서는 다양한 3D 프린팅 레진을 비교하는 연구가 진행되는 것이 필요하다고 생각된다. 다음으로 강도와 같은 물리적 특성은 관찰하지 않아 실제 교합력이 가해졌을 때 임상적 사용 가능성에 관한 연구와 잇솔질에 의한 세정작용은 반영되지 못하였기 때문에 이를 고려한 추가적인 연구가 필요할 것으로 생각된다. 또한, 코팅 재료를 수복물 표면에 적용하였을 때, 색조 안정성이나 표면 물성이 향상된다는 여러 연구가 있어, 이와 관련된 향후 연구도 이루어지는 것이 좋을 것으로 생각된다[3,9,29,30,39].
결론
이 연구에서는 영구 수복용 3D 프린팅 레진 시편을 연마 방법에 따라 색조와 표면 조도 변화를 관찰하였다. 60일 용액 침전 후 레진의 연마 방법에 따른 색조 안정성의 유의한 차이는 보이지 않았다. 다만, 인공 타액에서는 모두 육안으로 확인 불가능한 정도의 색조 변화만 관찰되었으나 오렌지 주스에서는 육안으로 확인 가능한 색조 변화가 나타났고 용액에 따른 차이는 유의미했다. 표면 조도에서는 Sof-LexTM를 이용하여 연마하였을 때 연마하지 않거나 Enhance®를 이용하여 연마할 때보다 유의하게 낮은 값을 보였으나 모두 임상적으로 허용 가능한 정도의 변화를 보였다. 모든 연마 방법에서 오렌지 주스에서 타액에 비해 유의한 표면 조도 변화를 일으켰다.
이번 연구를 통해, 영구 수복용 3D 프린팅 레진을 유전치 전장관으로 사용하게 될 경우 연마 방법과 상관없이 표면 조도는 모두 허용 가능한 정도의 변화를 보일 것으로 생각되나, 치태 침착을 줄이기 위해 그 중 Sof-LexTM로 연마하는 것이 권장된다. 또한, 연마 방법에 따른 색조 안정성 차이는 없으나, 오렌지 주스와 같은 착색제의 잦은 섭취 시 육안으로 확인 가능한 색조 변화가 관찰될 수 있어 이에 대한 주의가 필요할 것으로 사료된다.
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