A Making of Aesthetic Dental restorations with Nano Hybrid Ceramic material by CAD/CAM System

J Korean Acad Esthet Dent

A Making of Aesthetic Dental restorations with Nano Hybrid Ceramic material by CAD/CAM System

치과 CAD/CAM용 Nano Hybrid Ceranic 소재를 이용한 심미 치과보철물의 제작

Beom-jin Choi Miracle CAD/CAM Center

최범진 미라클 CAD/CAM 센터

In recent days, perhaps the biggest driver in new material development is the desire to improve restorations esthetics compared to the traditional metal substructure based ceramics or all-ceramic restorations.

Each material type performs differently regarding strength, toughness, effectiveness of machining and the final preparation of the material prior to placement. For example, glass ceramics are typically weaker materials which limits its use to single-unit restorations. On the other hand, zirconia has a high fracture toughness which enables multi-unit restorations.

This material requires a long time sintering procedure which excludes its use for fast chair side production.

Hybrid ceramic material developed for CAD/CAM system is contained improved nano ceramic elements. This new material, called a Resin Nano Hybrid Ceramic is unique in durability of function and aesthetic base compositions. The new nano-hybrid ceramic material is not a composite resin. It is also not a pure ceramic. The material is a mixture of both and consists of nano-ceramic fillers. Like a composite, the material is not brittle and is fracture resistant. Like a glass ceramic, the material has excellent polish retention for lasting esthetics.

The material is easily machined by chair side or in a dental lab side, could be an useful restorative option. (J Korean Acad Esthet Dent 2016;25(2):98-108)

Key words: all-ceramic, nano-hybrid ceramic, CAD/CAM

http://dx.doi.org/10.15522/jkaed.2016.25.2.98

•Received 2016.11.15 •Last Revision 2016. 11.25 •Accepted 2016.12.10

•Corresponding Author: Beom-Jin Choi Miracle CAD/CAM Center

E-mail: [email protected]

서론

치과 CAD/CAM용 소재는 날로 발전하고 있으며 임상의 적용에 있어 그 사용 범위가 더욱 넓어지고 있는데 그 중

Case Report

에서도 과거 전통적인 glass ceramic과 PMMA, zirconia등 여러 소재가 꾸준히 사용되고 있다. 하지만 단일소재가 가 지고 있는 파절과 착색 및 glass ceramic 소재가 가진 취성(脆性)등은 CAD/CAM 가공과정 중에 보철물의 파괴나 부적 합 등을 야기하며 PMMA 소재의 경우 완성된 보철물의 낮은 착색 저항성으로 인해 구강 내 장착 후에 변색, 구취 등 의 문제를 발생시키고 있다. Zirconia 소재의 경우 CAM 파트에서 기계가공 중에 발생될 수 있는 문제점은 pure glass ceramic재료에 비해 적지만 오랜 시간의 sintering 과정을 필요로 하고 있다. 또한 자연치아에 비해 높은 강도와 파괴 저항성은 구강 내 장착 시 대합치에 과도한 충격을 주거나 이상마모를 발생시키는 원인으로 작용하고 있다. 따라서 최 근에 두 가지 이상의 치과용 소재를 이용하여 각각의 소재가 가진 유리한 물성을 이용하여 복합소재(hybrid materials) 를 개발 및 사용하고 있으며 치과기공과정은 물론 진료과정에서도 그 조작과 장착과정은 물론 보철물 장착 후에도 환 자의 예후 관찰에 있어 유리한 결과를 보이고 있다.

따라서 최근 치과 분야에서 적용하고 있는 CAD/CAM용 복합소재의 기본적인 물성에 대한 관찰과 연구를 통해 기 존 단일소재와의 차이점을 확인하고 임상적용에 있어 그 활용은 물론, 술자들에게 사용 소재에 대한 기본적인 정보 및 활용하는 방법에 대해 소개하고자 한다. 또한 Nano hybrid 소재의 사용에 대한 증례를 소개하여 임상에서의 사용시 도움이 되고자 하며, 향후 지속적인 발전을 위한 다양한 치과용 복합소재에 대한 전망도 예측해 볼 수 있는 정보로 활 용하고자 한다.

Fig. 1.

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Fig. 2.

Fig. 3.

본론

최근에 개발되어 상용하고 있는 치과 CAD/CAM용 소재는 나노 사이즈 입자의 크기로 두 가지 이상의 복합 소재가 합성된 재료이다. Glass ceramic은 높은 심미성과 빛 투과성, 높은 착색저항성, 그리고 치면 세균막 침착 저항성의 성 질을 가지고 있어 전통적으로 널리 사용되어 왔다. 또한 복합레진(composite resin)은 높은 굴곡강도와 미세부 재현성 등의 가공성을 바탕으로 꾸준한 개발을 통해 널리 사용되고 있다. 이러한 세라믹 소재와 복합레진의 장점을 더한 나노 합성소재 (Nano Hybrid material)가 연구 개발되었고, 상용중인 Dental CAD/CAM 시스템용 소재로 개발되어 환자는 물론 술자들에게도 보철물 수복에 대한 재료선택의 폭이 넓어졌다.

치과용 CAD/CAM 시스템용으로 개발된 복합소재(hybrid materials)는 레진과 나노 사이즈의 세라믹 입자가 균일 한 상태로 혼합되어 입자간 강한 결합력을 바탕으로 우수한 물성을 보이고 있다.

나노 입자의 강력한 결합 형태는 소재가 지니는 기계적 물성에도 큰 영향을 주게 된다. 굴곡강도와 파괴인성 (Flexural strength and fracture toughness)의 경우 치아 수복 재료의 선택에 큰 영향을 주는 요인으로 작용하고 있다. 소 재의 다양한 물성 중에서 composite resin의 낮은 굴곡 강도는 보철물의 제작하기 위한 개선해야 할 부분이기도 하다.

이러한 성질은 구강 내 셋팅 후의 보철물의 생존률만을 생각할 수 있는 부분을 넘어서 인접치아와 대합치와의 관계에 서도 저작이나 발음 등의 부분에 매우 중요한 부분을 차지하고 있다. 특히, 저작 시에 자연치와 유사한 느낌은 매우 중 요한 부분으로 인식되고 있다.

특히 , 이러한 기본적인 물성의 개선은 보철물의 제작과 적용을 쉽게 했으며 기존 단일소재의 적용 시 발생될 수 있 는 파절 등과 같은 문제점의 개선에 상당히 많은 부분에 영향을 주고 있다. 구강 내 장착 시에도 인접치의 조건 등에 영향을 덜 받아 장착이 용이하고 보철물의 일부 또는 전체 파손을 방지할 수 있는 장점이 있다.

이축 굴곡 강도(Biaxial Flexural strength)의 측정 방법은 물성의 특징을 파악하는 기본적인 방법 중 하나이고 특히 세라믹 소재의 물성을 파악하는데 널리 사용하고 있다. 이러한 방법을 통해 상용되고 있는 소재와 재료들의 기본적인 물성을 측정, 평가해 보고 술자들의 임상 적용의 다양성과 적응증 결정에도 도움을 주게 된다.

Fig. 4.

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제작된 치과 보철물은 구강 안에 장착되면 수많은 저작 및 악관절 활동에 의해 많은 외력을 받게 된다. 특히, 구치부 의 경우 저작과 발음에 있어 많은 상·하악 치아간 교합운동이 일어난다. 낮은 굴곡강도를 지니고 있는 소재의 경우 구 강 안의 높은 상대습도 상태에서 소재내부의 습윤 상태에 의해 물성이 영향을 받게 되며 특히, Glass ceramic소재의 경 우 소재가 지니는 굴곡강도는 보철물의 구강 내 높은 습도의 조건에서 시간이 지남에 따라서 생존율에 큰 영향을 받고 있다. 복합 소재는 나노 입자의 ceramic이 합성되어 낮은 굴곡강도를 개선하여 임상적용에 있어 단일 소재에 비해 물 성의 증가에 유리한 요소로 작용하게 된다..

Fig. 5.

Fig. 6.

Fig. 7-1.

Fig. 7-2.

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임시치아나 부분 수복의 소재로 많이 사용했던 PMMA소재는 쉬운 조작성과 일반적으로 높은 탄성을 가지고 있다.

하지만 구강 내 장착 후 시간이 지남에 따라 보철물에 착색이 급격히 진행되어 그 사용 기간이 오래 지속되지 못하고 착색과 동시에 치면 세균막의 침착이 발생하여 구강 위생상태의 저하와 구취유발 등을 요인으로 작용하였다. 이러한 이유는 재료를 구성하는 입자 사이의 많은 공극을 포함하기 때문이며 구강 내 타액을 비롯해 섭취하는 음식물의 색소 와 수분을 쉽게 흡수하기 때문이다. 따라서 강도의 저하는 물론 특히, 심미적인 부분의 수복에 있어 착색과 변색이 진 행되는 결과를 보이는 것 또한 같은 원인 때문이다. 치과 보철물의 착색 저항성은 소재를 구성하는 입자간의 공극의 크기와 개수가 상대적으로 적고 균일하고 작은 크기의 구성입자로 이루어졌을 때 높게 나타나며 치과 CAD/CAM용 Hybrid material의 경우 Factory Manufacturing의 방식으로 술자들에게 공급되고 있어 기존 Hand-made dental material 보다도 더 유리한 착색 저항성을 가지고 있다.

Fig. 7-3.

Fig. 8.

임상에서 구치부에 보철물을 제작하는 경우 중요한 목적은 상실된 법랑질과 상아질의 수복이라고 볼 수 있다. 수복 하는 보철물의 적절한 탄성계수(Elastic module)는 구강 내 장착된 소재의 탈락을 방지하고 파절과 변형을 방지하는데 큰 영향을 주고 있다. 수복되는 보철물에 적용하는 복합소재가 자연치 상아질과 비슷한 범위의 탄성계수를 가지고 있 으므로 구강 내 장착 후 저작압과 충격을 흡수 및 분산시키는 쿠션효과를 가지게 되며 독립적인 자연치의 움직임을 허 용하는 보철물의 수복 시 턱뼈와 치조골에 가해지는 충격을 완화시켜 보철물은 물론 지대치의 보존율에 영향을 주고 있다 . 일반적인 Glass ceramics 소재의 경유 탄성률이 자연치 상아질과 큰 차이를 보이는 점을 고려한다면 CAD/CAM 용 수복재료의 선택 시 중요한 요인으로 작용하게 된다.

치과 CAD/CAM용으로 사용하는 소재는 일반적인 기계가공 과정에서 보철물의 생존률과 높은 연계성을 가진다.

CAM파트에서 glass ceramic소재를 기계 가공한 경우에 디자인된 보철물의 얇은 변연 부위의 두께가 충분히 확보되 지 않으면 후에 Fracture 또는Chipping현상이 발생할 수 있다. 이는 ceramic 소재가 가지고 있는 취성(Brittleness)때문 이며 이로 인해 마진 적합성이 떨어지는 보철물이 제작되는 경우가 발생하였다. 복합소재의 경우 물성의 이런 상황을 상당히 개선하여 임상적용에서 Inlay나 Onlay등의 경우에 유리하게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 9.

F

ig. 10-1.

Fig. 10-2.

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결론 및 고찰

치과임상 보철물의 제작에 사용하는 CAD/CAM용 소재들에 있어 기존의 PMMA와 Porcelain 그리고 Zirconia에 이 르기까지 각각의 상이한 고유의 물성을 가지고 있으며, 그 고유의 특성을 이용하여 치과 치료 목적에 부합하는 보철물 제작재료를 선택하고 있다. 최근 들어 사용하고 있는 치과보철 제작용 복합소재(Dental Hybrid material)는 기존의 단 일소재가 가지고 있는 성질들 중 상호 보완적인 부분을 합성하여 물리적 그리고 화학적으로 개선된 성질을 가지고 있 으며, 치과 임상에서 적용 시 그 제작과정은 물론 치료 이후의 예후도 상당부분 개선된 결과를 보이고 있다.

Fig. 11.

Fig. 12.

특히 , PMMA 재료가 가진 높은 탄성과 및 기계가공 중 미세부 재현성은 상당히 우수한 성질로 평가되고 있으며, Glass ceramic이 가지고 있는 높은 착색 저항성과 높은 압축강도는 환자의 구강 안에서 기능적인 부분에 높은 저작효 율을 보이고 있다. 뿐만 아니라 심미적인 치과 보철물 제작에 있어서도 뛰어난 장점을 가지고 있다.

이러한 두 가지 이상의 소재를 합성하여 개발된 치과보철수복용 CAD/CAM 합성소재는 각각의 단일소재가 가진 장점들을 활용하고 단점으로 인식되는 물성들을 상호 보완하여 치과보철 환자에게 보다 질 좋은 보철물을 제공하는 데 크게 기여하고 있다. 특히, 나노 하이브리드 세락믹(Nano Hybrid Ceramic)의 경우 쉬운 조작성, 높은 가공성과 심 미성 등의 특성을 바탕으로 술자와 환자에게 높은 호응을 얻을 수 있는 아이템으로 자리매김 하고 있다.

자연치와 유사한 굴곡강도와 높은 투명도를 바탕으로 한 나노 하이브리도 세라믹(Developed Nano Hybrid Ceramic) 소재는 지금도 꾸준히 개발되고 있으며 향후 더욱 다양한 복합소재의 개발에 기초 자료로 활용되고 있으며 이와 관련된 연구는 치과 분야에 종사하는 임상가와 관련분야 연구자들의 지속적인 노력을 통해 계속될 것으로 생각 된다 .

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치과 CAD/CAM용 Nano Hybrid Ceranic 소재를 이용한 심미 치과보철물의 제작

전통적인 Metal-ceramic 보철 제작 방식으로부터 All-ceramic 보철에 이르기까지 최근 신소재 개발에 영향을 주는 가장 큰 요인은 심미적인 욕구일 것이다.

우리가 사용하는 각각의 치과용 수복 재료는 재료 별로 강도, 인성, 기계 가공의 효율성 및 사용에 필요한 다양한 과정을 기반으로 임상에서 다양하게 사용되고 있다. 예를 들어 Glass ceramic과 같은 단일 소재의 경우 약한 물성을 고려하여 주 로 싱글 크라운과 같은 간단한 보철에 사용하고 있으며 상대적으로 높은 파괴 인성을 가진 지르코니아 재료의 경우 싱글 크라운은 물론 브릿지의 제작에도 널리 사용하고 있다. 하지만 지르코니아 재료는 제작 과정에서 긴 Sintering 시간을 필 요로 하므로 Chair side에서 빠른 보철물 제작에 쉽지 않은 부분이 있으며 주로 Lab. side에서 사용하고 있다.

CAD / CAM 시스템을 이용하여 보철물을 제작하는 용도로 개발 된 Hybrid ceramic 소재는 Resin Nano Hybrid Ceramic이 라고도 하며, 개선 된 물성을 포함한 나노 세라믹 요소를 기반으로 하고 있다. 이러한 특징들은 심미적이며 기능적인 보철 물의 제작이 용이한 과정과 결과를 보이고 있으며 동시에 향상된 내구성을 바탕으로 보철물의 제작 과정에 유리한 조건 들을 가지고 있다. 새로운 Nano Hybrid Ceramic 재료는 Composite Resin과 Glass ceramic과 같은 단일 소재들이 가진 장 점들을 이용하여 술자들의 요구사항을 바탕으로 오랜 연구를 통해 개발된 치과 수복 아이템이며 Nano ceramic filler가 혼 합된 구조로 되어있어 치과 수복용 복합소재로서 널리 사용하고 있다. 또한 Nano Hybrid Ceramic소재는 Composite resin 의 가공 과정에서 쉽게 파절되지 않는 개선된 물성과 Glass ceramic이 가진 심미성 동시에 포함하고 있는 것이 특징이다.

따라서 Chair side와 Lab. side에서 CAD/CAM 시스템을 이용하여 보철물을 제작할 때 임상적용이 쉽고 유용한 장점을 가 지고 있어 추가적인 연구가 필요하다.

키워드: all-ceramic, nano-hybrid ceramic, CAD/CAM