Current Issue

최근 구강내의 치아 및 결손조직을 회복시키기 위해 다양한 재료와 방법으로 치과수복물이 제작되고 있으며, 치과수복물에 대한 환자들의 심미성의 요구는 높아지고 있다. 금속도재관은 환자들의 심미성에 대한 요구를 충족시키기 위하여 지속적으로 발전되어 왔으며, 현재 대표적인 치과수복물이다. 그러나 금속도재관은 금속코어의 사용으로 빛이 투과되지 못하여 자연치아의 색상을 재현하기 힘들며, 교합압에 의한 포세린 파절현상과 변연부에서 파절이 발생하는 문제점을 가지고 있다(1, 2). 이러한 문제점을 해결하기 위하여 지르코니아가 치과수복재료로 각광을 받고 있다.

지르코니아는 금속 치과재료에 비해 고강도이며 심미적이고 생체적합성이 우수하다(3, 4). 지르코니아는 단사정(monoclinic), 정방정(tetragonal) 및 입방정(cubic)의 세 가지 결정구조를 가지며 실온에서 단사정이며, 1,170℃의 온도에서 단사정에서 정방정으로 상변이되고, 2,370℃에서 정방정에서 입방정으로 상변이된다(5).

지르코니아는 반투명도와 고강도를 가지기 위해 1,400℃이상의 온도에서 소결이 필요하다(6). 지르코니아는 소결 후 냉각 시 정방정에서 단사정으로 상변이가 일어나고 3~5% 정도의 부피 팽창이 일어나며 이로 인해 지르코니아의 내부에는 마이크로 크랙이 발생한다(7). 소결된 지르코니아가 실온에서 정방정상을 유지하기 위하여 안정제로 이트리아(yttria)를 첨가하게 되는데, 치과용 지르코니아는 3 mol%의 이트리아를 첨가된 3Y-TZP (3 mol% Yttria-Tetragonal Zirconia Polycrystal)가 주로 사용된다(8).

소결된 지르코니아는 저온열화(Low Temperature Degradation, LTD)현상이 발생될 수 있다. 저온열화 현상은 저온 다습한 환경에서 Y-TZP가 서서히 정방정상에서 단사정상으로 상변이되며 미세균열이 진행되어 강도가 낮아지는 현상이다(9). 저온열화현상은 63~400℃에서 일어나고 250℃에서 가장 잘 일어나며 200~300℃에서 상변이가 급속히 발생하게 되는데 이는 시간에 의해 좌우된다(10, 11).

치과용 지르코니아의 소결 방식에는 칸탈열선(Super Khantal Heater)을 이용하여 가열하는 방식과 마이크로파(microwave)를 이용하여 가열하는 방식등이 있다(12). 칸탈열선을 이용한 소결방식은 지르코니아의 표면부터 가열되어 내측으로 열이 전달되는 방식이며, 마이크로파 소결방식은 체적가열로 지르코니아의 표면과 내부가 함께 가열되는 방식으로 소결의 시작부터 종료까지 전체적으로 가열되는 방식이다. 기존에 주로 사용되고 있는 칸탈열선소결 방식은 7~12시간 정도의 긴 소결시간으로 인해 환자 치료시간의 증가, 제작비용의 증가 및 작업시간을 증가시키는 요인이 되고 있다.

지르코니아 보철물의 제작과정 중 소결과정은 조건에 따라 수복물의 기계적 성질과 광학적 특성이 영향을 받을 수 있으므로 소결시간과 소결온도에 따른 입자크기, 밀도, 및 반투명도 등에 관한 연구가 진행되고 있다. 소결과정은 지르코니아의 치밀화와 입자성장에 영향을 미치는 중요한 과정이다(13). Stawarczyk 등(2013)은 소결온도가 증가함에 따라 지르코니아의 입자크기와 반투명도가 증가한다고 보고하였다(14). Kim 등(2013)은 소결시간이 증가할수록 입자크기는 증가하고 반투명도는 입자의 크기에 따라 다른 결과를 보인다고 보고하였다(12). 빛의 산란은 입자크기와 입사광의 파장에 영향을 받는다. 입자의 크기와 입사광의 범위가 유사하면, 입자크기가 증가시 빛 산란은 증가하고 빛 투과는 감소한다. 입자의 크기가 입사광의 크기보다 크다면 빛의 산란은 입자의 크기에 반비례한다. Jiang 등(2011)은 소결온도가 높아지면 밀도가 증가한다고 하였다(15).

지르코니아 소결시간의 단축이 경비 절감, 작업흐름 및 작업 환경개선에 영향을 미치나 이에 대한 연구는 부족하다. 따라서 본 연구에서는 치과용 지르코니아의 소결조건과 저온열화가 경도와 광학적 특징에 미치는 영향에 대해 평가하고자 한다.

고정성 심미보철에서 금속도재관은 대표적인 치과수복물이었으나 금속코어의 사용으로 인한 자연치아의 색상 재현이 힘들고 교합압에 의한 포세린 파절현상의 문제점으로 인해 치과수복재료로 지르코니아가 각광을 받고 있다. 일반적으로 지르코니아 치과보철물의 소결시간은 7~12시간 정도의 소결스케줄이 사용되고 있지만 최근 소결시간을 줄여 사용하는 스케줄이 소개되어 임상에서도 사용 중이다. 이에 본 연구에서는 지르코니아 치과보철물 제작 시 임상에서 사용되고 있는 환경과 같은 조건으로 칸탈열선로를 사용하여 소결할 때, 소결조건과 저온열화처리가 지르코니아의 기계적 특성 및 광학적 특성에 미치는 영향을 평가하고자 하였다.

본 연구의 경도실험 결과에서, 저온열화처리를 하지 않은 시편에서 소결온도와 소결시간의 변화에 따라 경도 값은 유의한 차이를 보이지 않았다. 저온열화처리 한 시편에서는 소결시간의 변화에 따른 경도의 유의한 차이는 나타나지 않았으나, 소결온도에서는 차이가 발생하였다. 저온열화 시 1,500℃에서 소결한 시편군이 1,530℃와 1,560℃에서 소결한 시편군보다 경도가 낮았다. 지르코니아 시편군의 경도변화는 저온열화처리 시, 정방정상에서 단사정으로 상변이로 기인한 것으로 보여진다. 이러한 결과로 소결시간은 지르코니아의 경도에 영향을 미치지 않는다고 판단된다.

이는 Hjerppe 등 (2009)의 연구에서 소결시간의 변화가 Y-TZP 지르코니아의 기계적 성질에 영향을 미치지 않는다고 한 결과와 일치한다(19). Lee 등(1996)의 연구에서 Y-TZP 지르코니아의 경도는 입자크기, 상의 조성 및 밀도와 관계있다고 하였으며(20), Jiang 등(2011)은 소결온도가 높아질수록 밀도가 증가한다고 하였다(15).

분광색측계는 L^*, a^*, b^*로 측정결과를 나타내며 L^*은 명도로 0-100으로 나타내는데, 0은 검정, 100은 흰색을 의미한다. a^*는 –60-80까지이며 (-)는 녹색, (+)는 적색을 나타내고 b^*는 –80-60까지이며 (-)는 청색, (+)는 황색으로 나타낸다.

색상변화에 대한 본 실험한 결과에서, 저온열화처리를 하지 않은 그룹에서 L^* 값은 1,530℃에서 가장 높았다. 소결시간이 최대 12시간에서 5시간까지 감소하여도 L^* 값 감소는 나타나지 않았다. 즉 12시간과 5시간의 소결간에 밝기의 차이는 나타나지 않았다. 저온열화처리를 하지 않은 그룹에서 소결온도가 증가할 시, a^*, b^* 값이 감소하여 녹색과 파란색 경향을 띄었다. 소결시간이 감소할시 a^* 값은 감소하여 녹색경향을 띄었고 b^* 값은 변화가 없었다. 저온열화처리를 한 그룹에서 소결온도가 증가할 시, L^*, a^*, b^* 값이 감소하여 밝기가 감소하고 녹색과 파란색 경향을 띄었다. 소결시간의 감소에 따른 L^* 값의 변화는 나타나지 않았다. 즉 모든 소결시간에서 밝기의 차이는 나타나지 않았다. 소결시간이 감소할 시 a^*, b^* 값은 감소하여 녹색과 파란색경향을 띄었다.

저온열화처리에 따라 1,500℃에서는 L^*, a^*, b^* 값의 차이가 나타나지 않았고, 1,530℃에서 L^* 값은 감소하였고, b^* 값은 증가하였으며, 1,560℃에서는 L^*, a^* 값은 감소하였고, b^* 값은 증가하였다. 이러한 결과는 Alghazzawi (2016)의 연구에서 20시간에서 100시간의 저온열화처리 시 L^* 값은 감소, a^*, b^* 값은 증가한다는 결과와 대비된다(21). 저온열화처리에 의해 L^*, a^*, b^* 값의 변화는 나타났지만, 저온열화를 하지 않은 시편과 저온열화처리를 한 시편그룹의 색차(ΔE^*)는 모든 그룹에서(ΔE^*: 0.14-1.98) 임상적으로 유의한 색차인 3.7보다 작았다(18). 이는 Nakamura 등(2016)은 3Y-TZP의 L^*, a^*, b^* 값이 저온열화의 영향을 받았음에도 불구하고 100시간 오토 클레이브 후 ΔE^*ab 값이 지각 임계값 내에 있다는 결과와 일치한다(22). 1,500℃에서 6시간 소결 시 저온열화에 의한 색차(ΔE^*: 0.14)가 가장 작아서, 색상 안정성이 가장 높은 것으로 보인다.

Dikicier 등(2014)은 착색제가 자외선에 노출되면 쉽게 분해될 수 있으며, 그 결과 과산화물이 형성되어 색상 매개 변수가 변경될 수 있다고 하였다(23). Abdelbary (2016)의 연구에서 지르코니아 보철물의 저온열화는 반투명도에 영향을 미친다고 보고하였다(24). 반투명도를 실험한 결과에서 저온열화처리를 하지 않은 시편은 소결온도가 높을수록 TP값이 높았고, 소결시간에 따라서는 차이가 나타나지 않았다. 저온열화처리를 한 시편에서는 소결시간이 최대 12시간에서 5시간까지 감소하여도 TP값의 감소는 나타나지 않았다. 이는 본 실험결과에서 저온열화처리 시 12시간과 5시간의 소결간에 밝기의 차이는 나타나지 않았다는 결과와 일치한다. 저온열화처리 시 1,500℃에서는 TP값이 증가하였으나 1530℃와 1,560℃에서는 감소하였다. 이 결과는 저온열화처리 시 1500℃에서는 경도값은 감소하였으나 1,530℃와 1,560℃에서는 증가한 결과와 일치한다. Alghazzawi (2016)은 저온열화처리 시 TP값이 감소한다고 보고하였는데(21), 본 실험결과에서는 소결시간과 소결온도에 따라 TP값의 변화는 달랐다.

Weertman 등(1996)은 소결이 빠르게 일어나면 입자성장 시간이 감소됨으로 작은 입자가 생성되어 미세 구조는 더 균일하고 강도는 증가된다고 보고하였다(25). 또한 여러 연구에서 평균적으로 작은 입자 크기는 반투명도와 기계적 특성을 향상시키고 정방정상에서 단사정상으로의 상변이를 억제시켜 저온열화지연과 관련이 있다고 보고하였다(26-28).

본 연구 결과를 토대로 지르코니아보철물 소결조건은 경도와 광학적 특성에 영향을 미치는 요인이라 가늠해 볼 수 있다. 하지만 실험에 사용된 지르코니아블록이 한 회사의 제품만 사용되었으며, 저온열화처리 시간도 5시간으로 제한적이었다. 또한 저온열화처리에 따른 지르코니아의 상변이와 미세입자구조에 대한 연구가 이루어지지 않았다. 따라서 이후의 연구에서 다양한 지르코니아블록과 저온열화처리 시간으로 실험하여 임상에서 단일구조 지르코니아 보철물을 재작 시 적용할 수 있는 소결시간과 소결온도를 제시할 수 있는 연구가 필요하다고 사료된다.

본 연구에서는 소결방법과 저온열화가 지르코니아의 경도와 광학적 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 마이크로 비커스 경도기와 분광색측장치를 이용하여 경도를 측정하고 색상변화와 반투명도를 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

• 1. 저온열화처리 시, 소결온도에 따른 경도의 차이는 나타났으나, 소결시간에 따른 경도 차이는 나타나지 않았다.
• 2. 저온열화처리 시, 소결온도가 증가할 시, L^*, a^*, b^* 값이 감소하여 밝기가 감소하였고 녹색과 파란색 경향을 띄었으며, 소결시간의 감소에 따른 L^* 값의 변화는 나타나지 않았고, 소결 시간이 감소할 시 a^*, b^* 값은 감소하여 녹색과 파란색경향을 띄었다.
• 3. 저온열화처리 시, 소결시간이 최대 12시간에서 5시간까지 감소하여도 TP값의 감소는 나타나지 않았다.