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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 현재 상용화된 임시 수복물 재료인 PMMA, PEEK와 PC의 기계적 물성을 평가하여 임상 적용의 유용한 정보를 얻고자 하였다.
- 본 연구는 임시 수복물로 사용 가능한 고분자 재료들의 기계적 특성을 평가하여 다음과 같은 결과를 얻었다. PEEK, PC, PMMA-H, PMMA-T 순으로 경도와 강도가 높은 것으로 나타났다.
- 일반적으로 구강 환경에서와 실험실 환경에서의 결과값은 너무나 다양한 변수가 있기 때문에 차이가 있다. 하지만 in vitro 실험에서 표준화된 시편을 통해 다른 고분자 재료들끼리의 상대적인 평가는 수행할 수 있기에 본 논문의 실험이 의미 있으며, 향후 in vivo 실험을 위한 바탕이 될 수 있다고 사료된다.
제안 방법
- 크게 기계적, 심미적, 생물학적 요구 조건으로 분류될 수 있다.19 본 실험은 기계적 요구 조건에 초점을 맞추어 진행하였고, 기계적 요구 조건 중에서 중요한 경도와 굽힘 강도, 마모 저항성을 평가하였다.
- 20 두 가지 파절 양상 중 취성 파절 양상은 3축 굽힘 강도 실험을 통하여 평가하였고, 피로 파절 양상은 저작시험기를 통하여 평가하였다.
- 1). PEEK 군을 Group I, PC 군을 Group II, PMMA - Huge 군을 Group III, PMMA - TS dental 군을 Group IV로 분류하였다. 사용된 각 군의 블록의 직경과 두께는 다음과 같다(Table 1).
- 각 군들의 시편들은 각 실험에 적합한 ISO 규격에 맞춰 CAD (Autocad, Autodesk Inc., San Rafael, USA)로 디자인하였고(Fig. 2), CAM (rainbow™ Mill-Metal, Dentium, Seoul, Korea)으로 제작되었다.
- 굽힘 강도는 압력이 가해졌을 때 시편이 버틸 수 있는 강도로 각각의 시편의 굽힘 강도를 평가하기 위하여 국제규격 ISO-4049:2019에 따라 길이 25 mm, 폭 2 mm인 높이 2 mm 사이즈로 시편을 제작하여 측정하였다. 각 군마다 10개의 시편을 만능시험기(Quasar 10, GALDABINI, Cardano Al Campo, Italy)에서 하중을 가하여 측정하였다(Fig. 3). 시편의 지지점 중앙에 1 mm/min의 속도로 시편이 파절될 때까지 하중을 가하여, 파절되는 순간 하중값(N)을 측정하였다.
- 각 군의 시편들을 저작시험 전, 후의 무게를 측정, 비교하여 마모양을 평가하였다. Group I에서 평균 0.
- 각 군의 저작시험 전, 후의 미세구조 표면을 주사전자 현미경으로 관찰하였다(Fig. 5). 저작시험 전 시편들에서는 평활한 면이 관찰되었다.
- 그리고 본 실험에서 25 × 2 × 2 mm의 시편을 이용하여 굽힘 강도 실험을 시행한 것과 달리 18 × 3 × 2 mm의 시편을 이용하여 굽힘 강도 실험을 시행하였고, 시편의 길이가 짧은 Rayyan 등의 실험에서 굽힘 강도 값이 크게 나온 것으로 사료된다.
- 본 실험에서는 안타고니스트로 지르코니아 볼을 이용하였으나 Wimmer 등의 실험에서는 자연치의 법랑질과 대구치 형태의 금속을 이용하였다. 또한 본 실험에서는 안타고니스트를 300 N의 하중으로 좌우로 3 mm씩 움직였고, 100,000회의 저작시험을 하였으나 Wimmer 등의 실험에서는 안타고니스트를 50N의 하중으로 좌우 0.7 mm씩 움직였고, 600,000회의 저작시험을 하였다. 많은 변수들의 차이가 있어서 수치의 차이는 있지만 Wimmer의 실험과 본 실험에서 모두 PMMA로 제작한 시편에서 PEEK로 제작한 시편보다 4~5배 정도의 마모양을 보였고, 더 많은 공극과 균열을 보였다.
- 시편의 저작 시험 전, 후의 표면 미세구조 변화를 관찰하기 위하여 저작시험 전 시편의 표면은 3 µm와 1 µm의 다이아몬드 페이스트(MP-DS 50-0300, MTDI, Daejeon, Korea)를 사용하여 연마 후 초음파 세척기(JAC2010, KODO Technical Research Co. Ltd, Hwaseong, Korea)에서 알코올과 증류수로 20분간 세척하였다.
- 3). 시편의 지지점 중앙에 1 mm/min의 속도로 시편이 파절될 때까지 하중을 가하여, 파절되는 순간 하중값(N)을 측정하였다.
- 4 mm 시편을 다이아몬드 디스크를 이용하여 표면을 미세 연마하였다. 연마된 시편은 마이크로 비커스 경도기(HMV-G21, SHIMADZU, Kyoto, Japan)을 이용하여 1 kgf (9.8 N)의 하중으로 15초간 압입을 통하여 시편 10개를 각각 5회 측정하여 미세경도를 측정하였다.
- 임시 수복물 재료의 여러 가지 기계적 성질 중에서 경도, 굽힘 강도와 저작에 따른 마모도를 평가하여 비교하였다. 각 군들의 시편들은 실험 평가항목마다 10개씩 제작되었다.
- 저작 마모도 평가는 저작 시 표면의 마모 양상을 평가하기 위하여 시편은 길이 20 mm, 폭 20 mm인 높이 15 mm로 설정하였고, 안타고니스트는 지르코니아 볼을 이용하여 시행하였다. 저작시험기(Chewing simulator CS4, SD Mechatronic GmbH, Feldkirchen-Westerham, Germany) (Fig.
- 지르코니아 볼과 각 시편 사이의 저작 전 거리는 3 mm로 설정하였고, 지르코니아 볼은 300 N의 힘으로 상하로 5 mm, 좌우로 3 mm씩 움직이도록 하여 저작시험을 시행하였다. 저작시험 전, 후의 시편무게를 측정하여 비교하였다.
- 저작 마모도 평가는 저작 시 표면의 마모 양상을 평가하기 위하여 시편은 길이 20 mm, 폭 20 mm인 높이 15 mm로 설정하였고, 안타고니스트는 지르코니아 볼을 이용하여 시행하였다. 저작시험기(Chewing simulator CS4, SD Mechatronic GmbH, Feldkirchen-Westerham, Germany) (Fig. 4)를 이용하여 각 군마다 10개의 시편을 이용하여 100,000회의 저작시험을 시행하였다. 지르코니아 볼과 각 시편 사이의 저작 전 거리는 3 mm로 설정하였고, 지르코니아 볼은 300 N의 힘으로 상하로 5 mm, 좌우로 3 mm씩 움직이도록 하여 저작시험을 시행하였다.
- 4)를 이용하여 각 군마다 10개의 시편을 이용하여 100,000회의 저작시험을 시행하였다. 지르코니아 볼과 각 시편 사이의 저작 전 거리는 3 mm로 설정하였고, 지르코니아 볼은 300 N의 힘으로 상하로 5 mm, 좌우로 3 mm씩 움직이도록 하여 저작시험을 시행하였다. 저작시험 전, 후의 시편무게를 측정하여 비교하였다.
- Sputter Coater (108 auto, Cressington Scientific Instruments Ltd, Watford, UK)를 사용하여 시편의 표면에 백금 코팅하였다. 코팅 후 주사전자현미경(FE-SEM, JSM7500F, JEOL, Tokyo, Japan)을 사용하여 시편의 저작시험 전, 후 표면을 관찰하였다.
대상 데이터
- 의 실험에서는 본 실험에서와 같은 저작 시험기를 통하여 저작시험을 시행하였지만, 와 저작 시험기의 조작은 달랐다. 본 실험에서는 안타고니스트로 지르코니아 볼을 이용하였으나 Wimmer 등의 실험에서는 자연치의 법랑질과 대구치 형태의 금속을 이용하였다. 또한 본 실험에서는 안타고니스트를 300 N의 하중으로 좌우로 3 mm씩 움직였고, 100,000회의 저작시험을 하였으나 Wimmer 등의 실험에서는 안타고니스트를 50N의 하중으로 좌우 0.
- 시편의 경도를 평가하기 위하여 국제규격 ISO 6507-1에 따라 길이 18 mm, 폭 3 mm인 높이 1.4 mm 시편을 다이아몬드 디스크를 이용하여 표면을 미세 연마하였다. 연마된 시편은 마이크로 비커스 경도기(HMV-G21, SHIMADZU, Kyoto, Japan)을 이용하여 1 kgf (9.
- 연구 재료는 총 4개의 군으로 상용화된 2종류의 polymethyl methacrylate (PMMA, TS dental, TIAN SHWU CO. Ltd, Tainan, Taiwan / PMMA, Huge, Huge dental material CO. Ltd, Rizhao, China), polycarbonate (PC, KWANGMYUNG, Seoul, Korea), polyeterehterketone (PEEK, DYNEX, Incheon, Korea) CAD-CAM 블록을 준비하였다(Fig. 1). PEEK 군을 Group I, PC 군을 Group II, PMMA - Huge 군을 Group III, PMMA - TS dental 군을 Group IV로 분류하였다.
- 이러한 점들을 고려하여 기존의 PMMA에 비해 더 나은 기계적 강도를 가지고, 장기간 구강내에서 기능시 안정적인 악간관계를 유지할 수 있는 재료를 찾고자 하였고, 기성관으로 사용되었던 polycarbonate (PC)를 본 실험에 사용하게 되었다. Polycarbonate crown은 미세유리 섬유에 polycarbonate 열가소성 수지가 합쳐져 제작된다.
데이터처리
- 실험결과는 IBM SPSS 25v (SPSS Inc, Chicago, USA) 프로그램을 사용하여 통계 분석하였다. 각 군 간의 비커스 경도, 3축 굽힘 강도, 저작시험 전, 후 무게를 kruskal-Wallis test로 유의성을 검정하고, man whitney u test로 사후 검정하였다. 모든 결과는 P < 0.
- 실험결과는 IBM SPSS 25v (SPSS Inc, Chicago, USA) 프로그램을 사용하여 통계 분석하였다. 각 군 간의 비커스 경도, 3축 굽힘 강도, 저작시험 전, 후 무게를 kruskal-Wallis test로 유의성을 검정하고, man whitney u test로 사후 검정하였다.
이론/모형
- 1. CAD-CAM Blocks used in this study. (A) PMMA-T , (B) PMMA-H, (C) PEEK, (D) PC.
- 굽힘 강도는 압력이 가해졌을 때 시편이 버틸 수 있는 강도로 각각의 시편의 굽힘 강도를 평가하기 위하여 국제규격 ISO-4049:2019에 따라 길이 25 mm, 폭 2 mm인 높이 2 mm 사이즈로 시편을 제작하여 측정하였다. 각 군마다 10개의 시편을 만능시험기(Quasar 10, GALDABINI, Cardano Al Campo, Italy)에서 하중을 가하여 측정하였다(Fig.
성능/효과
- 17,18 본 실험에서도 PEEK 보다는 낮지만 현재 임상적으로 가장 많이 사용되는 PMMA 보다는 유의한 차이를 보일 정도로 기계적 물성이 좋았다. 향후 고분자화합물에 강화물질을 첨가하거나 공정 방법을 개선함으로써 필요한 기계적 성질을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구는 임시 수복물로 사용 가능한 고분자 재료들의 기계적 특성을 평가하여 다음과 같은 결과를 얻었다. PEEK, PC, PMMA-H, PMMA-T 순으로 경도와 강도가 높은 것으로 나타났다. 그리고, 100,000회 저작시험에서 PEEK, PC, PMMA-H, PMMA-T 순으로 저작 표면에 많은 균열과 결함이 증가하여 경도와 강도에 밀접한 관계가 있는 것으로 나타났다.
- 또한, PMMA와 PEEK의 결과값이 이전 논문들의 실험값과 비교하였을 때 크게 벗어나지 않는 것으로 보인다. Polycarbonate를 이용한 임시 치아에 대한 기계적 강도 실험에 대해서는 아직까지 실험 데이터가 많지 않지만 다른 고분자 시편의 결과값이 이전 실험값들과 크게 다르지 않은 것으로 보아 본 실험에서 Polycarbonate의 결과값들도 어느 정도 신뢰성을 가지는 것으로 사료된다.
- 각 시편의 경도 측정 결과 Group I의 평균값이 30.73 ± 0.61 HV로 나타났으며, Group II, Group III, Group IV의 각각 평균 경도 값은 27.26 ± 0.45 HV, 25.20 ± 0.32 HV, 24.40 ± 0.31 HV로 약 1 HV씩 경도가 감소하였다(Table 2).
- 각 시편의 굽힘 강도 측정 결과 Group I의 평균값이 186.78 ± 3.34 MPa로 나타났으며, Group II, Group III, Group IV의 각각 평균 굽힘 강도 값은 145 ± 2.34 MPa, 120 ± 1.57 MPa, 101.95 ± 2.2 MPa로 측정되었다(Table 3).
- PEEK, PC, PMMA-H, PMMA-T 순으로 경도와 강도가 높은 것으로 나타났다. 그리고, 100,000회 저작시험에서 PEEK, PC, PMMA-H, PMMA-T 순으로 저작 표면에 많은 균열과 결함이 증가하여 경도와 강도에 밀접한 관계가 있는 것으로 나타났다.
- 본 실험에서 100,000회의 저작 시험 후 마모 양은 PEEK, PC, PMMA-H, PMMA-T 순으로 적게 나타났고, 각 군 간에 통계학적으로 유의한 차이를 보였다. 또한 높은 경도와 강도를 보인 PEEK의 저작 시험 이후 표면 SEM image에서는 저작시험에 사용된 안타고니스트의 이동 경로만 관찰되었지만, PC와 PMMA-H, PMMAT는 100,000회의 저작시험을 통해 표면에서 공극과 균열이 보이는 것을 확인하였다. 실험의 변수들에 대해 생각해보면 표면경도와 굽힘 강도는 시편의 규격, 고분자 화합물의 성분과 비율, 블록의 제작 공정 방법, 하중의 크기와 시간 등에 의해 달리질 것으로 사료된다.
- 7 mm씩 움직였고, 600,000회의 저작시험을 하였다. 많은 변수들의 차이가 있어서 수치의 차이는 있지만 Wimmer의 실험과 본 실험에서 모두 PMMA로 제작한 시편에서 PEEK로 제작한 시편보다 4~5배 정도의 마모양을 보였고, 더 많은 공극과 균열을 보였다.
- 본 실험에서 100,000회의 저작 시험 후 마모 양은 PEEK, PC, PMMA-H, PMMA-T 순으로 적게 나타났고, 각 군 간에 통계학적으로 유의한 차이를 보였다. 또한 높은 경도와 강도를 보인 PEEK의 저작 시험 이후 표면 SEM image에서는 저작시험에 사용된 안타고니스트의 이동 경로만 관찰되었지만, PC와 PMMA-H, PMMAT는 100,000회의 저작시험을 통해 표면에서 공극과 균열이 보이는 것을 확인하였다.
- 본 실험에서 PEEK 군인 Group IV의 평균 경도는 30.73 ± 0.61 HV, 굽힘 강도는 186.78 ± 3.34 MPa의 값을 보였다.
- 본 연구 결과에 따르면 PC는 임시치아 제작에 적용할 수 있는 충분한 기계적 성질을 가진 것으로 사료된다. 그러나, 실제 임상 적용을 위해서는 생체 친화성과 같은 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 비커스 경도와 3축 굽힘 강도 실험 결과 PEEK, PC, PMMA-H, PMMA-T 순으로 경도와 강도가 높았고, 각 군 간에 통계학적으로 유의한 차이를 보였다.
- ISO 10477:2018에 따르면 고분자 재료로 제작된 임시 치아의 최소 굽힘 강도는 65 MPa 이상이어야 한다고 하였다. 실험에서 사용된 모든 고분자 재료의 굽힘 강도는 65 MPa보다 높게 측정되었다. 하지만 영구 보철물의 굽힘 강도와 비교하면 아직까진 많이 부족하다.
- 알려진 바와 같이 본 논문의 실험에서도 PEEK의 기계적 물성이 전체적으로 PMMA나 PC보다 높았으며. 통계적으로도 유의한 차이를 보였다.
후속연구
- 본 연구 결과에 따르면 PC는 임시치아 제작에 적용할 수 있는 충분한 기계적 성질을 가진 것으로 사료된다. 그러나, 실제 임상 적용을 위해서는 생체 친화성과 같은 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 17,18 본 실험에서도 PEEK 보다는 낮지만 현재 임상적으로 가장 많이 사용되는 PMMA 보다는 유의한 차이를 보일 정도로 기계적 물성이 좋았다. 향후 고분자화합물에 강화물질을 첨가하거나 공정 방법을 개선함으로써 필요한 기계적 성질을 더욱 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
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