지르코니아를 이용한 보철물 제작, 어디까지 왔나?
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지르코니아를 이용한 보철물 제작, 어디까지 왔나?
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  • 승인 2009.07.01 18:16
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서울미래치과 허수복 원장

약력
치의학 박사 (치과생체재료과학 전공)
서울대학교 치과대학 및 동대학원 석·박사 졸업
이대병원 보철과 수련
서울대학교 치의학 전문대학원 외래교수
이화의대 치과학교실 외래교수
대한생체지르코니아연구회 회장

 

1. 지르코니아의 transformation toughning

지르코니아는 단사정계 (monoclinic), 정방정계 (tetragonal) 및 입방정계 (cubic) 등 3 가지 결정상으로 존재한다.
단사정계 결정상은 1170℃까지 안정상태를 유지하고 1170℃에서 2370℃까지는 정방정계 결정상으로 존재하며 그 이상의 온도에서 녹는점 (약 2680℃)까지는 입방정계 결정상으로 존재한다.


(지르코니아는 온도에 따라 3가지 상으로 존재한다)

고온에서 안정적인 정방정계 결정상은 냉각되면서 단사정계로 상변이를 하며 이에 따른 부피팽창을 동반하여 self crazing 되므로 상온에서  안정적인 정방정계상을 유지하기 위해 Y2O3 또는 CeO2 등의 산화금속을 첨가한 것을 부분안정화 지르코니아 (partially stabilized zircornia; PSZ)라 한다.

이렇게 부분안정화한 지르코니아에 외력으로 인한 균열 등의 에너지가 가해지면 단사정계 결정상으로 상변이(phase transformation)를 하며 에너지를 흡수한다. 정방정계보다 단사정계의 결정 크기가 3-5% 크므로 상변이에는 체적증가가 수반되며 국소 압축응력대(localized compressive zone)를 형성하여 미세균열의 진행을 억제하므로 파괴인성이 증가한다고 하며, 이것을 transformation toughening이라 한다.
Transformation toughening은 지르코니아 입자가 상변이 경계에 준안정성(meta- stable)의 정방정계 결정상으로 존재할 때 가능하며, 상변이의 준안정성은 지르코니아 입자의 조성, 입자의 크기와 형태, 안정화를 위해 첨가하는 산화물의 유형과 양, 다른 결정상의 지르코니아와 공정과정간의 상호작용 등에 의해 결정된다(Witek과 Butler, 1986).

 

 

 


(균열의 첨부에서 부피팽창을 동반한 상변이가 일어나 국소 압축응력대를 형성하므로 균열의 진행을 억제한다)

그러나 상변이가 지르코니아계 세라믹의 유일한 강화기전은 아니다. 미세균열 강화(microcrack toughening), contact shielding 및 crack deflection 등도 기여 정도는 다르지만 도재의 강화기전에 영향을 줄 수 있다.
  또한 시효처리 시 글라스를 포함하는 도재 시스템에서는 미세 (subcritical) 균열 전달 및 타액과 글래스가 반응하여 글라스가 붕괴되며 균열 전달이 증가되는 현상인 응력 부식(stress corrosion)이 도재의 장기적 안정성에 영향을 주는데(Drummond, 2003), 글라스를 포함하지 않은 Y-TZP는 이러한 현상을 보이지 않아 장기적 안정성이 증가할 수 있다(Raigrodski, 2004; Sorensen, 2004).

글래스의 가수분해에 의한 물성의 저하현상이 없는 대신 지르코니아는 수분의 존재하에 시효경과하면 수분과 안정화원소가 결합하여 빠져나간 결함(공동, vacancy)이 상변이의 핵으로 작용하는 등  low temperature degradation, 혹은 hydrothermal degradation 현상에 의해 물성이 저하되는 단점이 있다.
상변이는 보철물의 수명에 긍정적으로 작용하지만 그 양과 속도가 적절히 제어되지 못하면 오히려 치명적인 결함을 초래할 수도 있다.
즉, 초기에 다량의 상변이가 일어나 단사정계 결정상의 함유량이 과다하고 표면 잔류압축응력이 너무 강하다면 시효경과를 거치면서 물성의 현저한 감소를 초래하여 보철물의 수명에 부정적으로 작용할 수도 있다는 것이다.

이러한 상변이는 지르코니아에만 국한된 것은 아니며 SiC, SiO2, C, Al2SiO5, FeS2 등 다양한 소재에 해당한다.

상변이에는 두 종류가 있는데 첫 번째는 재배열형 변이(reconstructive transformation)로서 결합이 절단되어 새로운 구조가 만들어지므로 큰 에너지를 요구하며 속도가 느리므로 변이 온도역을 지나도록 급랭하면 저온에서 고온구조로 유지하는 것이 가능하다.
예를 들면 산화규소(SiO2)는 석영, 트리디마이트, 크리스토발라이트 등 3가지 상으로 재배열형 변이를 하며 석영은 저온형과 고온형, 트리디마이트와 크리스토발라이트는 고온형, 중온형, 저온형으로 각각 변위형 변이를 한다.
두 번째는 변위형 변이(displacive transformation)로서 결합각의 변위 등 구조의 변형에 의해 생기며 결합은 깨지지 않는다. 이 전이는 보통 어느 정해진 온도에서 급속히 일어나며 가역적이다. 금속의 마르텐사이트 변이(martensite transformation), 지르코니아의 정방-단사 변이(m-t transformation) 등이 이에 해당한다.

 


2. 지르코니아의 생물학적, 기계적, 광학적 성질

 1) 생물학적 성질 :
세라믹재료는 금속재료나 고분자재료와는 달리 생체조직과 거의 반응을 하지 않는 재료로부터 반응성이 매우 높은 재료까지 다양하다. 지르코니아는 생체불활성(bioinert)이며 이러한 생체불활성 세라믹의 대부분이 생체용 구조세라믹으로 응용될 수 있는데 이들 재료들은 뼈와 화학적 결합은 하지 않으나 생체친화성과 응력 지지 능력을 가지고 있다.
 지르코니아는 부식이 없어 어떠한 염증반응이나 알러지도 유발하지 않으며 생체적합성도 우수한 것으로 알려져 있다(Ichikawa 등, 1992; Josset 등, 1999; Covacci 등, 1999; Scarano 등, 2003).

2) 기계적 성질 :
Y-TZP의 굴곡강도는 900-1,200 ㎫ 범위이며 (Christel 등, 1989; Hauptmann 등, 2000; Rou- ntree 등, 2001), 파괴인성은 9-10 ㎫/m1/2 범위로 알루미나계 세라믹 재료의 2 배, 리튬 다이실리케이트계 세라믹 재료의 3 배 정도 우수하다(Christel 등, 1989).
정적하중하에서는 파절저항성이 1,800-2,000 ㎫이며, 5 년간의 임상 적용에 해당하는 반복하중을 가할 때 글라스 아이오노머로 합착한 구치부 3-unit bridge의 파절저항성은 1,457 N 정도라고 하였다(Suttor 등, 2001; Tinschert 등, 2001).
 완전히 소결처리한 (fully sintered) Y-TZP 재료를 밀링하여 코어를 제작하는 시스템은 수축이 없는 반면, Cercon Base와 LAVA는 부분 소결한 (partially sintered) 재료를 밀링하여 코어를 제작하고 최종 소성작업시에 20-25 % 정도 수축하므로 이를 보상하기 위하여 oversized framework을 제작하여야 한다(Filser 등, 2001; Besimo 등, 2001; Suttor 등, 2001). 부분 소결한 재료를 선호하는 입장에서는 완전히 소결한 재료를 밀링할 때 미세 균열이 발생할 문제를 지적하고 있으며 (Luthardt 등, 2004), 완전히 소결한 재료를 선호하는 입장에서는 부분 소결한 재료를 최종 소결처리할 때 수축이 발생하므로 적합도의 문제가 야기될 수 있음을 지적하고 있다(Besimo 등, 2001).
그러나 완전 소결한 경우 기공 과정이 너무 어려워 경제성과 현실성이 떨어지므로 부분 소결하고 가공 후 완전 소결하는 방식이 주종을 이루고 있으며 현재 CAD-CAM 의 정밀도가 크게 향상되어 수축에 따른 적합도의 문제는 더 이상 장애가 되지 않는다.

3) 광학적 성질 :
광학적 특성이란 전자기파, 특히 가시광에 노출된 재료의 반응을 뜻한다. 고체로 입사하는 빛의 세기는 통과, 흡수, 반사된 빛의 합과 동일하다. 흡수와 반사가 적고 빛을 많이 통과시키는 재료를 투명(transparent)하다고 하며 반투명(translucent) 물질은 안에서 빛이 확산 및 산란된다.
가시광을 통과시키지 않는 재료를 불투명(opaque)하다고 한다. 비금속의 광특성은 흡수, 반사, 굴절, 투과에 의해 결정된다. 많은 세라믹 재료는 제조 과정 중 미세한 기공이 분산되는데 이러한 기공도 빛을 산란시킨다.
일반적으로 단결정이 투명한데 비해 다결정이나 기포가 함유된 재료는 반투명하거나 불투명하다. 지르코니아의 투광도는 제조 과정에 따라 차이가 있다. 일반적으로 지르코니아의 낮은 투광도가 투명한 전치의 수복에는 비적응증이 되나 오히려 변색을 차단할 수 있는 장점으로 작용하기도 한다.

3. CAD-CAM

1. CAD-CAM의 구성과 시스템
1) 구성
①. Scaner
-Optical camera
-Contact digitizer
-Non-contact laser or CCD
②. CAD ; 컴퓨터 소프트웨어를 이용한 디자인
③. CAM ; 컴퓨터 소프트웨어와 밀링용 하드웨어를 연동한 가공
2) 시스템
Cerec 3D (Sirona) ; intra-oral scan or die scan
Cercon (Dentsply) ; wax-up (CAM only)
Denzir (Decim, Sweden) ; die scan, HIP milling
DCS Smart-fit (Austenal) ; die scan, HIP milling
Dentacad (Hint-ELS) ; die scan, HIP milling
Everest (Kavo) ; die scan
Lava (3M Espe) ; die scan
Procera (Nobel Boicare) ; die scan
ZirCorea ; die scan

Cercon system 은 왁스 패턴을 제작하여 이를 스캔, oversized framework 을 제작하여 최종소결후 비니어를 축성하게 되며 보통은 다이를 스캔하여 제작하게 된다. Denzir, DCS Smart-fit, Dentacad 등의 시스템은 HIP(Hot Isostatic Pressing)한 블록을 가공하므로 가공이 어렵고 시간, 비용의 문제로 경제성이 낮다.

2. CAD-CAM 과정

 

    (die 제작)                           (die scan)                          (CAD)

 

(CAM)         (frame adjustment)                       (구강 내 시적)


3. CAD-CAM 의 적합도 :
변연적합도에 있어서 ADA 기준은 50㎛이며 임상적으로 100㎛ 이내의 gap은 허용된다.
수종의 CAD-CAM 시스템을 이용하여 3-unit 브릿지의 마진 적합도를 조사한 연구에서 (Reich S 등, 2005) Didident, Lava 등 모든 시스템이 75㎛ 이하의 gap을 나타내었다.
Denzir system을 이용한 연구에서는 50㎛ 이하의 gap을 보였으며 (Coli 와 Carlsson, 2004) Kataba system을 이용하여 단일치,3,4,5-unit 브릿지의 gap을 조사한 연구에서도 50㎛ 이내의 marginal discrepancy를 보였다(Kunii 등, 2007).
현재 CAD-CAM 을 이용한 보철물의 변연적합도는 정확한 인상채득을 전제로 할 때  대단히 우수하다고 할 수 있다.
다만 접촉식과 비접촉식 스캔에 있어서 날카로운 변연부의 해상도에는 다소간의 차이가 있을 수 있다.
프레임을 디자인할 때 설측이나 인접면 등에서 비니어를 충분히 지지할 수 있는 형태를 배려하는 것이 중요하다. 이를 고려하지 않은 프레임은 비니어의 파절을 초래하기 쉽다.

4. 지르코니아 크라운 및 브릿지의 임상성적 고찰

1. Steyeren 등(2005)은 23 개의 지르코니아 브릿지(DC-Zirkon)을 ZPC 로 합착하고 2년간 기능 후 관찰한 결과 100%의 success rate를 보고하였으며 3증례에서 minor chipping이 발생하였다.

 2. Raigrodski 등(2006)은 구치부에 20개의 3-unit 지르코니아 브릿지 (LAVA)를 레진변형-글라스 아이오노머 시멘트 (Rely X luting)으로 합착하여 평균 31.2개월간 기능 후 관찰한 결과 100%의 success rate를 보고하였다.
단지 5case에서 minor chipping이 발생하였으나 보철물을 재시술할 필요는 없었다.(그림 1~5)

(그림 1. 교합면 삭제 1.5~2.0 ㎜, 축면삭제 1.0~1.5㎜(협면), 1.0㎜(구개면))
(그림 2. 프레임 두께 0.6  ㎜, connector surface area 최소 9 ㎟)
(그림 3. 완성된 브릿지)
(그림 4. 구강내에 합착한 모습)
(그림 5. 제이대구치에 원심 구개측에 비니어 chipping 된 모습)
 
3. Wolfart 등(2005)이 36개의 지르코니아 브릿지(e-max)를 글라스 아이오노머나 레진시멘트로 합착하고 평균 4년간 기능 후 관찰한 결과 실패율은 0%였다.

4. Sailer 등(2007)은 57개의 지르코니아 브릿지(Cercon)을 레진시멘트로 합착하고 5년간 기능 후 관찰한 결과 12증례에서 이차우식, 지대치 파절 등이 발생하여 실패를 보였으며 외상으로 인한 1증례 외에 지르코니아 프레임의 파절은 없었다고 보고하였다.

5. Studart 등(2007)은 Cercon system을 이용한 물속에서의 cyclic loading 실험을 통해 수명예측 계산결과 적절한 프레임 디자인을 전제로 지르코니아의 수명이 20년 이상일 것으로  추정하였으나 보다 심화연구가 필요하다.

6. Molin과 Karlsson(2008)은 19개의 브릿지를 ZPC와 Panavia F로 합착하고 5년간 경과 관찰한 결과 프레임이나 비니어의 파절이 없었다.

현재까지 5년 정도의 임상데이터로 미루어 지르코니아 프레임의 구조적 신뢰도는 검증되었다고 할 수 있다. 다만 비니어의 chipping을 최소화할 수 있는 시스템별 최적화된 전용도재의 개발  및 프레임 디자인에 관한 노하우 축적이 숙제이나 이미 상당한 진전이 이루어지고 있어 구치부에도 지르코니아 보철물을 시술하는 것에 별다른 리스크는 존재하지 않는다고 보아도 무방하다.

 


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