Current Issue

고령화 사회 진입과 함께 구강 내 치아 상실 환자가 지속적으로 증가하고 있으며, 이들의 기능적 회복뿐만 아니라 심미적 요구 또한 크게 높아지고 있다. 가철성 국소의치(Removable partial denture, RPD)는 임플란트를 제외하고 치아 상실 시 가장 보편적으로 사용되는 치료법으로, 저작 기능 회복, 발음 개선, 인접 치아 이동 방지 및 심미성 향상을 목적으로 널리 활용되고 있다 (1).

RPD가 제작되는 초기에는 vulcanite, nitrocellulose, phenol formaldehyde 등 다양한 소재가 재료로 사용되었다. 이후 1937년 아크릴릭 중합체(Acrylic polymer)가 의치상 수지 재료로 도입되면서 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethylmethacrylate, PMMA) 기반 아크릴릭 레진이 주로 사용되었다 (2).

PMMA 의치상용 레진은 우수한 기계적 특성과 자연 치은 색상의 재현, 사용의 용이성, 그리고 비교적 저렴한 비용 등의 장점을 가지고 있다 (3). ISO 20795-1 (4)에 따르면 PMMA 의치상용 레진은 최대 굴곡강도(Ultimate flexural strength)가 60-65 MPa 이상, 굴곡계수(Flexural modulus)가 1,500-2,000 MPa 이상이어야한다. 기존 연구에서 밀링(Milling)방식으로 제작된 PMMA 레진은 굴곡강도 약 60-100 MPa 이상, 굴곡 계수 약 1,800-2,500 MPa 이상 범위를 보여 이러한 기준을 충분히 만족하는 것으로 보고되어 있다 (5).

그러나 PMMA는 본직적으로 취성(Brittle) 재료로서 낮은 충격 저항성과 피로한계가 주요단점으로 지적되고 있다. 임상 연구에 따르면 PMMA 의치상용 레진으로 제작된 의치의 약 63%가 3년 이내에 파절되며, 의치 수리 원인 중 상당 부분이 재료 자체의 취성 파절에 기인하는 것으로 보고되었다 (6). 이와 같은 파절은 주로 반복적인 저작 응력에 따른 재료의 피로 누적과 응력 집중 부위에서의 균열 진전에 의해 발생한다 (7). 또한 장기간 사용 시 수분 흡수로 인한 치수 안정성 저하, 색상 변화, 그리고 표면 거칠기 증가 등의 문제점도 보고되어 있다 (8).

이러한 기존 재료의 한계를 극복하기 위해 최근 유연성 열가소성 레진(Flexible thermoplastic resin)을 활용한 의치상 재료가 주목받고 있다. 재료 종류에 따라 다르지만 유연성 의치상용 레진은 기존 PMMA 대비 굴곡강도가 낮고, 파절 시까지의 변형률 또한 낮아 우수한 인성(Toughness)을 나타내는 것으로 보고되었다 (6). 이러한 기계적 특성은 저작 시 충격 흡수와 파절 위험 감소에 기여할 수 있다. 또한, 금속 클라스프(Clasp) 없이도 충분한 유지력을 제공할 수 있어 심미성 측면에서 큰 장점을 보인다 (9, 10). 실제 환자 만족도 조사에서도 유연성 레진으로 제작된 의치가 기존 PMMA 의치상용 레진으로 제작된 의치보다 통계적으로 유의하게 높은 만족도를 나타내는 것으로 보고되었다 (11, 12).

최근 3D 프린팅 기술의 발전과 함께 의치상 재료 제작에도 혁신적인 변화가 일어나고 있다 (3). 3D 프린팅 유연성 의치상용 레진은 기존 열가소성 유연성 레진과 달리 광중합형 레진으로, 정밀한 형상 구현과 개별 맞춤형 제작이 가능하다. 이러한 재료는 유연성 재료의 우수한 충격 저항성과 심미성을 동시에 제공하면서도 3D 프린팅 공정의 장점을 활용할 수 있다는 장점이 있어 3D 프린팅용 의치상용 레진의 개발이 활발히 진행되고 있다 (13, 14).

이처럼 전통적인 PMMA(Conventional PMMA; CP)와 최신 재료인 3D 프린팅 유연성 레진(3D-printing flexible resin; 3DF)은 각각 고유한 장점을 가지고 있으며, 동일하게 의치상 용도로 사용된다는 점에서 직접적인 비교가 임상적으로 중요한 의미를 가진다. 특히 기존 재료의 대체 가능성과 적응증 확대를 평가하기 위해서는 두 재료 간의 체계적인 비교 연구가 필수적이다.

하지만 현재까지의 연구는 각각의 재료에 대한 개별적 평가나 제한적인 물성 비교에 그치고 있어 포괄적인 기계적 및 심미적 특성 비교 연구는 여전히 부족한 실정이다 (11, 15). 또한 3D 프린팅 유연성 레진의 경우 상대적으로 최근 개발된 재료로서, 기존 표준 재료인 PMMA와 직접적인 성능 비교 데이터가 제한적이다. 따라서 본 연구에서는 CP와 3DF의 굴곡강도, 경도, 색안정성 및 표면 특성을 비교 평가하여 각 재료의 특성을 바탕으로 임상 적용 시 적절한 의치상 재료를 선택할 수 있는 과학적 근거를 제공하고자 한다. 영가설은 두 의치상 재료 간에 기계적, 심미적 유의한 차이는 없을 것으로 가정하였다.

본 연구에서는 자가중합형 CP와 3DF의 기계적, 심미적 특성을 비교 평가하였다. ISO 20795-1 규격에 따라 스팬 거리를 50 mm로 설정하여 3점 굴곡 시험을 수행한 결과, 의치상 레진 범위(60-100) MPa의 하한값에 근접하였다(13). 반면, 모든 3DF 시편은 높은 연성과 탄성 변형능으로 인해 파절되지 않아 굴곡강도 산출이 불가능하였다.

흥미롭게도 동일한 3DF 재료에 대해 제조사 보고에서는 100 MPa 이상의 굴곡강도와 2,500 MPa 이상의 굴곡계수가 제시된 바 있고 (17), 이전 연구 (16)에서도 굴곡강도가 110-130 MPa, 굴곡 계수가 2,800-3,000 MPa로 보고되어, 본 연구 결과와는 상당한 차이를 보였다. 이러한 현상은 여러 요인으로 설명될 수 있다.

첫째, ISO 20795-1 표준은 주로 취성 재료인 PMMA를 기준으로 설정되어 있어, 연성이 높은 유연성 재료의 평가에는 제한이 있다는 선행 연구가 있다 (18).

둘째, 본 연구의 프린팅 및 후경화 과정에서 발생한 실험적 변수에 기인할 가능성이 있다. 본 연구에서는 XYZprinting UV Curing Chamber를 사용하여 375-405 nm 범위에서 최대 강도로 10분간 후경화를 실시하였으나, 제조사 권장 조건과 차이가 있을 수 있으며, 이로 인해 충분한 중합도가 확보되지 않았을 가능성을 배제할 수 없다. 실제로 미중합 모노머가 많이 잔존하면 레진 매트릭스의 강성이 낮아지고 연성이 증가하여 파절보다는 장시간 변형이 발생할 수 있다는 보고가 있다 (13, 19).

셋째, 3D 프린팅 기술의 특성상 프린터 종류, 적층 두께, 출력 방향, 온도 및 습도 환경 조건 등에 따라 동일한 재료라도 최종 물성이 크게 달라질 수 있다. 중합도 측정을 직접 수행하지 못한 것은 본 연구의 한계점이며, 향후 연구에서는 FT-IR 분석 등을 포함하여 후경화 조건과 제작 변수가 기계적 특성에 미치는 영향을 체계적으로 규명할 필요가 있다.

이에 본 연구에서는 선행연구 (19)와 동일하게 스팬 거리를 20 mm로 조정하여 두 재료간 비교 가능한 데이터를 확보하였다.

스팬 거리 20 mm 조건에서 측정한 결과, CP는 3DF보다 유의하게 높은 최대 굴곡강도와 굴곡 계수를 보였다. 이는 두 재료의 화학적 및 분자 구조적 특성 차이에 기인하는 것으로 해석할 수 있다. PMMA 분말과 BPO 개시제를 포함한 자가중합형 CP는 자유 라디칼 중합을 통해 네트워크 구조를 형성한다 (20, 21). 이러한 구조는 높은 강성과 강도를 제공하지만, 취성이 크기 때문에 변형 흡수 능력이 제한적이다. 반면, 본 연구에 사용한 3DF의 구체적 조성은 공개되지 않았으나, 일반적으로 이러한 레진은 UDMA, PEGDMA 등의 모노머를 포함하며, 긴 에테르 결합과 측쇄 구조(Side chain)로 인해 분자 간 결합력은 상대적으로 약하나, 더 큰 연성과 변형 흡수 능력을 나타냄이 보고되어 있다 (22).

SEM 관찰 결과는 두 재료의 파괴 메커니즘 차이를 명확히 보여주었다. CP에서는 전형적인 취성 파괴 양상인 매끄러운 파단면과 함께 다수의 미세 균열이 관찰되었다 (23). 이는 탄성한계 초과 시 응력 집중에 의한 급속한 균열 전파와 관련이 있을 수 있다. 반면, 유연성 레진에서는 3D 프린팅 적층 구조가 뚜렷하게 관찰되었으며, 불규칙한 파단면이 나타났다. 이러한 파괴 양상은 응력이 층간계면을 통해 점진적으로 분산되면서 변형 에너지를 흡수하는 인성(Toughness) 파괴의 특징을 보여준다 (24).

본 연구에서는 표면 특성 변화(비커스 경도, 색차 및 광택도) 평가를 위해 14일 침지 기간을 설정하였다. 선행연구에 따르면 침지 초기인 1-2주 기간에도 치과용 레진 재료의 수분 흡수, 표면 경도 변화, 착색 등의 초기 표면 특성 변화가 나타나는 것으로 보고되었다 (25, 26). 따라서 본 연구에서는 두 재료 간 표면 특성의 초기 변화 차이를 비교하기 위해 14일 침적 기간을 채택하였다.

비커스 경도 측정 결과, 두 재료 모두 0일과 14일 사이에 경도가 유의하게 증가하였음을 확인하였다(p<0.05) (Figure 4D). 이러한 경도 증가는 여러 잠재적 요인에 기인한다. 먼저, 두 재료 모두 (37±2)℃ 증류수에 14일간 침적되면서, 재료 내 잔존하는 미반응 모노머의 용출이 발생하여 경도가 증가하였을 가능성이 있다. 또한, 시간 경과에 따른 후중합(Post-polymerization) 현상이 일어나면서 추가적인 중합 반응이 진행되어 재료의 구조적 안정성과 강도가 향상된 것으로 해석된다 (27, 28). 특히, 3D 프린팅 레진의 경우, 출력 후에도 미반응 단량체가 잔존할 수 있는 특성이 있다 (29). 이러한 미반응 단량체는 시간이 지남에 따라 점진적으로 중합되어 자유라디칼의 이동성과 교차결합 밀도가 증가한다. 이로 인해 중합도(Degree of conversion)가 향상되고, 그 결과 레진 표면층의 구조적 안정성과 미세경도가 증가하는 것으로 보고되었다 (25). 이러한 복합적 요인으로 인해 14일 후 3DF의 표면경도가 초기보다 유의하게 증가한 것으로 판단된다.

색차 분석 결과 두 레진 간의 차이가 통계적으로 유의하게 나타난 것은(p<0.05), 제조사별 색상 가이드가 표준화되어 있지 않다는 점에서 기인한 것일 수 있다. 그러나 이러한 차이는 임상에서 육안으로 식별하기 어려운 수준으로, 실제 환자 치료 시 시각적으로 뚜렷한 차이를 보이기는 어려울 것으로 판단된다. 색 변화량(ΔE^* ) 역시 CP는 (0.70±0.38), 유연성 레진은 (0.97±1.11)로 나타나 모두 임상적 허용 범위(ΔE^*<3.3) 내에 해당하였다 (30). 따라서 두 레진 간의 색 차이는 통계적 유의성은 있지만 임상적 유의성(Clinical significance)은 제한적이라 할 수 있다.

광택도는 14일간 증류수 침지 후 두 재료 모두에서 유의하게 증가하였다(p<0.05). 이는 수분 흡수로 인한 표면 팽윤과 함께 잔여 모노머의 용출 및 표면 재구성이 발생했기 때문으로 판단된다 (31). 특히 유연성 레진에서는 미경화 모노머의 용출이 표면 평활성(Surface smoothness) 증가에 기여했을 가능성이 있으며, 이전 연구에서도 수분 흡수와 같은 환경 요인이 표면 거칠기 및 광택 변화에 영향을 준다고 보고된 바 있다 (32).

종합해 보면 CP는 높은 굴곡강도와 굴곡 계수를 바탕으로 구치부나 높은 교합압을 받는 부위에서 우수한 내구성을 발휘할 것으로 기대된다. 반면, 3DF는 낮은 강성으로 인해 저작 시 발생하는 하중에 따른 파절 위험을 줄이고, 우수한 충격 흡수 능력으로 잔존 치조골 보호 효과를 기대할 수 있다. 따라서 임상에서는 적용 부위의 기능적 요구에 따라 적절한 재료를 선택해야 하며, 본 연구에서 확인된 두 재료의 물성 차이는 환자 구강 상태 및 의치 제작 부위 특성을 고려한 재료 선택의 과학적 근거로 활용될 수 있을 것이다.

다만, 본 연구는 실험실 환경에서 단기간(14일)의 기계적 및 심미적 특성만을 평가하였다는 제한점을 가진다. 실제 구강 환경의 복합적인 요인(온도 변화, pH 변동, 지속적 저작 하중 등)을 충분히 반영하지 못하였으며, 장기적인 내구성 평가도 이루어지지 않았다. 따라서 향후 연구에서는 다양한 구강 내 환경을 모사한 장기적 실험을 통해 재료의 물성 변화를 추가적으로 검증할 필요가 있다.

본 연구에서는 자가중합형 CP와 3DF의 기계적 및 심미적 특성을 비교하였다. 그 결과, CP는 굴곡강도와 굴곡계수에서 3DF 보다 유의하게 높은 값을 나타냈으며(p<0.05), 증류수 침지 후 CP와 3DF의 경도가 유의하게 증가하였고(p<0.05), 색 변화(ΔE^* )는 두 재료 모두 임상적 허용 범위 내에 있었다. 따라서 CP는 높은 교합압이 가해지는 부위에서, 3DF는 충격 흡수 및 심미성이 요구되는 부위에서 적합하게 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

다만, 본 연구는 3DF의 후경화 조건과 중합도 측정 부재, 3D 프린팅 공정 변수 미고려 등의 한계점을 가져 결과 해석에 주의가 필요하다. 따라서 향후 표준화된 제작 프로토콜과 중합도 정량 평가를 포함한 추가 연구를 통해 두 재료의 임상 적용 가능성을 재평가할 필요가 있다.