A Study on Hybrid material of Making Dental restorations by CAD/CAM System

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(1)J Korean Acad Esthet Dent. http://dx.doi.org/10.15522/JKAED.2014.23.2.86. A Study on Hybrid material of Making Dental restorations by CAD/CAM System 치과 CAD/CAM용 복합소재를 이용한 치과보철물의 제작에 대한 연구. Beom-jin Choi / Newface dental hospital, Head of dental laboratory 최범진 / 뉴페이스치과병원 기공실장 In recent years, perhaps the biggest driver in new material development is the desire to improve crown and bridge esthetics compared to the traditional PFM or all-metal restorations. As such, zirconia, leucite-containing glass ceramic and lithium disilicate glass ceramic have become prominent in the dental practice. Each material type performs differently regarding strength, toughness, ease of machining and the final preparation of the material prior to placement. For example, glass ceramic 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 sintering procedure which excludes its use for fast chair side production. Developed hybrid material of CAD/CAM is contained nano ceramic elements. This new material, called a Resin Nano Ceramic is unique in durability and function. The material is not a resin or composite. It is also not a pure ceramic. The material is a mixture of both and consists of ceramic. 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 chair side or in a dental lab, polishes quickly to an esthetic finish and if necessary, can be useful restoratives. Keywords: CAD/CAM, lithium disilicate, resin nano ceramic(J Korean Acad Esthet Dent 2014;23(2):86-94). 서 론 치과 CAD/CAM용 소재는 날로 발전하고 있으며 임상의 적용에 있어 그 사용 범위가 더욱 넓어지고 있는데 그 중 에서도 과거 전통적인 glass ceramic와 PMMA, zirconia등 여러 소재가 꾸준히 사용되고 있다. (Fig. 1) 최근 들어 치과용 복합소재의 개발과 사용은 치과 보철물의 안정성은 물론 단일소재가 가지고 있는 착색, 파절, 낮 은 강도, CAM 파트의 밀링과정 중의 파괴등 문제점이 야기되고 있으며 이로 인해 안정적이고 구강 내 적합도가 낮은 보철물이 제작되는 경우도 적지 않다.1 특히, glass ceramic 소재가 가진 물성 중 취성(脆性)등은 CAD/CAM 가공과정 중에 보철물의 파괴나 변형 등을 야기하며 PMMA 소재의 경우 완성된 보철물의 낮은 착색 저항성으로 인해 구강 내 장착 후에 변색, 구취 등의 문제를 발생시키고 있다. (Fig. 2) 또한 zirconia 소재의 겨우 CAM 파트에서 밀링 중에 발생 될 수 있는 파절이나 변형은 glass ceramic에 비해 다소 적지만 오랜 시간의 sintering 과정을 필요로 하고 오히려 자연.

(2) 치과 CAD/CAM용 복합소재를 이용한 치과보철물의 제작에 대한 연구. 87. Fig. 1. 현재 사용 중인 다양한 종류의 CAD/CAM system 치아에 비해 높은 강도와 파괴저항성으로 구강 내에서 대합치의 충격 또는 이상마모를 발생시키는 요인으로 작용하 고 있다. 또한 교합 시 충격 흡수에 대한 물성이 부족하여 긴밀한 상태의 교합이나, 임플란트 상부구조의 제작에 있어 교합관계를 잘못 설정시 환자의 골에 식립된 임플란트 fixture는 물론 턱관절에도 무리한 영향을 주는 현상이 생기는 경우가 있다.2 따라서 최근에 두 가지 이상의 치과용 소재를 이용하여 각각의 소재가 가진 유리한 물성을 이용하여 복 합소재(hybrid materials)를 개발 및 사용하고 있으며 치과기공과정은 물론 진료과정에서도 그 조작과 장착과정은 물 론 보철물 장착 후에도 환자의 예후 관찰에 있어 유리한 결과를 보이고 있다. 따라서 본 연구는 최근 치과 분야에서 적용하고 있는 CAD/CAM용 복합소재의 기본적인 물성에 대한 연구를 통해 기존 단일소재와의 차이점을 확인하고 실제 치과에서 임상적용에 있어 그 활용은 물론, 술자로 하여 사용 소재에 대 한 기본적인 정보를 제공하고 활용하는 방법과 복합소재의 특징을 사전에 제공하여 사용시 도움이 되고자 하며 향후 개발될 다양한 치과용 복합소재에 대한 전망도 예측해 볼 수 있는 정보로 활용하고자 한다.. Journal of the Korean Academy of Esthetic Dentistry.

(3) 88. 2014, Vol. 23, Issue 2. Fig. 2. CAM파트의 가공과정중 실패한 Glass ceramic 소재의 보철물. 본 론 최근에 개발되어 상용하고 있는 치과 CAD/CAM용 소재는 나노 사이즈 입자의 크기로 두가지 이상의 복합 소재가 합성된 재료가 임상에서 활용되고 있다. 과거 glass ceramic이 가지는 높은 심미성과 빛 투과성, 높은 착색저항성, 그리 고 치면 세균막 침착 저항성의 성질을 가지고 있어 전통적으로 널리 사용되고 있다. 또한 복합레진(composite resin)또 한 높은 굴곡강도, 높은 미세부 재현성과 가공성을 바탕으로 꾸준한 개발을 통해 널리 사용되고 있다. 이러한 세라믹 소재와 복합레진의 장점을 더한 합성소재(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 클러스트 형태의 복합소재(hybrid materials)는 나노 사이즈의 레진 입자 와 나노 사이즈의 ceramic 입자가 마치 포도송이 형태의 강한 결합으로 단일 소재에 비해 우수한 물성을 지니고 있다. (Figs. 3 and 4).

(4) 치과 CAD/CAM용 복합소재를 이용한 치과보철물의 제작에 대한 연구. Fig. 3. Bonded zirconia/ silica nano particles clustered. 89. Fig. 4. Ceramic clusters and cross-linked resin matrix. Fig. 5. Flexural strength and fracture toughness 나노 입자의 강력한 결합 형태는 소재가 지니는 기계적 물성에도 큰 영향을 주게 된다. 특히, 사용하는 재료의 임상 적용에 큰 결정을 주는 요소인 굴곡강도와 파괴인성(Flexural strength and fracture toughness)의 경우 치아 수복 재료 의 선택에 큰 영향을 주는 요인으로 작용하고 있다. 소재의 다양한 물성중에서 composite resin의 낮은 굴곡 강도는 보 철물의 제작하기 위한 개선해야할 부분이기도 하다. 단순히 구강내 장착후의 잔존률만을 생각하는것 뿐만 아니라 인 접치아와 대합치와의 관계에서도 매우 중요한 부분이다. (Fig. 5) 특히, 이러한 기본적인 물성의 개선은 실제 임상에서 보철물의 제작과 적용에 매우 유리한 면을 가지고 있으며 기 존 단일소재의 적용 시 발생될 수 있는 파절등과 같은 문제점의 개선에 상당히 많은 부분에 영향을 주고 있다. 구강내 장착시에도 인접치의 조건등에 영향을 덜 받아 장착이 용이하고 보철물의 일부 또는 전체 파손을 방지할 수 있는 장점 이 있다. 굴곡강도(Flexural strength)의 측정 방법은 물성의 특징을 파악하는 기본적인 방법중 하나이고 특히 세라믹 소재의 물성을 파악하는데 유리하므로 많이 사용하고 있다. 이런한 방법을 통해 상용되고 있는 다양한 소재들의 임상적용 가 능성을 예측해 볼 수 있고, 사용 여부의 결정에도 영향을 주게 된다. (Fig. 6). Journal of the Korean Academy of Esthetic Dentistry.

(5) 90. 2014, Vol. 23, Issue 2. Fig. 6. 3-point Flexural strength test by INSTRON. Fig. 7. Flexural Strength (MPa). Fig. 8. Hybrid materials Fatigue Resistance vs. Lithium Disilicate 제작된 치과 보철물이 구강 안에 장착되면 수많은 저작 및 악관절 활동에 의해 장착 보철물은 많은 응력을 받게 된 다. 특히, 구치부의 경우 저작과 발음에 있어 많은 상·하악 치아간 교합운동이 일어난다.3 낮은 굴곡강도를 지니고 있 는 소재의 경우 구강안의 높은 상대습도 상태에서 소재내부의 습윤상태에 의해 물성이 영향을 받게 되며, ceramic 소재의 경우 소재가 지니는 굴곡강도는 보철물의 구강 내 생존율에 큰 영향을 주고 있다. 복합 소재는 나노 입자의 ceramic이 합성되어 낮은 굴곡강도를 개선하여 임상적용에 있어 단일 소재에 비해 물성의 증가에 유리한 요소로 작용 하게 된다. (Fig. 7) Glass ceramic소재 중 상대적으로 높은 굴곡강도와 특성을 지니고 있는 lithium disilicate 소재의 경우 높은 굴곡강도 를 가지고 있으며 기존 all ceramic 소재의 임상적용이 어려웠던 구치부에도 적용할 수 있는 소재로 최근에 널리 사용되 고 있다. 하지만 대부분의 ceramic 소재들이 갖는 피로 저항성(Fatigue Resistance) 이 시간의 지남에 따라 급격히 낮아 지면서 최초 적용 시에 지니는 굴곡강도의 약 55%정도를 유지하지만 hybrid 소재의 경우 최초 적용 시 굴곡강도의 약 78%정도를 유지하고 있어 높은 피로 저항성을 보이게 된다. 개선된 피로 저항성은 환자의 구강에 임상보철 적용 시 구 강 내 장착 후에 급작스런 파괴와 파절을 방지하여 안정된 저작 및 발음을 하는데 유리하게 작용하고 있다. (Fig. 8).

(6) 치과 CAD/CAM용 복합소재를 이용한 치과보철물의 제작에 대한 연구. 91. Fig. 9. Clinical caseⅠ(left : before treatment, right : after treatment). Fig. 10. Stain Resistance. Fig. 11. Modules of Elasticities. 임시치아나 부분 수복의 소재로 많이 사용했던 PMMA소재는 쉬운 조작성과 높은 굴곡강도를 지니고 있다. 하지만 구강 내 장착 후 시간이 지남에 따라 보철물에 착색이 급격히 진행되어 그 사용이 지속되지 못하고 착색과 동시에 치 면세균막 침착이 발생하여 구강 위생상태의 저하와 구취등을 유발시키는 원인으로 작용하였다. 재료를 구성하는 입자 사이의 높은 다공성을 포함하기 때문이며 구강 내 타액을 비롯해 섭취하는 음식물의 색소와 수분을 쉽게 흡수하기 때 문이다. 따라서 강도의 저하는 물론 특히, 심미적인 부분의 수복에 있어 착색과 변색이 진행되는 결과를 초래하기도 한 다. (Fig. 9) 착색 저항성은 소재를 구성하는 입자간의 다공성이 상대적으로 적고 균일하고 작은 크기의 구성입자로 이 루어졌을 때 높게 나타나며 복합소재의 경우 기존 ceramic 소재보다도 더 높은 착색 저항성을 지니고 있다. (Fig. 10) 임상에서 구치부에 보철물을 제작하는 경우 상실된 법랑질과 상아질의 수복이 가장 중요한 목적이라고 할 수 있다. 수복하는 보철물의 적절한 탄성계수는 구강 내 장착된 소재의 탈락을 방지하고 파절과 변형을 방지하는데 큰 영향을 주 고 있다.4 수복되는 보철물에 적용하는 복합소재가 자연치 상아질과 비슷한 범위의 탄성계수를 가지고 있으므로 구강내 장착 후 저작압을 흡수하는 쿠션효과를 가지게 되며 독립적인 자연치의 움직임을 허용하는 보철물의 수복 시 턱뼈와 치 조골에 가해지는 충격을 완화시켜 보철물과 지대치의 생존율에 큰 영향을 주고 있다. (Fig. 11) 특히, glass ceramic 소재 의 경유 탄성률이 자연치 상아질과 큰 차이를 보이고 있어 저작 시 지대치와 보철물에 큰 영향을 주게 된다. 치과 CAD/CAM용으로 사용하는 소재는 밀링 과정에서 보철물의 질이 결정되는 부분이 발생하게 된다. 밀링과정 중 과거에 사용했던 glass ceramic 소재의 경우 보철물의 두께가 충분히 확보되지 않은 곳의 얇은 변연부위는 밀링 후 에 파절과 파괴현상이 발생하는 경우가 있다. 이는 ceramic 소재가 가지고 있는 취성 (Brittle)때문이며 이로 인해 마진 적합성이 떨어지는 보철물이 제작되는 경우가 발생하였다. (Fig. 12) 복합소재의 경우 이런 상황을 상당히 개선하여 Journal of the Korean Academy of Esthetic Dentistry.

(7) 92. 2014, Vol. 23, Issue 2. Fig. 12. Milling Quality. Fig. 13. Milled Inlay and Onlay. Fig. 14. Making clinical case (Premolar).

(8) 치과 CAD/CAM용 복합소재를 이용한 치과보철물의 제작에 대한 연구. 93. Fig. 15. Making clinical case( Veneers Ⅰ). Fig. 16. Making clinical case (Veneers Ⅱ) 임상적용에서 Inlay나 Onlay등의 경우에 유리하게 적용할 수 있을 것으로 기대된다. (Fig. 13). 결 론 치과임상 보철물의 제작에 사용하는 CAD/CAM용 소재들에 있어 기존의 PMMA와 Porcelain 그리고 Zirconia에 이 르기까지 각각의 상이한 물성을 가지고 있으며, 그 고유의 특징을 이용하여 치과 진료 목적에 부합하는 보철물을 제작 하고 있다. (Fig. 14) 최근 들어 사용하고 있는 보철제작용 복합소재(Hybrid material)는 기존의 단일소재가 가지고 있. Journal of the Korean Academy of Esthetic Dentistry.

(9) 94. 2014, Vol. 23, Issue 2. 는 성질들 중 상호 보완적인 부분을 합성하여 물리적 그리고 화학적으로 개선된 성질을 가지고 있으며, 치과 임상에서 적용 시 그 제작과정은 물론 치료이후 예후도 상당부분 개선된 결과를 보이고 있다. 특히, PMMA 재료가 가진 높은 굴곡강도 및 가공 과정 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 치과보철물 제작에 있어서도 뛰어난 물성을 가지고 있다. (Fig. 15) 이러한 두 가지 이상의 소재를 합성하여 개발된 치과보철수복용 CAD/CAM 합성소재는 단일소재가 지닌 장점들을 이용하고, 상대적인 단점으로 인식되는 물성들을 상호 보완하여 치과보철 환자에게 보다 질 좋은 보철물을 제공하는 데 크게 기여하고 있다. (Fig. 16) 추후에 높은 굴곡강도와 압축강도 그리고 생체 친화적인 물질로 인식되어 있는 Zirconia의 경우도 PMMA 소재나 Glass ceramic와의 합성을 통해 더욱 개선된 복합소재(Developed Hybrid Material)로 개발되고 있으며 그 활용은 가까 이 다가와 있다. 즉, 단일소재가 지닌 물성의 상대적인 단점을 보완하는 단계의 복합소재에서 소재들의 장점을 더욱 증가시키는 복합소재의 개발이 이루어지고 있는 것이다. 이 점에 있어서 치과 분야에 종사하는 연구자와 임상에서 소 재를 사용하는 술자는 지속적인 노력을 통해 개선된 복합소재의 개발 및 활용에 관심을 가져야 할 것으로 생각된다.. References 1. Christensen GJ. In-office CAD/CAM milling of restorations. The future? J Am Dent Assoc 2008;139:83-85. 2. Poticny DJ, Klim J. CAD/CAM in-office technology: innovations after 25 years for predictable, esthetic outcomes. J Am Dent Assoc 2010;141:5S-9S. 3. Magne P, Paranhos MP, Burnett LH Jr, Magne M, Belser UC. Fatigue resistance and failure mode of novel-design anterior single-tooth implant restorations: influence of material selection for type III veneers bonded to zirconia abutments. Clin Oral Implants Res 2011;22(2):195-200. 4. DeLong R, Douglas WH. Development of an artificial oral environment for the testing of dental restoratives: biaxial force and movement control. J Dent Res 1983;62(1):32-36..

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