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문제 정의
- 본 연구에는 치과보철물 재료로 광범위하게 사용되고 있는 Ni-Cr 혹은 Co-Cr 합금과 도재의 용착 밀접도 및 부식 저항성에 대한 연구를 위하여 도재용착금속의 표면 산화막과 불투명제 층간의 밀착성을 관찰하고, 실제 환자가 일정기간 사용한 Ni-Cr 합금 치과보철물의 금속 하부구조 노출부분에 대한 부식의 현상과 거동을 제시하고자 한다. 또한, 상온에서 동전위분극시험을 통하여 Ni-Cr과 Co-Cr 합금에 대한 부식전류밀도를 비교 분석하였다.
제안 방법
- Ni-Cr과 Co-Cr 합금을 이용한 도재용착금속 시편은 합금, 불투명제, 그리고 도재의 계면과 표면을 관찰하였다. 또한, 위의 시편과 비교 관찰을 위하여 환자가 약 4년 사용 후 발치한 Ni-Cr 합금 보철물 시편의 계면 및 부식상태를 관찰하였다.
- Ni-Cr과 Co-Cr 합금을 이용한 도재용착금속 시편의 금속, 불투명제, 그리고 도재에서 계면의 관찰을 위하여 광학현미경을 사용하여 시편의 절단면을 관찰하였다.
- 열처리 후, 시편에 도재 (Ceramco 3 Porcelain, Dentsply International)를 두께 2 ~ 3 mm로 코팅하고 건조 후 다시 930 ℃에서 17분 동안 진공 열처리하였다. 광학현미경 관찰을 위하여 시편을 마운팅하고 미세연마를 하였으며, 관찰 면의 청결을 위하여 아세톤에 담근 후 3분 이상 초음파 세척하였다.
- 광학현미경에서 관찰한 마운팅된 시편을 Pt coating 후 FE-SEM (H-7600, Hitachi)를 이용하여 시편의 표면을 관찰하고 EDS을 이용, 성분을 분석 하였다.
- 두께가 약 150 μm 정도의 불투명제 (Ceramco 3 Opaque, Dentsply International)를 코팅하고 건조 후 다시 위와 동일한 온도와 시간 동안 진공 열처리하였다.
- 광학현미경 및 전자현미경 관찰에서 환자가 일정기간 사용 후 발치한 Ni-Cr 합금 치과보철물에서 부식을 확인 할 수 있었으나, Co-Cr 합금에 대하여서는 시편의 확보가 어려워 부식에 대한 비교 분석을 수행할 수가 없었다. 따라서 Co-Cr 합금에 대한 부식 특성을 Ni-Cr 합금과 비교 분석하고자 일반적인 치과보철물 제작 공정과 동일한 방법으로 용해 및 원심주조 하여 제작한 시편을 이용하여 상온에서 동전위 분극실험을 수행하였다.
- 본 연구에는 치과보철물 재료로 광범위하게 사용되고 있는 Ni-Cr 혹은 Co-Cr 합금과 도재의 용착 밀접도 및 부식 저항성에 대한 연구를 위하여 도재용착금속의 표면 산화막과 불투명제 층간의 밀착성을 관찰하고, 실제 환자가 일정기간 사용한 Ni-Cr 합금 치과보철물의 금속 하부구조 노출부분에 대한 부식의 현상과 거동을 제시하고자 한다. 또한, 상온에서 동전위분극시험을 통하여 Ni-Cr과 Co-Cr 합금에 대한 부식전류밀도를 비교 분석하였다.
- Ni-Cr과 Co-Cr 합금을 이용한 도재용착금속 시편은 합금, 불투명제, 그리고 도재의 계면과 표면을 관찰하였다. 또한, 위의 시편과 비교 관찰을 위하여 환자가 약 4년 사용 후 발치한 Ni-Cr 합금 보철물 시편의 계면 및 부식상태를 관찰하였다.
- 상온에서 시편에 대한 부식 저항성은 실험 시작 전 1시간 동안 Ar 가스를 사용하여 탈기한 3.5 wt% NaCl 용액을 사용하고, 원심주조에 의해 제작된 시편을 작업전극 (working electrode), 포화칼로멜전극 (saturated calomel electrode, SCE)을 기준전극 (reference electrode), 그리고 백금상대전극 (Pt-counter electrode)을 3-전극 전기화학 셀로 구성하는 동전위 분극실험 (potentiodynamic polarization test)에 의하여 평가 하였다. 위의 분극실험은 1,800초 동안 개방회로전위 (open circuit potential)를 가하여 표면을 안정화 하였으며, 전류밀도 (current density)는 전위 (potential)을 0.
- 두께가 약 150 μm 정도의 불투명제 (Ceramco 3 Opaque, Dentsply International)를 코팅하고 건조 후 다시 위와 동일한 온도와 시간 동안 진공 열처리하였다. 열처리 후, 시편에 도재 (Ceramco 3 Porcelain, Dentsply International)를 두께 2 ~ 3 mm로 코팅하고 건조 후 다시 930 ℃에서 17분 동안 진공 열처리하였다. 광학현미경 관찰을 위하여 시편을 마운팅하고 미세연마를 하였으며, 관찰 면의 청결을 위하여 아세톤에 담근 후 3분 이상 초음파 세척하였다.
- 5 wt% NaCl 용액을 사용하고, 원심주조에 의해 제작된 시편을 작업전극 (working electrode), 포화칼로멜전극 (saturated calomel electrode, SCE)을 기준전극 (reference electrode), 그리고 백금상대전극 (Pt-counter electrode)을 3-전극 전기화학 셀로 구성하는 동전위 분극실험 (potentiodynamic polarization test)에 의하여 평가 하였다. 위의 분극실험은 1,800초 동안 개방회로전위 (open circuit potential)를 가하여 표면을 안정화 하였으며, 전류밀도 (current density)는 전위 (potential)을 0.5 mV/s의 속도로 스캔하여 기록하였다.
- 치과보철물의 주요 구성 요소로써 도재용착금속에 대한 물리·화학적 특성을 보이고자 본 실험에서는 Ni-Cr (VeraBond 2VⓇ , AalbaDent)과 Co-Cr (Argeloy N.P. SpecialⓇ , Argen Corporation) 합금을 사용하여 일반적으로 행하여지는 치과보철물 제작공정과 동일한 방법으로 아세틸렌 토치를 이용, 용해 후 원심주조하여 시편 (L 3 cm × W 1 cm × T 0.3 cm)을 제작하였다.
이론/모형
- 61 × 10-6 A/cm2)이 약 3배 정도 안정적인 것으로 관찰이 되었다. 위의 부식전류밀도는 분극실험 결과 (Fig. 6)를 바탕으로 타펠외삽법 (Tafel extrapolation method)을 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- Fig. 4(a)에서 도재가 용착되어 형성된 Ni-Cr 합금은 불투명제와 도재에 의하여 외부 환경으로부터 차단되어 부식 환경에 노출이 되지 않았으며, 따라서 Ni-Cr 합금의 부식은 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다. Fig.
- Fig. 2 (b)는 (a)의 금속과 불투명제 계면 부위를 확대한 사진으로 금속계면의 표면 거칠기를 관찰할 수 있으며, 원심주조 시편 제작 후 후처리 과정에서 Talladium-AluminaⓇ를 이용, 샌드블라스트하여 금속의 표면을 의도적으로 거칠게 한 결과이다. 이는 금속의 표면적을 크게 하여 불투명제와의 접착성을 개선하기 위함이다.
- Ni-Cr과 Co-Cr 합금을 이용한 도재용착금속 시편을 제작하였으며, 광학현미경 및 전자현미경을 이용하여 금속과 도재와의 계면을 관찰한 결과 Ni-Cr 합금과 비교 시 산화물층의 두께가 비교적 얇은 Co-Cr 합금을 이용한 도재용착금속 시편이 금속과 도재의 용착에서 계면 간의 충분한 접촉 강도를 유지하고 있는 것으로 보이고, 산화물층에 대한 EDS mapping의 결과에서는 주로 Al2O3와 Cr2O3 형태의 산화물이 형성 되는 것으로 분석이 되었다. 또한, 동일 조건하에서의 동전위 분극실험의 결과 Co-Cr 합금이 Ni-Cr 합금 보다 약 3배 정도 부식 환경에서 안정적인 것으로 분석이 되었으며, 우수한 부식 저항성을 보이는 것으로 평가되었다.
- 형태의 산화물이 형성 되는 것으로 분석이 되었다. 또한, 동일 조건하에서의 동전위 분극실험의 결과 Co-Cr 합금이 Ni-Cr 합금 보다 약 3배 정도 부식 환경에서 안정적인 것으로 분석이 되었으며, 우수한 부식 저항성을 보이는 것으로 평가되었다.
- 또한, 불투명제와 도재 간의 확산에 의한 용착층(fused layer)이 약 150 μm 두께의 범위에 걸쳐 생성된 것을 확인할 수 있다.
- 6는 Ni-Cr과 Co-Cr 합금 시편에 대한 동일조건하에서 수행된 동전위 분극실험 결과를 보여주고 있다. 상온에서의 분극실험을 통한 부식특성 또한 Co-Cr 합금이 Ni-Cr 합금 보다 상대적으로 안정한 결과를 보이고 있는 것을 확인 할 수 있다. 일반적으로 Ni-Cr 합금의 내산화성이 우수하나, 열간내식성 및 생체 안전성은 Co-Cr 합금이 우수한 것으로 알려져 있다3,23,24) .
- 환자가 4년 사용 후 발치한 동일 시편에서 부식이 발생한 부분과 발생하지 않은 부분의 성분분석 비교 결과 Al, Si, Cr, Mo 등의 성분이 부식으로 인하여 감소되었으며, Ni와 Zr은 상대적으로 안정하여 손실되지 않은 것으로 확인이 되었다. 이러한 부식의 결과는 Fig.
- 환자가 약 4년 사용 후 발치된 Ni-Cr 합금 치과보철물의 경우 구강 내에서 사용 환경에 노출된 금속 부위에 대한 광학 현미경 및 전자현미경 관찰에서 공식에 의한 시편 표면의 침식을 확인할 수 있었으며, 따라서 현재 대부분의 도재용착금속재료로 사용 중인 Ni-Cr 합금을 치과보철재료로 인체에 적용 시 부식으로 인하여 유해한 Ni-화합물을 생성할 가능성이 있는 것으로 보인다. 결과적으로 Ni-Cr 합금 치과보철물의 부식성에 대한 연구 및 분석의 결과는 이 합금 시편에 대한 부식의 가능성을 보여주는 것으로 Ni-Cr과 Co-Cr 합금 치과보철물에 대한 명확한 부식특성과 인체에 대한 유해 유무 평가는 추가적인 실험과 분석을 통하여 확인이 되어져야 할 것으로 보인다.
후속연구
- 환자가 약 4년 사용 후 발치된 Ni-Cr 합금 치과보철물의 경우 구강 내에서 사용 환경에 노출된 금속 부위에 대한 광학 현미경 및 전자현미경 관찰에서 공식에 의한 시편 표면의 침식을 확인할 수 있었으며, 따라서 현재 대부분의 도재용착금속재료로 사용 중인 Ni-Cr 합금을 치과보철재료로 인체에 적용 시 부식으로 인하여 유해한 Ni-화합물을 생성할 가능성이 있는 것으로 보인다. 결과적으로 Ni-Cr 합금 치과보철물의 부식성에 대한 연구 및 분석의 결과는 이 합금 시편에 대한 부식의 가능성을 보여주는 것으로 Ni-Cr과 Co-Cr 합금 치과보철물에 대한 명확한 부식특성과 인체에 대한 유해 유무 평가는 추가적인 실험과 분석을 통하여 확인이 되어져야 할 것으로 보인다.
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