
3D 프린팅으로 출력한 의치상과 인공 레진치의 결합력에 상용 접착 프라이머가 주는 영향
초록
본 연구에서는 의치 제작용 3D 프린팅 레진으로 의치상(denture base)과 레진치(resin tooth)를 출력한 다음, 임상에서 사용되는 상용 접착 프라이머로 접착시킨 후 결합력을 비교 평가하였다. 의치상과 레진치 출력에 사용한 3D 프린팅 레진은 국내 제품 2종(Graphy, ODS)과 국외 수입품 3종(Nextdent, Denca, Envision Tec)을 선택하였고, 이들의 접착에 사용한 접착 프라이머는 국외 수입품 3종(Castdon Bonding, Visio.link, Palabond)를 선택하였다. 21번 치아와 여기에 맞는 의치상의 stl 파일을 생성하여 DLP형 3D 프린터로 각 실험군당 10개씩 레진치와 의치상을 각각 출력하였다. 3D 프린팅한 의치상과 레진치는 상용 접착 프리이머로 접착시킨 다음 37℃ 수조에서 24시간 보관한 후 만능시험기를 이용하여 인장결합력을 측정하였고, 접착부위에서 분리된 패턴(응집 실패, 혼합 실패 및 접착 실패)을 육안으로 관찰하여 기록하였다. 측정값들은 ANOVA와 Tukey-multiple comparison test(α=0.05)로 통계 분석하여 다음의 결과를 얻었다. Visio.link 프라이머로 접착시킨 모든 실험군의 인장결합력은 유의하게 높은(171.86-264.63 N) 값을 보였고, 거의 대부분 응집 실패로 분리된 것으로 관찰되어 임상적용이 가능할 것으로 보였다. Castdon Bonding 프라이머로 접착시킨 경우는 대체적으로 낮은 결합력을 보였으나(79.26-99.93 N), 실험군에 따른 큰 차이는 보이지 않았고, 모든 실험군에서 3가지 실패 패턴을 모두 보였다. ODS 실험군(55.09 N)을 제외하면 임상 적용이 가능할 것으로 보였다. Palabond 프라이머로 접착시킨 경우는 3D 프린팅에 사용한 레진에 따라 결합력은 큰 차이를 보였는데(49.12-137.12 N), Nextdent(137.12 N)와 Splastic(105.24 N) 실험군에서만 임상 적용이 가능할 정도의 결합력을 보였고, 결합 실패 패턴은 접착 실패가 증가한 양상을 보였다.
Abstract
In this study, denture bases and resin teeth were printed using 3D printing resin for denture fabrication, then bonded using commercially available adhesive primers used in clinical practice, and their bond strength was compared and evaluated. The 3D printing resins used for printing the denture bases and resin teeth were selected from two domestic products(Graphy, ODS) and three imported products(Nextdent, Denca, Envision Tec), and the adhesive primers used for bonding were selected from three imported products(Castdon Bonding, Visio.link, Palabond). STL files for tooth 21 and the corresponding denture were created, and 10 resin teeth and dentures were printed for each experimental group using a DLP-type 3D printer. The 3D-printed dentures and resin teeth were bonded using a commercial adhesive primer, stored in a 37℃ water bath for 24 hours, and then tested for tensile bond strength using a universal testing machine. The patterns separated at the bonding site were visually observed and recorded. The measured values were statistically analyzed using ANOVA and Tukey's multiple comparison test(α=0.05), yielding the following results. All experimental groups bonded with Visio.link primer showed significantly higher tensile bonding forces (171.86-264.63 N), and most of the separations were observed to be due to cohesive failure. The groups bonded with Castdon Bonding primer generally showed lower bonding forces (79.26-99.93 N), but there were no significant differences between the 4 experimental groups (Nextdent, Denca, Edenture, Splastic), and all experimental groups exhibited three-typed (cohesive, mixed, adhesive) failure patterns. Except for the ODS group (55.09 N), clinical application seemed feasible. In cases bonded with Palabond primer, the bond strength varied significantly depending on the resin used in 3D printing (49.12-137.12 N). Only the Nextdent (137.12 N) and Splastic (105.24 N) groups showed bond strength sufficient for clinical application, and the bond failure patterns exhibited an increased tendency toward adhesive failure.
Keywords:
Dental 3D printing resin, denture base, resin tooth, bonding primer, tensile bonding force키워드:
치과용 3D 프린팅 레진, 의치상, 레진치, 접착 프라이머, 인장결합력서 론
인간 수명의 연장과 의술의 발달로 노인 인구는 계속 증가하는 추세에 있다. 더불어 부분 또는 완전 무치악 환자의 수도 증가하고 있어, 의치의 필요성이 점차 증가되고 있다. 최근 의료보험공단의 총의치, 부분의치의 보험급여화가 시행됨에 따라 의치에 대한 치과계와 국민들의 관심이 커지고 있다.
레진치와 의치상으로 구성되는 총의치는 통상적으로 열-중합형 polymethyl methacrylate (PMMA)를 이용하여 제작하는 것이 일반적이었지만, 중합과정 중 수축하여 체적이 변형되어 의치의 유지력 감소뿐 아니라 레진치의 변위를 야기할 수 있다 (1). 최근에는 디지털 기술과 CAD/CAM 술식을 적용한 새로운 총의치 제작법이 소개되었다. 1980년대부터 치과 영역에 소개되어 주로 고정성 보철에 국한되었던 CAD/CAM 술식은 1990년대 가철성 보철에도 적용되기 시작한 후 활발한 연구들이 진행되고 있다 (2, 3). 치과용 CAD/CAM 시스템은 인레이, 크라운, 총의치 및 임플란트 상부 구조물 등 다양한 치과용 보철물 제작에 이용되고 있다.
치과용 CAD/CAM 시스템을 활용한 의치상용 레진치 제작은 기존의 기성품을 대처할 수 있을 뿐만 아니라 환자 구강 내 최적의 조건에 맞게 맞춤형 제작이 가능하다. 총의치 제작 과정에서 디지털 기술의 적용은 직접 스캔하거나, 인상재로 채득한 인상체 및 모델 등을 스캔하여 3차원 데이터를 얻는 것에서 시작한다. 이 데이터를 이용하여 디지털 모형 상에서 교합면을 결정하고 인공치아를 적절하게 배열한 후 의치상의 외형을 디자인한 다음 절삭가공(milling) 또는 적층가공(3D printing) 방식으로 총의치를 제작한다 (4, 5). 이러한 CAD/CAM 술식을 이용한 총의치 제작 방식은 기존 재래식 방식에서 요구되었던 모형 제작, 교합기 부착, 인공치 배열과 납형 형성 등과 같은 기공 작업이 필요하지 않으며, 이러한 수작업 과정에서 발생할 수 있는 오차를 제거하여 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한 단축된 내원 일수와 짧은 진료시간으로도 제작이 가능하며, 파손 또는 분실 등에 의해 다시 제작이 필요한 경우 저장된 데이터를 사용할 수 있으므로 진료실 내원이 어려운 환자들의 치료에도 적용될 수 있다 (6, 7). 절삭가공 방식은 제조사에서 고온/고압으로 중합한 PMMA 블록을 기계적으로 가공하여 제작하므로 의치상의 강도가 우수하고, 중합과정으로 발생하는 중합수축이 없기 때문에 우수한 초기적합도와 유지력을 얻을 수 있다고 한다 (8-10).
현재 CAD/CAM 기술의 발전과 의치상의 수요에 따라 3D 프린팅을 이용한 의치상과 의치상용 인공치 제작이 활발하게 이용되고 있다 (11-13). 3D 프린터를 활용한 총의치 제작은 주로 광중합형 레진을 활용한 SLA(stereolithography) 방식과 DLP(digital light processing) 방식을 적용하고 있는데, SLA 방식보다 빠른 출력 속도를 보이는 DLP 방식이 선호되고 있다 (14-16). DLP 방식의 의치상 제작은 통상적으로 2가지 방식으로 분류할 수 있다 (15). 첫 번째 방식은 치과용 CAM으로 디자인된 레진치와 의치상을 3D 프린터로 각각 나누어 출력하는데, 출력 시 레진치와 의치상 색조에 적합한 광-중합형 레진을 사용한다. 각각 출력한 레진치와 의치상을 접착 프라이머로 결합시켜 총의치를 제작하는 방식이다. 두 번째 방식은 인공치와 의치상이 결합된 모노블록 상태로 한꺼번에 출력한 다음 의치상 또는 레진치에 맞는 색조를 도포하여 총의치를 완성하는 방식이다.
3D 프린팅한 의치상과 레진치는 후가공(post-curing)처리 과정을 거친 후 UV-경화 접착제 등으로 의치상에 레진치를 결합하여 완성한다. 의치상과 레진치의 결합은 크게 화학적 결합과 기계적 결합으로 구분할 수 있다. 화학적 결합은 의치상 레진과 레진치의 화학적 기전에 의한 결합이고, 기계적 결합은 의치상 레진과 레진치 사이에 기계적 유지력에 의한 물리적 결합을 의미한다. 이러한 두 가지 기전에 의해 레진치와 의치상이 결합되어야 그 기능을 발휘할 수 있게 되므로, 의치상과 레진치의 적절한 결합력이 필수적이다. 의치상과 레진치의 결합력은 의치의 내구성을 증진시켜, 장기적인 의치의 기능적 및 심미적 예후를 결정하는 중요한 요소 중 하나이다. 아크릴릭 레진을 이용한 의치에서 의치상의 파절이나 의치상 레진과 레진치의 접착 실패로 인해 수리가 필요한 경우가 다수 발생하며 (17), 이중에서 접착 실패에 의한 의치 수리는 전체 수리를 필요로 하는 의치 실패의 약 30%에 달한다는 연구 결과가 보고된 바 있다 (18). 미국치과의사협회 규격 15번 (19)에 따르면 열-중합형의 경우 레진치는 의치상과 화학적 결합을 형성하여야 하며, 그 결합강도는 31.0 MPa 이상이어야 한다고 하였고, 현재는 ISO 22112로 대체된 Austrailian Standard 1626-1974(Acrylic teeth)에서는 인장 결합강도가 32.0 MPa 이상이어야 한다고 규정한바 있다. ISO 22112:2017에서는 전단-인장강도를 규정하고 있으며 (20), 일본의 JIS T6506(Synthetic polymer teeth)에서는 레진치-의치상 결합에 대해 규정하고 있다 (21). 대한치과의사협회(KDA) 규격 제9호(Acrylic resin teeth) (22)에서는 레진치와 의치상 결합은 레진치가 의치상용 레진과 화학적 결합을 형성하여야 한다고 규정하였으나, 결합강도에 대한 구체적 언급은 하고 있지 않고 있다.
의치상과 레진치의 결합력을 개선하려는 많은 연구들이 진행되었고, 그 결과 레진치에 기계적 유지구, 거친 표면 또는 접착 단량체를 적용시킬 경우 결합력을 높일 수 있다는 연구결과가 보고되었고 (23), Di-methacrylate를 주성분으로 하는 광-중합형 의치상의 경우 레진치와 의치상과의 적절한 결합력을 위하여 레진치의 기계적 및 화학적 표면처리가 필요하다는 보고도 있다 (24). Fletcher-Stark 등은 urethane di-methacrylate(UDMA)가 주성분인 광-중합형 의치상에 레진치 표면을 샌드블라스팅 처리한 후 접착제(bonding agent)를 적용하여 접착시킨 실험군에서 기존의 열-중합 의치상의 경우보다 높은 전단결합력을 보였다고 하였다 (25).
의치상과 레진치의 화학적 결합은 미중합된 의치상의 단량체가 레진치의 폴리머 네트워크 사이에 침투해서 형성되며, 이를 swelling phenomenon이라고 한다 (23). 이렇게 침투되어 형성된 층을 interpenetrating polymer network layer(IPN layer)라고도 하며, 형성된 층이 두꺼울수록 의치상과 레진치는 높은 결합력을 보인다고 하였다 (26). 레진치에 기계적인 유지구를 부여하거나, 거칠게 처리한 경우, 또는 레진치에 단량체를 적용한 경우 의치상과 레진치의 결합력을 증가시킬 수 있지만 di-methacrylate를 주성분으로 하는 광-중합형 의치상의 경우 레진치와는 화학적 결합이 진행되기 어려우며, 따라서 결합력을 증가시키기 위한 레진치의 다양한 표면처리법이 연구되었다 (27). 최근에는 의치상과 레진치의 결합력을 증진시키기 위한 접착 프라이머가 개발되어 사용되고 있다. Choi 등은 열-중합, CAD/CAM 밀링 및 3D 프린팅 방식으로 제작한 의치상과 기성품으로 출시된 레진치의 파괴인성과 굴곡접착강도를 평가한 연구결과를 보고하였으나 (28), Bis-GMA, UDMA 및 PMMA 등을 주성분으로 하는 3D 프린팅 레진으로 제작된 의치상과 레진치의 접착력에 대한 연구는 거의 보고되지 않았으며, 이를 위한 명확한 접착 프로토콜도 찾기 어려운 실정이다. 따라서 본 연구에서는 다양한 상용 접착 프라이머 적용에 따른 레진치와 3D 프린팅 의치상의 인장결합력을 비교 평가하고자 하였다.
재료 및 방법
1. 재료
국내·외 5개 제조업체에서 개발한 3D 프린팅 C&B용 레진 5종과 denture용 레진 5종을 선택하여 실험하였다(Table 1). 의치 제작과정 중 국내에서 레진치의 접착에 많이 사용되는 접착 프라이머 3종을 의치상과 레진치 접착에 적용하였다(Table 2).
2. 방법
3Shape 프로그램(3shape, Denmark) 프로그램으로 임의로 무치악 환자의 치아(resin teeth)와 의치상(denture base) STL 파일을 만들고, Autodesk Fusion 360 프로그램(AutodeskFusion 360, Autodesk, America)을 이용하여 21번 치아와 의치상 부분만 남기고 제거한 다음, 지그에 잘 잡히도록 금속지그와 같은 모양으로 지그재그형태로 맞물리게 디자인하여 접착실험에 적합하게 레진치-의치상 조합을 생성하였다(Figure 1).
치아 STL 파일과 덴쳐 STL 파일로 Carima 3D 프린터(IMD, Carima, KOREA)를 이용하여, 광조사 시간(기본 노광시간 5초, 유막 대기시간 3초, 초기 노광시간 12초, 초기 유막대기시간 5초, 및 초기 노광층 5초)을 조절하여 레진치와 의치상을 3D 프린팅하였다.
3D 프린팅한 시편을 이소프로필알코올(98%)로 1차 세척한 후, 시편을 이소프로필알코올에 넣고 초음파세척기에서 10분간 2차로 세척하였다. 세척을 완료한 3D 프린팅한 시편은 건조시키고, 후경화 장치[Velts (MP100, Veltz3D, KOREA)]에서 20분간 후 경화처리 하였다.
후 경화처리까지 완료한 시편은 3종의 접착 프라이머로 제조사의 설명서에 따라 레진치 접착부위에 접착 프라이머를 microbrush로 얇게 도포하고 약 5 N 정도의 힘으로 압착시켜 자가-중합형(Castdon Bonding, Palabond)인 경우는 3분간 실온에서 유지시켜 경화시켰고, 광-중합형(Visio.link)인 경우 광조사기((3M EAP Eelipar, 3M, USA)로 90초간 광-조사하여 경화시켰다. 접착이 완료된 시편은 후경화 장치에서 20분간 후경화처리 하였다.
3. 강도측정
치아부분을 아래 시험지그에 완전히 고정하고, 의치상 부분은 위쪽을 향하게 하여 접착후, 레진치와 의치상 사이에 스테인리스 강선(Sus 304 wire 0.8mm)을 넣고 팽팽하게 고정 후, 만능시험기 (TW-D102, Taewon-Tech Korea)를 이용하여 1 mm/min의 crosshead speed로 인장응력을 가하며 의치상-레진치 접착부위가 탈락될 때의 최대 하중(N)을 측정하여 결합력을 비교 평가하였다(Figure 2).
4. 의치상-레진치의 접착 분리 패턴 관찰
인장결합력 시험으로 분리된 의치상과 레진치의 접착부위를 3명의 관찰자가 육안으로 평가하여 분리된 패턴을 3가지 유형[접착 실패(adhesive failure), 혼합 실패(mixed failure) 및 응집 실패(cohesive failure)]으로 나누어 기록하였다.
5. 통계분석
인장결합력은 각 실험군 당 10회 측정하여 평균값과 표준편차를 구하였으며, ANOVA(SPSS Statistics 23, IBM, Armonk, NY, USA)와 Tukey-multiple comparison test(α=0.05)로 통계 분석하였다.
결 과
1. 결합력
3D 프린팅 레진 5종으로 출력한 의치상과 레진치를 3종의 접착 프라이머로 접착시켜 측정한 인장결합력은 Table 3에 정리하였다. Castdon Bonding으로 접착한 경우 Nextdent 실험군이 가장 높은 결합력(99.93 N)을 보였으나, 가장 낮은 결합력(55.09 N)을 보인 ODS 실험군을 제외한 4종의 3D 프린팅 레진간에는 유의한 차이는 보이지 않았다(p>0.05). Visio.link로 접착한 경우 모든 실험군에서 인장결합력은 유의하고 높은 값을 보였다(p<0.05). Edenture 실험군이 264.63 N으로 가장 높은 값을 보였고, 가장 낮은 결합력을 보인 Dentca 실험군도 171.86 N의 높은 결합력을 보였다. Palabond로 접착한 경우에는 3D 프린팅에 사용한 레진에 따라 결합력은 큰 차이를 보였다. Nextdent 실험군이 가장 높은 접착력(137.12 N)을 보였고, Dentca 실험군이 49.12 N으로 가장 낮은 접착력을 보였다(Table 3, Figure 3).
2. 접착실패유형
3D 프린팅 레진으로 출력한 의치상과 레진치의 인장결합력 측정을 완료한 다음 인장응력에 의해 분리된 접착부위를 관찰하여 분리된 패턴을 접착 실패와 응집 실패 및 혼합 실패로 각각 분류하여 Table 4에 정리하였다. 모든 실험군에서 인장접착력은 유의하고 높은 값을 보인 Visio.link로 접착한 경우는 모두 응집성 실패를 보였고, Castdon Bonding으로 접착한 경우는 20-40%의 응집성 실패를 보였다. 실험군간 인장접착력 차이가 크게 관찰된 Palabond로 접착한 경우는 응집성 실패율 차이도 다소 크게 (20-60%) 관찰되었다(Figure 4-6).

Debonding pattern(AF=adhesive failure, MF=mixed failure, CF=cohesive failure; %) with various bonding adhesives
Debonding patterns of the NextDent groups after tenslie bonding tests with three different bonding adhesives.
Debonding patterns of the Dentca groups after tenslie bonding tests with three different bonding adhesives.
고 찰
최근에는 총의치(complete dentures) 등과 같은 치과 보철물을 전통적인 가공 방법 외에도 디지털 기술을 활용한 두 가지 방식으로도 제작할 수 있게 되었다 (29). 하나는 아크릴 레진을 층(layer)으로 쌓아 치과 보철물을 제작하는 적층(additive) 공정(3D 프린팅)이며, 다른 하나는 감산(subtractive) 공정으로 재료를 절삭하여 제작하는 방식이다 (30). 3D 프린팅으로 의치를 제작하는 경우에는 stereolithography (SLA) 또는 digital light processing(DLP) 방식이 주로 적용되고 있는데, 두 가지 방식 모두 만족스러운 정밀도(20-150 µm)를 달성할 수 있다고 한다 (31). 디지털 제작 공정에서 대부분의 의치상과 레진치는 각각 제작되며, 따로 제작한 레진치와 의치상은 접착제를 사용하여 결합하게 된다(32).
최근까지 임상 사용 시 의치상에서 레진치가 분리되어 탈락되는 현상은 의치 내구성의 주요 문제로 제기되고 있다. 이들의 결합력이 부실한 원인으로는 의치상과 레진치가 서로 다른 구조를 가지며, 다른 가공 경로로 제작되기 때문이라고 추정하고 있다 (33, 34). 레진치를 의치상에 부착하는 방법은 다양하다. 전통적인 방식으로 열-중합, 자가-중합 및 마이크로웨이브-중합 방법들이 제안되었으며, 열-중합으로 가장 강한 결합력을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다. 디지털 술식의 공정에서는 3D 프린팅하거나 밀링으로 제작한 레진치를 접착제를 사용하여 따로 제작한 의치상에 결합시키고 있다. 레진치를 제작하는 공정은 레진치가 의치상과의 결합력에 중요한 영향을 줄 수 있다. 기존의 열중합형 아크릴 레진치와 의치상간의 결합강도나 호환성 등은 국제 표준인 ISO 20795-1:2013 Dentistry Base polymers-Part 1: Denture base polymers, ISO 22112:2017 Dentistry Artificial teeth for dental prostheses 및 ISO/TS 19736:2017 Dentistry Bonding test between polymer teeth and denture base materials 등으로 평가할 수 있다. 그러나 새로운 기술인 CAD/CAM 또는 3D 프린팅 등의 디지털 술식으로 제작한 레진치와 의치상의 결합 특성을 평가하기 위한 규격은 아직 개발 진행 중에 있다고 한다 (29). 의치를 어떤 방식으로 제작하더라도 레진치와 의치상의 결합력은 필수적인 특성이다.
많은 연구자들이 의치상과 레진치의 접착력을 향상시키기 위해 다양한 방법을 시도하고 있다. 대부분은 레진치의 접착 부위 표면을 전처리하는 방법을 실시한다. 특히, 레진치의 유형과 의치상 재료는 결합력에 큰 영향을 줄 수 있다 (35-37). Schneider 등에 따르면, 아크릴 레진치와 의치상의 적합한 성분을 선택하여 조합할 수 있다면 의치 실패 발생률을 크게 감소시킬 수 있다고 하였다 (38). 기-중합(prepolymerized)된 레진치의 화학 성분이 표면처리 프로토콜에 영향을 줄 수 있고, 의치상 재료의 성분과 중합 방법 등도 기-중합된 레진치와의 접착력에 영향을 줄 수 있다. 일반적으로 기-중합된 레진치의 표면처리 전략은 미세기계적 유지, 화학 공중합 및 폴리머의 중합 수축 등에 기반을 두고 있다 (39, 40).
화학 처리는 중합 가능한 단량체가 레진치의 표면을 가소화하고 레진치로 확산 침투된다는 이론에 기반하는데, 기-중합된 레진치에서 유래한 단량체는 레진치 내부로 침투하여 그 표면을 팽창시킨다. 이 층의 두께는 단량체와 폴리머 입자, PMMA 기질(matrix)간의 반응에서 비롯되며, 단량체의 중합 과정에서 레진치와 의치상을 연결하는 폴리머 사슬 네트워크가 형성되어 결합력과 밀접한 관련이 있는 것으로 보인다고 하였다 (26). 많은 연구자들이 결합력 향상을 위해 레진치에 액상인 MMA (41-44) 또는 MMA와 methylene chloride(CH2Cl2)의 조합 (44, 45) 적용을 시도하였다. 그러나, Spratley 등은 레진치의 치경부에 적용한 단량체가 결합력을 향상시키지 못하였다고 하였고 (46), Barpal 등의 연구에서도 MMA 단량체로 레진치 표면을 처리하는 것이 열-중합형 의치상과의 결합력에 영향을 주지 못하였거나 오히려 감소시켰다고 하였다 (47). Morrow 등은 표면처리하지 않은 레진치에 단량체 용액을 적용하면 결합력이 감소한다고 하였는데 (41), 레진치 표면에 단량체를 적용하면 자가-중합형 의치상과의 결합력이 감소하였다는 Rupp 등의 연구 결과와 유사하였다 (44). Palitsch 등의 연구에서는 MMA를 광-중합형 의치상과의 결합에 적용했을 때 결합력이 불충분하였으며 (24), 발표된 문헌들과 유사한 결과라고 하였다 (36, 48, 49). 그들은 MMA로 용해된 레진치 표면에서 의치상으로의 침투 제한, 의치상의 높은 점도, 미세기계적 유지력을 방해하는 습윤 문제, 또는 MMA와 광-중합형 의치상 재료의 기능성 단량체 간의 불충분한 공중합에 기인한다고 설명하였고, 실험법, 의치상 및 레진치 재료의 차이에 의한 것일 수도 있다고 하였다.
MMA 외에도 다양한 화학 물질들이 결합력 향상을 위해 사용되었다. 레진치를 에틸/메틸 아세테이트(ethyl/methyl acetate) 및 아세톤으로 처리할 경우 의치상과 결합력이 향상되었고 (50, 51), 중합되지 않는 용매(non polymerizable solvents)인 디클로로메탄(methylene chloride)이 모든 유형의 아크릴 레진치와 의치상과의 결합력을 향상시킬 수 있다는 연구가 보고되었다 (30). 유사한 연구에서 디클로로메탄이 재래형 레진치뿐 아니라 고도로 교차-결합된 아크릴 레진치의 결합력을 약 3배 정도 증가시킬 수 있다는 연구 결과도 보고된 바 있다 (52). 디클로로메탄은 레진치의 외부 표면 부피를 증가시켜 의치상의 중합 가능한 아크릴 레진 단량체가 레진치에 침투하여 광범위한 교차-결합된 폴리머 네트워크를 형성하고, 이때 생성된 레진치 표면의 미세한 거칠기가 기계적 유지력 증가에 기여할 수 있다고 한다 (26, 53). Suzuki 등은 고도로 교차-결합된 레진치에 4-META 접착제를 적용하면 결합력이 크게 향상되었다고 보고하였다 (54). Fletcher-Stark 등은 접착제(Eclipse; Dentsply)를 사용했을 때 고도로 교차-결합된 레진치의 결합력이 유의하게 증가하였지만, 이는 광-중합형 UDMA 레진과 결합한 경우에만 적용되었으며, 열-중합형 PMMA 레진과 결합한 경우는 그렇지 않았다고 하였다 (25). Palitsch 등은 다양한 전처리 용액과 의치상 재료를 조합하여 PMMA(80 %)와 첨가제(에틸렌 글리콜-디메타크릴레이트 및 색소)로 구성된 레진치와의 인장결합력을 평가하였는데, 고 농도의 아세톤 용액을 사용하였지만, 아세톤의 조기 증발로 인해 만족스러운 결과는 얻지 못하였고. 광-중합형 재료는 효과적인 결합을 위해 레진치 표면을 처리할 수 있는 적절한 용매 혼합물로 구성된 특수 접착제가 필요하다고 제안하였다 (24).
기존 재래식 총의치 제작 과정에서 의치상과 레진치의 결합은 접촉된 레진치가 PMMA 중합을 통해 이루어지며, 이 과정에서 교차된 폴리머 네트워크가 형성된다. 반면 디지털 술식으로 의치를 제작과정에서는 일반적으로 디지털 설계와 의치상 및 레진치가 분리되어 제작이 진행되며, 이후 표면 처리, 접착제 적용, 또는 단순한 자가-중합형 PMMA 레진 적용을 통해 의치상과 레진치가 결합된다 (55). 3D 프린팅법으로 의치를 제작하는 경우 먼저 의치상이 프린팅되며, 이후 레진치는 별도의 공정에서 프린팅된다. 레진치는 특수 접착제나 미경화 의치상용 레진 단량체를 사용하여 의치상에 결합시키고, 이후 광-중합 과정을 거친다. 레진치는 개별적으로 1개씩 접착되거나 셋트로 융합되어 한 조각으로 접착될 수 있다 (56). 최근까지 발표된 문헌에 따르면, 3D 프린팅된 의치상과 별도로 프린팅된 레진치의 결합력은 전통적인 재래식 방법으로 제작된 의치에서의 결합력보다 열등하다고 보고되고 있다 (28, 57). Alharbi 등의 결합력 평가 연구에서, 3D 프린팅으로 제작한 의치 실험군은 응집 실패와 접착 실패가 함께 관찰된 반면, 전통방식으로 제작한 의치 실험군은 응집 실패만 관찰되어 전통방식으로 제작한 의치 실험군이 더 강하게 결합된 것을 확인할 수 있었다고 하였다 (57). 3D 프린팅으로 제작한 의치상과 레진치의 결합력이 낮을 수 있지만, 그에 대한 연구들은 많지 않기 때문에 추가 연구가 필요한 상황이다.
의치상용 및 레진치 제작용 3D 프린팅 레진의 성분은 전통방식으로 제작하는 의치상용 및 레진치용 레진과는 많이 다를 수 있다. 대부분의 의치용 3D 프린팅 레진은 효율적인 중합과 색 안정성을 위해 산화물 기반 광-개시제를 포함한 광경화성 아크릴레이트 단량체, 안정제 및 색소 등으로 구성되어 있다. 3D 프린팅으로 제작한 레진치를 3D 프린팅으로 제작한 의치상에 접착하는 방법에 대한 표준 지침이 아직 제시되지 않고 있기 때문에, 최적의 프로토콜을 알아보기 위해 추가 연구가 필요하다. 또한, 의치상 레진의 화학 성분이 결합력에 미치는 영향을 in vitro 연구로 평가하여 3D 프린팅한 의치의 접착 성능을 개선하는 데 도움이 될 수 있는 성분 관련 요인을 찾아야 한다 (29). 본 연구에서 평가한 DLP 방식의 3D 프린터로 출력한 의치상과 레진치의 경우 광-중합형 레진으로 제작되었기 때문에 추가로 접착제를 적용하지 않는 경우 의치상과 레진치의 화학적 결합 가능성은 매우 낮을 것으로 예상하였다. 광-중합형 의치상과 레진치의 결합력에 대한 연구에서 Hayakawa 등은 광-중합으로 제작한 의치상에 접착제를 적용하면 레진치와의 결합력을 증가시킬 수 있다고 하였다 (58). Yanikoglu 등은 광-중합형 의치상에 레진치를 산-부식처리 후 접착제를 적용한 경우 결합력이 높게 관찰되었으며, 레진치에 MMA 단량체를 적용한 경우에는 결합력에 유의한 영향을 주지 않았다고 하였다 (36). Fletcher-Stark 등은 레진치 표면을 기계적으로 처리한 후 접착제를 적용하면 결합력을 증가시킬 수 있다고 하였다 (25).
Choi 등은 열-중합, CAD/CAM 밀링 및 3D 프린팅 방식으로 제작한 의치상과 레진치의 파괴인성과 굴곡접착강도를 평가하였는데 (28), 굴곡결합강도는 Schneider 등 (38)과 Freitas 등 (59)이 보고한 연구결과와 유사하다고 하였다. 접착과 관련된 대부분의 연구들은 계면 결합의 무결성과 강도를 평가하기 위해 수행되었다 (35, 60). 치의학 분야에서 결합력 평가는 in vitro에서 인장결합력 또는 전단결합력 측정으로 진행되었는데, 결합력 측정값의 큰 편차와 표준화된 평가법의 부재는 측정 결과들의 직접 비교를 어렵게 하였다(61). Choi 등의 연구에서는 3D 프린팅으로 제작한 의치상과 레진치의 결합력을 향상시키기 위해 MMA 단량체와 상용 프라이머 2종(SR Connect, Signum connector)으로 화학 표면처리방식을 적용하였다(24). 아무 처리하지 않은 대조군(control)과 비교하여 MMA를 적용한 실험군에서 다소 높은 결합력을 보였지만 혼합파절 유형을 보여 레진치와 의치상의 화학적 결합이 충분하지 않음을 확인할 수 있었다고 하였다. 상용 프라이머를 처리한 경우에서는 유의하게 높은 결합력이 측정되었고, 대부분 응집파절 유형을 보여 의치상과 레진치와 화학적 결합이 적절하게 생성된 것으로 추정하였는데, 이는 광-중합형 의치상과 레진치의 접착력에 대한 이전의 연구 결과들과 유사하였다고 하였다.
상용 의치 접착제로 출시된 Palabond(Kulzer, USA)는 교차-결합된 의치상을 단기능 및 다기능 용매와 결합하여 PMMA에 대한 접착력을 개선할 수 있는 자가-중합형 프라이머로 소개되었다 (24). 이 결합 프로토콜은 표면거칠기에 영향을 받지는 않았지만, 친수성 표면을 유도하여 Palabond에 함유된 단량체 침투를 증가시킬 수 있어서 PMMA에 적용한 Palabond의 단량체는 열-중합 의치상에서와 같이 3D 프린팅 레진에 존재하는 올리고머와 유사하게 작용할 수 있다고 보고된 바 있다 (62). 본 연구에서 평가한 다른 접착제인 Castdon Bonding(Dreve, Germany)은 고도로 가황처리된 레진치와 자가-중합형 의치상에 강력하고 안정적인 결합을 형성할 수 있는 자가-중합형 프라이머로 소개되었다. 자가-중합 방식으로 의치를 제작하기 위해 설계된 Castdon 시스템의 액상 구성 요소로 열-중합 의치와 비교하여 수축을 최소화, 우수한 사용 편의성, 속도 및 정밀도 등의 특성을 가지고 있다고 소개되었다 (63). 세 번째 접착제인 Visio.link(Bredent, Germany) 프라이머는 주요 성분으로 MMA 외에 추가로 디메타크릴레이트와 광-개시제(photoinitiators)를 함유하고 있는 광-중합형 프라이머이다. Visio.link에 함유된 pentaerythritol-triacrylate(PETIA)는 polyetheretherketone (PEEK) 표면을 변화시킬 수 있어 MMA의 후속 침투를 가능하게 하는 역할을 하고, 디메타크릴레이트는 폴리머와의 결합을 촉진시키는 역할을 할 수 있어서 PEEK와의 결합에 주로 적용되었다 (64, 65). Bähr 등은 Visio.link로 실험용 CAD/CAM nanohybrid 컴포짓트 블록과의 결합력을 평가한 연구에서 레진시멘트의 종류에 상관없이 대부분 실험군에서 응집실패를 보이는 강한 결합력이 관찰되었다고 하였다 (66, 67). Stawarczyk 등도 Visio.link에 포함된 MMA와 디메타크릴레이트에 의해 기-중합된 CAM 블록(PMMA/UDMA)과의 결합력을 향상시킬 수 있었다고 하였다 (68). Visio.link로 3D 프린팅한 시편과의 결합력을 평가한 연구에서도 응집실패를 동반하는 강한 결합력을 보였다고 한다 (69).
대부분의 총의치 환자들에서 측정되는 최대 저작력은 60-80 N 범위로 알려져 있는데 (70), 의치상과 레진치의 결합력도 총의치 장착 환자들의 최대 저작력 범위를 초과한다면 임상 적용에 문제가 없을 것으로 추정할 수 있다고 한다 (55). 본 연구에서는 평가한 3종의 접착 프라이머에서, 광-중합형인 Visio.link 프라이머를 적용한 경우 평가한 5종의 3D 프린팅 레진 의치상과 레진치의 결합력은 171.86-264.63 N 범위로 측정되었고, 모두 응집 실패를 보여 강한 결합력이 관찰되었다. Visio.link는 적용한 모든 3D 프린팅 레진에서 총의치 환자들에서 측정되는 최대 저작력을 훨씬 초과하는 결합력을 보여 임상 적용에 전혀 문제가 없을 것으로 보였다. MMA와 함께 Castdon Bonding 프라이머의 주요 성분인 butanone(methyl ethyl ketone)은 밀링 또는 3D 프린팅한 PMMA와 적절한 결합력을 보였고, 3D 프린팅한 PMMA와는 혼합 실패와 응집 실패를 보여 접착제로서의 효능이 관찰되었다는 연구 결과가 보고된 바 있다 (91). 자가-중합형인 Castdon Bonding 프라이머를 적용한 경우는 광-중합형인 Visio.link 프라이머를 적용한 결합력의 50% 정도 수준 정도였지만, ODS(55.09 N)를 제외한 4종의 3D 프린팅 레진 의치상과 레진치의 결합력이 79.26-99.93 N을 보여 이 3D 프린팅 레진의 경우는 임상에 적용할 수 있을 것으로 보였다. 다른 자가-중합형 프라이머인 Palabond 를 적용한 경우는 평가한 3D 프린팅 레진에 따라 결합력은 유의하게 큰 차이를 보였으며, 임상에서는 Nextdent(137.12 N)와 Splastic (105.24 N) 3D 프린팅 레진으로 제작한 의치상과 레진치의 결합에만 적용이 가능할 것으로 보였다. Palabond 프라이머에 주요 성분으로 MMA와 함께 첨가된 1,4-Butanediol dimethacrylate (1,4-BDDMA)는 교차결합제로 작용하여 기계적 특성을 향상시킬 목적으로 추가되었는데, 3D 프린팅 의치상과 레진치의 접착에서는 그 성분에 따라 결합력 향상 효과에 큰 차이가 있는 것으로 관찰되어 실제 임상 적용에서는 주의가 필요할 것으로 보였다. 또한 추가 연구로는 의치상 또는 레진치 제작에 사용한 3D 프린팅 레진으로 접착력을 평가하여 비교하는 것로 필요할 것으로 보였다.
결 론
현재 임상에서는 3D 프린팅으로 의치상과 레진치를 출력하여 의치를 제작하는 빈도가 크게 증가되고 있는데, 이 경우 의치상과 레진치의 적절한 결합력은 임상 적용의 성공에 매우 중요한 역할을 한다. 대부분의 경우 접착제를 사용하여 의치상과 레진치의 결합을 시도하고 있는데, 본 연구에서는 5종의 3D 프린팅 레진으로 의치상과 레진치를 각각 출력한 다음, 3종의 접착 프라이머로 접착하여 결합력을 평가하였다. 광-중합형(Visio.link) 접착 프라이머를 적용한 경우 결합력은 높게 관찰되어 임상적용에 문제가 없을 것으로 보였으나, 자가-중합형 접착 프라이머인 Castdon Bonding를 적용한 경우에는 다소 낮은 결합력을 보였으나, ODS로 출력한 경우를 제외하면 임상에 적용할 수 있을 것으로 보였다. 반면, 자가-중합형 접착 프라이머인 Palabond를 적용한 경우 의치상과 레진치 출력에 사용한 3D 프린팅 레진에 따라 결합력은 큰 차이를 보였으며, Nextdent와 Splastic 3D 프린팅 레진으로 제작한 의치상과 레진치의 결합에만 적용이 가능할 것으로 보였다.
Acknowledgments
이 논문은 2021년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임 (RS-2021-R060119).
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