지르코니아 블럭(Zirconia Block)
지르코니아(Zirconia)는 제작과정이 어려워 그동안 치과용 치관으로 제작하기에 많은 어려움이 있었으나 컴퓨터에 의해 제어되는 고도로 정밀한 가공기(CAD/CAM) 접목으로 새로운 치과용 세라믹으로 자리잡고 있다. 뛰어난 강도를 보이며, 심미성까지 우수한 지르코니아 블럭에 대해 알아보자.
장동일 기자 jangdi@denfoline.co.kr
인공치관은 전통적으로 금, 은, 백금을 포함하는 합금 위에 세라믹 도재를 용융시킨 금속 도재관(Porcelain Fused to Metal: PFM)이 주류를 이루고 있었으나, 90년대에 들어 심미성에 대한 강한 욕구와 금속에 의한 체내 부작용 및 과민반응을 줄이고자 금속을 제외시킨 전도재 치관(All Ceramic Jacket Crown)의 수요가 크게 증가하고 있다.
이러한 치관을 제조하려면 문제점이 발생하는데 그것은 바로 강도와 정확한 모양의 제조이다. 세라믹의 강도가 파절이 일어나지 않을 정도로 충분히 높아야 하고, 정확한 모양으로 제조해야 한다는 점이다.
이러한 강도 문제를 완벽하게 해결할 수 있는 세라믹 재료가 지르코니아(ZrO2)이다. 순수한 지르코니아는 용융점으로부터 온도가 감소함에 따라 상이 육방정(cubic)에서 정방정(tetragonal), 그리고 단사정(monoclonic)으로 변하고 그에 따라 부피가 줄었다가 다시 증가한다.
지르코니아란?
매우 작고 섬세한 지르코니아 입자
지르코니아는 Baddelyite(ZrO2)광물에서 얻을 수 있는 재료로써 우수한 특성으로 인하여 여러 분야에서 사용되고 있다. 예전의 지르코니아는 소결 후 냉각과정에서 많은 균열이 발생하고 그에 따른 강도 저하로 그 자체로는 사용이 거의 불가능하였다. 하지만 여기에 CaO나 Y2O3와 같은 안정화제를 다량 첨가하면 이러한 상변태가 억제되어 고온 상인 큐빅 상태가 유지된다.
안정화제를 다량 첨가하여 녹인 후 이를 천천히 냉각시키면 단결정의 큐빅 지르코니아가 생성된다. 이것이 일반적으로 큐빅이라고 불리는 가짜 다이아몬드로써 색과 모양은 다이아몬드와 비슷하지만 가격은 수천 분의 일에 불과한 것으로 대부분의 사람들이 쉽게 접할 수 있는 제품화되어 있다.
이렇게 안정화제를 다량 첨가한 것을 ‘안정화-지르코니아(Fully Stabilized ZrO2)’라고 부르는데 반하여, 안정화제를 ‘조금만’ 첨가하여 부분적으로만 안정화시킨 것을 ‘부분안정화-지르코니아(Partially Stabilized ZrO2; PSZ)’라고 부른다. 이것이 우리가 일반적으로 일컫는 강도가 높은 지르코니아다.
부분안정화 지르코니아는 준 안정상인 정방정상이 상온에서도 유지되어 균열이 없을뿐더러, 외부에서 하중이 가해질 때 정방정에서 단사정으로 상전이를 하여 부피를 팽창시킴으로써 외부의 충격을 효과적으로 흡수한다. 따라서 이 부분안정화 지르코니아의 강도는 철강에 버금 갈 정도로 매우 높을 뿐만 아니라, 경도가 높고 고온에도 견딜 수 있어 현재 산업계에서 널리 응용되고 있다.
가공 방식의 해결
치과용 세라믹스의 대표적인 용도는 인공치근과 인공치관을 들 수 있다. 잘 알려진 바와 같이 인공치근 재질로는 기계적 강도와 생체 특성이 비교적 우수한 티타늄이 주로 사용되고 있었으나, 뛰어난 강도를 보이며, 심미성까지 우수한 지르코니아를 이용한 보철물이 제작되어 많은 관심을 받고 있다.
지르코니아는 1,400℃ 이상의 고온에서 소결돼야 하므로 일반 치과용 포세린 소성로에서는 제작이 불가능했다. 또한 소결시 20∼30%의 수축에 대한 보상과 고온에서 장시간 견딜 수 있는 내화재가 있어야 정밀한 치과용 수복물을 제작할 수 있다. 따라서 이러한 어려움을 피하기 위해 CAD/CAM 혹은 MAD/MAM을 이용한 제작과 관련 기기 판매?보급 되면서 지르코니아 재료에 대한 관심은 증폭되고 있다. 최근의 연구결과들은 CAD/CAM 시스템에 의해 제작된 수복물의 변연 정밀도는 기존의 제작법에 의한 수복물과 거의 차이가 없는 것으로 보고하고 있다.
세종대 신소재공학과 김대준 교수는 “지르코니아 세라믹 재료는 심미성, 인체조직과의 반응성, 강도면에서 기존의 PFM에 비해 명백한 우위를 제공할 뿐만 아니라 삭제된 치아와 CAD/CAM에 의해 제작된 보철물과의 우수한 적합도와 제조비용의 절감효과를 통해 환자의 만족도를 향상시킬 수 있다”고 말한다.
생체친화적인 세라믹 소재
지르코니아는 자연 상태의 광물질로 지구상에 많이 존재하며, 우수한 물성과 물에 녹지 않고 우수한 안전성으로 인하여 20여년 전부터 공업용 및 의학용으로 많이 사용되고 있다.
철과 같은 금속이 녹이스는 것은 산소와 서서히 반응을 하는 것이고, 나무나 석유와 같은 유기재료들이 연소되는 것은 산소와 빠른 속도로 결합을 하는 것이다. 즉, 반응 속도만 차이가 날 뿐 결국은 동일한 산화반응인 것이다. 따라서 이러한 재료가 인체 내에 사용되면 몸속의 산소나 수분과 반응을 하게 마련이다. 이 반응 속도는 매우 느릴지 모르지만, 생체재료는 그 특성상 몇 달이나 몇 년을 사용하고 마는 것이 아니라, 어떤 경우에는 수십년을 사용해야 하므로 문제가 될 수 있다.
반면에 세라믹은 이미 산화되어 안정화되어 있는 물질이므로 공기 중에서나 인체 내에서 더 이상 반응이 일어나지 않는다는 장점이 있다. 이러한 생체불활성(Bio-inertness)을 이용하는 지르코니아와 Al2O3 등이 대표적인데, 이들은 생체에 대해서 매우 안정할 뿐만 아니라 강도 및 경도가 높아 인공치관뿐만 아니라 내마모용 인공관절 등에 주로 이용되고 있다.
세라믹 재료에서 강도의 상승은 밀도의 상승을 동반하고 필연적으로 투명도가 떨어진다. 따라서 고강도의 올세라믹 수복물은 거의 코어로 제작되고 심미성을 위해서는 코어 위에 PFM과 같은 방식으로 포세린이 입혀져야 한다.
임상가들은 올세라믹 브리지의 실패는 포세린 층의 chipping과 함께 지대치과 가공치 connector의 gingival embrasure에서부터 일어난다. 따라서 대부분의 제조사는 코어에서 4 mm 이상의 connector 높이를 추천하고 있다.
그러나 구치부에서 이러한 높이는 쉽게 달성될 수 없으며 이것은 하나의 딜레마로 임상가들의 고안이 필요하다. 최근에 Empress2 같은 비교적 치아색에 가까운 세라믹의 구치부 적용은 비니어 포세린을 하지 않고 제작하기도 한다. 이런 경우에는 대합치 마모를 피하기 위해서 세라믹의 세심한 연마가 필요하다.
경희치대 보철과 우이형 교수는 “치과에서는 포스트와 코아, 교정용 브라켓, 국소의치의 framework, 임플란트 fixture와 임플란트 abutment로 사용되기 시작하였고, zirconia는 구치부 수복과 같은 높은 하중을 받는 부위에서 multiunit all-ceramic 수복이 가능한 밀을만한 재료"라고 설명하고 있다.
<표 1>각 재료에 대한 장·단점
세라믹 재료
-성형성은 좋지 않다. 많은 경우에 기계 가공 등이 필요하며, 많은 비용이 든다.
-생체 친화성은 매우 좋다.
-내화학성은 일반적으로 좋다. 오랫동안 사용하더라도 표면이 변질되지 않는다.
-내열성이 높다.
금속 재료
-성형성이 좋고, 여러 가지의 모양으로 가공하기 쉽다.
-기계적 성질의 장점으로서, 단단하고 파괴인성치가 크다.
-깨지지 않는다.
-귀금속을 제외하고 표면이 변질하는 경우가 많다.
-생체 친화성은 반드시 좋다고는 할 수 없다.
고분자 재료
-성형성이 좋고, 금속 재료와 같이 여러 가지의 모양으로 가공 하기 쉽다.
-경도나 기계적 성질이 떨어진다.
-내화학성은 좋다.
-내열성이 없고, 열에 의해 변형하는 경우가 있다.
-생체 친화성은 좋다.
국내에 시판되고 있는 지르코니아 블럭
현재 국내에서 시판되고 있는 제품으로는 약 9개로 국내 시장의 역사는 약 4년 정도로 보면 된다. 2000년대부터 해외를 통해 국내에 CAD/CAM에 대한 정보들이 들어오기 시작했고, 지르코니아 블럭이 함께 소개되었다.
현재 국내에 시판되고 있는 지르코니아 블럭은 덴츠플라이의 Cercon의 Cercon Base, ㈜신흥에서 수입·판매하는 Procera와 Ivoclar Vivadent의 IPS e.max ZirCAd, 그리고 OES에서 수입·판매하는 VITA의 YZ-CUBE, 세라시스의 CeraSys ZR, ㈜한진디지엑스에서 수입·판매하는 Hint-Els의 Digizon 한국3M㈜ 치과사업부에서 판매하는 LaVa CAD/CAM System의 Lava Frame, 오스템임플란트㈜에서 수입·판매하는 Everest의 ZS- Blank, ZH-Blank, ㈜하이덴탈코리아에서 수입?판매하는 지르코잔의 ICE Zirkon Ceramic 등이 대표적인 제품이라 할 수 있다.
가격대는 몇만원대부터 십만원대까지 다양하며, 시스템의 비싼 가격 때문인지 아직 국내시장에는 활성화 되지 않았지만 머지않아 기공소의 필수 아이템으로 자리 잡을 것이며, 또한 지르코니아 사용이 급증할 것으로 전망하고 있다. 국내 시판되는 대표적인 지르코니아 블럭의 특징에 대하여 알아보도록 한다. 자세한 내용은 하단 표를 참고하기 바란다.(업체순 가나다)
●Lava Frame(한국 3M㈜ 치과사업부)
3M ESPE의 Lava Frame는 기술력으로 이상적인 지르코니아와 기타 화합물의 조성비를 실현 현재 CAD/CAM시스템중의 최고의 물성과 투명도를 자랑한다. 지르코니아 블럭과 프레임이 One Piece로 제작, 생산되어 작업시간을 단축시킨다. 지르코니아 블럭 제조시 각각의 블록이 가지고 있는 정보(parameter)를 bur code화 하여 milling시 milling machine이 marameter를 인식, 계산하여 더욱 정확한 core 제작을 가능하게 한다.
●Cercon Base(덴츠플라이 코리아)
덴츠플라이의 Cercon Base는 900 Mpa 이상의 강한 강도와 유일하게 Cercon 지르코니아 base만 shade liquid 침전 방식이 아닌 제조단계에서 부터 shade가 염색되어 생산 된다. 일반적으로 shade liquid를 첨가하면 지르코니아 강도가 약해 짐, 하지만 Cercon Base는 위 사진과 같이 균일한 강도를 유지한다.
●CeraSys ZR(세라시스)
CeraSys의 zirconia는 전치, 구치, 임플라란트 상부구조 등 구강내 모든 보철소재로 사용 가능하며 최대 8 unit bridge까지 제작 가능하다. 또한 아래의 두 가지 type의 블럭을 사용하여 환자의 치아 상태에 따라 선택 사용 가능하다. 빛 투과율이 낮아 변색치아 및 임플란트 상부구조에 사용된다.
●IPS e.max ZirCAd(㈜신흥)
㈜신흥에서 수입·판매하는 IPS e.max ZirCAd는 전·구치용 크라운, 브릿지 프레임워크용
제작이 가능하다. CAD/CAM용 신터링 이전의 Yttrium-Stabilizedzirconinm oxide 블록으로 신터링 과정에서 약 20% 수축된다. 현재는 하악 전치4unit Bridge까지 가능하다.
● ZS- Blank, ZH-Blank(오스템임플란트㈜)
Kavo사의 ZS- Blank, ZH-Blank는 1155MPa 이상의 인장 강도와 생체친화적 소재로 인정 Biocompatibility, ISO 9001, ISO 13485, EN 46001을 승인 받았다. 5가지 리퀴드로 자연치의 아름다움 재현하며, 전치부와 구치부의 브릿지를 최대 45mm까지 가능하다.
●YZ-CUBE(O.E.S)
오이에스에서 수입·판매하는 VITA의 YZ-CUBE는 일반 zirconium dioxide와는 달리 안정물질(yttrium)이 함유되어 crack 발생시 crack 주위의 입자들의 변화로 균열의 진행을 막아준다. 5종류의 착색제로 zirconium frame works의 외면뿐만아니라 내면까지 완벽히 착색이 이루어져 자연치와 동일한 빛투과성 및 색조를 나타낸다. 의료분야에 30여년간 사용되어진 방대한 자료를 토대로 VITA 최고의 연구진에 의해 개발되어 Metal을 대신할 재료로 각광받고 있다.
●ICE Zirkon Ceramic(㈜하이덴탈 코리아)
Zirkonzahn GmbH제조하고 하이덴탈 코리아에서 수입·판매하는 ICE Zirkon Ceramics는 16본 bridge는 가능하며, 각종 zirconia abutment의 직접 제작할 수 있다. 우수한 block 제조기술을 바탕으로 한 뛰어난 마진적합도와 Vita shade에 맞춰진 16가지의 colouring과 ICE Zirkon powder의 탁월한 심미성 가능하다.
●Digizon(㈜한진덴탈)
Hint-Els사의 Digizonsms는 ㈜한진덴탈에서 수입·판매하고 있다. HIP(Hot Isostatic Post Compaction)방식으로 완전히 소결한 후 milling을 하므로 보철물의 강도가 1200MPa이상으로 뛰어나다. 강도가 높아 14 units까지 제작이 가능하며, 투명도가 자연치와 유사하여 심미적으로 우수하다. 소결 후 milling 방식으로 volume을 키우지 않고 1:1로 작업하므로 마진 적합율이 우수하다.
시스템 보급의 절실화
지르코니아와 함께 주목받기 시작한 장비가 바로 CAD/CAM이다. 아직까지 고가인 CAD/CAM을 개인병원 혹은 기공소에서 도입하기에는 가격적인 부담이 된다. 이제 환자들은 빠르고 자연스럽고 튼튼한 수복물을 원하고 있다. 이를 위해서는 비금속 보철물이 필요한데 특히, 브릿지의 경우 맣이 사용되는 지르코니아가 사용되기 위해서는 CAD/CAM 시스템이 필요하다.
이런 경쟁력이 있는 시스템을 구입하거나 보철물을 제작비용이 금속 보철물에 비해 다소 비싼편이다. 이에 대해 송영복 원장(치과병원 산)은 “현재 CAD/CAM을 이용한 제작비용이 급속히 줄고 있고, 이제 국내에도 CAD/CAM 전문 밀링센터가 많이 도입되면 금속, 비금속 보철물 제작 비용차이가 없어질 것”이라면서 “외국의 경우 CAD/CAM 제작 수가가 금속 보철물과 거의 같거나 그 이하 수준”이라고 밝혔다.
또한 CAD/CAM이 아니 MAD/MAM이란 수동식 시스템으로 기존 제품보다 저렴하게 출시되어 많은 이목을 끌고 있다.
이밖에도 CAD/CAM이 보급되기 위해선 치과의사들이 시스템을 제대로 이해하고 사용할 수 있어야 한다. 그리고 기공소와 커뮤니케이션이 원활하게 진행되어야 한다. 하지만 아직은 관련 내용을 배울만한 교육과정이 크게 부족한 실정이다.
송 원장은 “이제 지르코니아 소재 생산업체가 늘어나고 재료의 색상, 강도, 소재 등이 다양하고 좋아지고 있다”면서 “앞으로 치과계는 3D를 이용한 보다 정밀한 진단과 치료계획 수립, 비금속 수복물 제작 증가와 이를 통한 CAD/CAM 사용 보편화가 진행될 것으로 예상한다”고 전망했다.
앞으로의 전망
지금까지 살펴본 것처럼 지르코니아는 생체친화성, 심미성, 강도 등 많은 장점을 가지고 있는 재료이다. 앞으로도 지르코니아를 이용한 재료에 대한 연구가 활발히 진행될 것이다.
그래서 치과보철물이나 관련 재료에 있어 많은 수요가 따를 것으로 예상된다. 하지만 대부분의 인공장기, 보조 장치, 수술기구 등을 포함하여 지르코니아도 수입에 의존하고 있어 많은 외화지출이 예상된다. 생체재료의 수요가 소량, 다품종이라는 제한점은 있으나 경제적인 부가가치가 매우 높아 국내에서도 많은 연구 인력의 양성과 지원이 요구된다. 물론 국내의 몇몇 대학, 연구소, 기업에서 인공심장, 인공치근, 인공관절 외 정형외과용 보조 장치들이 개발 중에 있어 다행스러운 일이다.
끝으로 이러한 연구들을 위해서는 치과생체재료공학과와 관련 재료연구자, 제조업체, 그리고 그런한 재료를 사용하고 평가하는 최후의 사용자인 치과의사의 공동연구가 필수적으로 요구될 때이다.
* 본 기사는 경희치대 보철과 우이형 교수님, 세종대 신소재공학과 김대준 교수님의 기고와 자문을 얻었으며, 각 판매 업체의 자료를 토대로 준비하였다. 각 섹션을 기고해준 교수님과 각 업체 마케팅 담당자에게 감사드린다.
