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Comparative evaluation of the subtractive and additive manufacturing on the color stability of fixed provisional prosthesis materials
J Dent Rehabil Appl Sci 2021;37(2):73-80
Published online June 30, 2021
© 2021 Korean Academy of Stomatognathic Function and Occlusion.

Young-Ji Lee, Sang-Chun Oh*

Department of Prosthodontics, College of Dentistry, Wonkwang University, Iksan, Republic of Korea
Sang-Chun Oh
Professor, Department of Prosthodontics, College of Dentistry,Wonkwang University, 77 Doonsan-ro, Seo-gu, Daejeon, 35233, Republic of Korea
Tel: +82-42-366-1102, Fax: +82-42-366-1115, E-mail: scoh@wku.ac.kr
Received January 20, 2021; Revised February 21, 2021; Accepted March 12, 2021.
cc It is identical to Creative Commons Non-Commercial License.
Abstract
Purpose: The purpose of this study is to compare the color stability of provisional restorative materials fabricated by subtractive and additive manufacturing. Materials and Methods: PMMA specimens by subtractive manufacturing and conventional method and bis-acryl specimens by additive manufacturing were fabricated each 20. After immersing specimens in the coffee solution and the wine solution, the color was measured as CIE Lab with a colorimeter weekly for 4 weeks. Color change was calculated and data were analyzed with one-way ANOVA and the Tukey multiple comparisons test (α = 0.05). Results: PMMA provisional prosthetic materials by subtractive manufacturing showed superior color stability compared to bis-acryl provisional prosthetic materials by additive manufacturing (P < 0.05), and showed similar color stability to the PMMA provisional prosthetic materials by conventional method (P > 0.05). Conclusion: It is recommended to fabricate provisional restorations by subtractive manufacturing in areas where esthetics is important, such as anterior teeth, and consideration of the color stability will be required when making provisional prosthetic using additive manufacturing.
Keywords : color stability; computer-aided design/computer-aided manufacturing (CAD-CAM); additive manufacturing; subtractive manufacturing
서론

임시 보철물은 최종 보철물 수복 전까지 지대치를 보호하고, 치아의 정출이나 경사를 방지하고, 저작을 도우며, 심미성을 제공하는 역할을 한다.1 임시 보철물의 심미성은 전치부와 같이 심미적으로 중요한 부위에서 환자의 만족감을 위해 중요한데, 특히 형태와 색상은 심미를 결정짓는 주 요소이다.2 또한 임시 보철물의 변색은 환자의 불만족으로 연결되므로,3 임시 보철물의 색을 유지하는 것이 중요하며,4 심미영역에서 임시 수복의 성공여부는 색 안정성과 변색 저항성이라고 할 수 있다.

임시치아를 제작하는 기존의 방법은 환자의 구강내 삭제된 치아에서 제작되는 직접법과 구강 외 모형 상에서 제작하는 간접법이 있다. 최근에는 정확하고 효율적인 computer aided design and computer aided manufacturing (CAD-CAM) 시스템 활용이 확대되면서 밀링기를 이용해 절삭하는 절삭가공과 3D 프린터를 이용하는 적층가공이 사용되기 시작하여 제작과정이 간단해지고 정확해졌다. 또한 디지털 파일로 저장된 디자인 자료로 인해 기공사와 치과의사간의 소통이 용이해졌다.5

절삭가공으로 임시 보철물 제작 시 CAD를 이용하여 디자인한 후 미리 중합된 블록 형태의 PMMA를 절삭하여 짧은 시간내에 우수한 물리적 성질을 갖고 정확한 임시 보철물의 제작이 가능하다.6 그러나 절삭 방식의 특성 상 재료와 절삭기구의 소모가 크다는 문제점을 가지고 있다.

적층가공으로 임시 보철물 제작 시 사용하는 3D 프린터는 주로 Stereolithography apparatus (SLA) 또는 Digital light processing (DLP)방식이며, 적층 속도가 빨라 제작시간을 줄일 수 있고, 불필요한 작업 공정을 생략할 수 있어 비용 절감도 가능하다. 또한, 세밀한 표면조도와 정밀도 있는 제작이 가능하다.

절삭가공과 적층가공의 사용이 점차 증가하고 있으나 임시 보철 재료의 색 안정성에 대한 연구는 최근에 진행되기 시작하여 아직 부족한 상태이다. Almohareb 등은 절삭가공한 CAD-CAM블록이 전통적인 PMMA나 bisacryl에 비해 뛰어난 색 안정성을 갖는다는 결과를 얻었고,7 Elagra는 전통적인 PMMA와 절삭가공한 PMMA 블록은 뛰어난 색 안정성을 보였으며 두 재료의 임상적으로 유의한 차이는 발견되지 않았다고 보고하고 있다.8 Shin 등의 연구에 의하면 3D 프린팅된 임시 보철 재료는 CAD/CAM 블록보다 낮은 색 안정성을 보였으며, 침전 기간이 길수록 큰 색 변화를 보였다.9 Gruber 등의 연구에서도 열중합 레진과 절삭가공한 PMMA 레진에 비해 적층가공한 레진에서 낮은 색 안정을 보였다는 결과를 얻었다.10 또한 Revilla-León 등은 적층가공으로 제작한 임시 보철 재료 간 상당한 색의 차이가 있고 이는 임상에서 허용 불가능한 색의 불일치로 연결될 수 있다고 보고하였다.11

선행 연구는 대부분 전통적인 방식의 PMMA와 절삭 가공으로 제작한 PMMA를 비교하는 연구에 집중되어 있으며, 적층가공을 이용해 제작된 임시 보철 재료에 대한 연구는 적었다. 이에 본 연구에서는 CAD-CAM 방식 중 절삭가공과 적층가공으로 제작한 임시 보철 재료의 색 안정성을 비교 평가하고자 하였다.

연구 재료 및 방법

자가중합형 PMMA (Tokuso CureFast, Tokuyama Dental, Tokyo, Japan)를 이용해 전통적인 방법으로 제작한 시편을 CON군, 밀링기(ARUM 5X-200, DOOWON ID, Daejeon, Korea)로 PMMA블록(PMMA DISK, YAMAHACHI DENTAL, Gamagori, Japan)을 절삭 가공한 시편을 MIL군, 그리고 DLP 타입의 3D 프린터 (DIO PROBO, DIO, Busan, Korea)를 이용하여 적층가공한 광경화성 수지(3D polymer, Myeong Moon dental, Daegu, Korea)를 DLP군이라 명명하였고(Table 1), MIL군과 DLP군의 색 안정성을 비교하기 위해 CON군을 대 조군으로 설정하였다.

Materials used in this study

Group N Product Methods Composition Manufacturer
CON 20 Tokuso CureFast Conventional Polymethyl methacrylates Tokuyama Dental, Tokyo, Japan
MIL 20 PMMA DISK Subtractive manufacturing Polymethyl methacrylates Yamahachi Dental, Gamagori, Japan
DLP 20 3D polymer Additive manufacturing Bis-acrylic Myeong Moon dental, Daegu, Korea


CON군의 시편 제작을 위해 가로와 세로가 100 mm인 정사각형 금속판에 직경 10 mm, 두께 2 mm의 음각이 있는 금속 주형을 제작하였다(Fig. 1). 광학 유리판 위에 주형을 위치시킨 후 제조사의 지시에 따라 액과 분말을 혼합하여 주형내부에 채워 넣었다. 그 상방에 광학 유리판을 위치시킨 후 경화될 때까지 가압해주며 기포가 최소한으로 발생하도록 하였다. MIL군의 시편 제작을 위해 CAD software로 직경 10 mm, 두께 2 mm의 디스크를 디자인하여 PMMA 블록을 밀링기(ARUM 5X-200, DOOWON ID)로 절삭하였다. DLP군의 시편 제작에는 DLP 타입 3D 프린터(DIO PROBO, DIO)를 사용하였다. CAD software로 직경 10 mm, 두께 2 mm의 디스크를 디자인한 후 광경화성 수지가 담겨 있는 수조에 자외선을 이용하여 중합 및 경화하였다. 제작이 완료된 시편들은 광중합기에서 최종 경화시켰다.

Fig. 1. Metal mold for fabricating provisional prosthetic materials by conventional method.

제작된 각 종류의 20개 시편을 무작위로 2개의 그룹으로 나눈 후 증류수에 침전시켜 37도 항온수조에 보관하였다. 24시간 뒤 기준 값 설정을 위해 CIE Lab값을 측정하였다. 그 후 각각 커피(KANU mild americano, Dongsuh Foods Co., Seoul, Korea)와 와인(G7 Cabernet Sauvignon, G7, Maule, Chile)에 침전시켜 37도 항온수조에 보관하였다. 모든 용액은 3일에 1번 교체하였고, 측정 시 모든 시편은 증류수에 세척된 후 초음파 세척기에서 5분 간 세척되어 깨끗한 페이퍼타월로 건조되었다. 색 변화에 대한 평가는 4주간 매주 시행되었으며 각 시편은 비색계 (ZE 2000, Nippon Denshoku, Tokyo, Japan)를 이용하여 색을 4회 반복 측정하여 시편 별 CIE Lab값을 기록하였다(Fig. 2). CIE (International Commission on Illumination) LAB 색 공간을 사용했으며 아래의 공식을 이용하여 색 변화량(ΔE*)을 계산하였다.12

Fig. 2. Colorimeter (ZE 2000, Nippon Denshoku, Tokyo, Japan) used in this study.

ΔΕ=ΔL2+Δa2+Δb½

통계 분석은 IBM SPSS 19 (SPSS Inc, Chicago, USA)를 이용하였다. 제작방법에 따른 임시 보철 재료에 따른 ΔE*값의 비교분석을 위해 One-way ANOVA와 사후 검정으로 Tukey test를 실시하였다. 침전 기간에 따른 ΔE*값의 변화 관찰을 위해 단순회귀분석을 시행하였고 유의수준은 P < 0.05로 하였다.

결과

커피 용액에 침전시켰을 때 1주 후, CON군의 색 변화량(ΔE*)은 2.02, MIL군은 1.17 그리고 DLP군은 5.97이었다. CON군과 MIL군은 유의성 있는 차이를 보이지 않았고(P > 0.05), DLP군보다 유의성 있게 높은 색 안정성을 보였다(P < 0.05). 2주 후, CON군의 색 변화량은 1.44, MIL군은 1.56 그리고 DLP군은 8.13이었다. CON군과 MIL군은 유의성 있는 차이를 보이지 않았고(P > 0.05), DLP군보다 유의성 있게 높은 색 안정성을 보였다 (P < 0.05). 3주 후, CON군의 색 변화량은 2.54, MIL군이 1.61 그리고 DLP군은 9.20이었다. 통계학적으로 MIL군이 유의하게 우수하였고(P < 0.05), DLP군이 유의하게 열악한 색 안정성을 보였다(P < 0.05). 4주 후, CON군의 색 변화량은 2.66, MIL군은 2.10 그리고 DLP군은 10.02이었다. CON군과 MIL군은 유의성 있는 차이를 보이지 않았고(P > 0.05), DLP군보다 유의성 있게 높은 색 안정성을 보였다(P < 0.05, Fig. 3). 따라서 4주동안 평균 색 변화량은 DLP군이 8.33로 유의성 있게 가장 큰 색 변화를 나타냈고, MIL군이 1.61로 가장 높은 색 안정성을 보였으나 CON군의 색 변화량과 유의성 있는 차이는 없었다(P > 0.05, Table 2).

Mean ΔE* at different time intervals when immersed in coffee

1 2 3 4 Average
CON 2.02 (0.51)a 1.44 (0.33)a 2.54 (0.75)a 2.66 (0.66)a 2.16 (0.74)a
MIL 1.17 (0.48)a 1.56 (0.28)a 1.61 (0.33)b 2.10 (0.52)a 1.61 (0.52)a
DLP 5.97 (1.10)b 8.13 (1.00)b 9.20 (1.15)c 10.02 (1.25)b 8.33 (1.88)b

The same superscript small letters indicate no significant differences (P > 0.05).

CON: Conventional method, PMMA; MIL: Subtractive manufacturing, PMMA block; DLP: Additive manufacturing, bis-acrylate resin.



Fig. 3. (A), (B) and (C) are each CON group, MIL group and DLP group. Samples of the first horizontal line (a) are materials after 1 days in distilled water and samples of second (b) and third horizontal line (c) are each materials after 4 weeks in wine and coffee.

그리고 커피 용액에서 침전 기간이 증가함에 따른 각 재료의 색 안정성의 변화를 살펴보면 MIL군은 CON군과 유사하게 1주에서 4주까지 1.17, 1.44, 2.54, 2.66의 값을 보였으나, DLP군은 1주부터 임상적으로 허용 가능한 색 변화의 역치 수준인 3.3보다 높은 5.97의 색 변화량을 보이며 2주에 8.13, 3주에 9.20, 4주에 10.02로 증가하였다. MIL군, CON군 그리고 DLP군 모두에서 시간이 지남에 따라 색 변화량이 증가하였다(P < 0.05, Fig. 4).

Fig. 4. Mean color change values (ΔE*) of materials in coffee increased as the immersion period increased (P < 0.05).

와인 용액에 침전시켰을 때 1주 후, CON군의 색 변화량(ΔE*)은 2.44, MIL군은 1.45 그리고 DLP군은 4.43이었다. 통계학적으로 MIL군이 유의하게 우수하였고(P < 0.05), DLP군은 유의하게 열악한 색 안정성을 보였다 (P < 0.05). 2주 후, CON군의 색 변화량은 2.69, MIL군은 2.13 그리고 DLP군은 5.94이었다. CON군과 MIL군은 유의성 있는 차이를 보이지 않았고(P > 0.05), DLP군보다 유의성 있게 높은 색 안정성을 보였다(P < 0.05). 3주 후, CON군의 색 변화량은 3.32, MIL군은 3.20 그리고 DLP군은 7.53이었다. CON군과 MIL군은 유의성 있는 차이를 보이지 않았고(P > 0.05), DLP군보다 유의성 있게 높은 색 안정성을 보였다(P < 0.05). 4주 후, CON군의 색 변화량은 3.45, MIL군은 3.24 그리고 DLP군은 7.56이었다. CON군과 MIL군은 유의성 있는 차이를 보이지 않았고(P > 0.05), DLP군보다 유의성 있게 높은 색 안정성을 보였다(P < 0.05, Fig. 3). 따라서 4주동안 평균 색 변화량은 DLP군이 6.37로 유의성 있게 가장 큰 색 변화를 나타냈고(P < 0.05), MIL군은 2.51로 가장 낮은 색 변화를 보였으나 CON군의 색 변화량과 유의성 있는 차이는 없었다(P > 0.05, Table 3).

Mean ΔE* at different time intervals when immersed in wine

1 2 3 4 Average
CON 2.44 (0.41)a 2.69 (0.61)a 3.32 (0.44)a 3.45 (0.56)a 2.98 (0.65)a
MIL 1.45 (0.32)b 2.13 (0.67)a 3.20 (0.44)a 3.24 (0.58)a 2.51 (0.92)a
DLP 4.43 (1.28)c 5.94 (0.69)b 7.53 (0.19)b 7.56 (1.10)b 6.37 (1.58)b

The same superscript small letters indicate no significant differences (P > 0.05).

CON: Conventional method, PMMA; MIL: Subtractive manufacturing, PMMA block; DLP: Additive manufacturing, bis-acrylate resin.



와인 용액에서 침전 기간에 따른 각 재료의 색 안정성의 변화를 보면 MIL군은 1주에서 4주까지 1.45, 2.13, 3.20, 3.24의 값을 보였고, CON군은 2.44, 2.69, 3.32, 3.45의 값을 나타냈다. DLP군은 1주부터 임상적으로 허용 가능한 색 변화의 역치 수준인 3.3보다 높은 4.43의 색 변화량을 보이며 2주에 5.94, 3주에 7.53 4주에 7.56으로 증가하였다. CON군, MIL군 그리고 DLP군에서 모두 시간이 지남에 따라 색 변화량이 증가하였다(P < 0.05, Fig. 5).

Fig. 5. Mean color change values (ΔE*) of materials in wine increased as the immersion period increased (P < 0.05).
고찰

치과분야에서 CAD-CAM 시스템의 활용이 점차 늘어나고, 임플란트 시술의 증가로 임시 보철물의 사용기간이 증가되면서,13 임시 보철물의 색 안정성이 더욱 중요해지는 추세이다. 전치부와 같이 심미적으로 중요한 부위에서 임시 보철물의 색은 환자의 만족도와도 연결되므로 심미부위에서 임시 수복의 성공여부는 색 안정성과 변색저항성이라 볼 수 있다. 그러나 선행 연구의 대부분이 전통적인 방식과 PMMA 블록을 절삭가공한 방식을 비교하는 연구에 국한되었으며, 적층가공 방식을 이용해 제작된 임시 보철 재료 간의 색 안정성과 관련된 연구는 부족하다. 이에 본 연구에서는 전통적인 방법과 CAD-CAM 방식 중 절삭가공과 적층가공으로 제작한 임시 보철 재료의 색 안정성을 비교 평가하고자 하였다.

색의 인지는 피로도, 노화, 감정, 빛의 상태, 그리고 조건등색과 같은 조절되지 않는 많은 요인들에 영향을 받지만,14 비색계(colorimeter)나 분광측정기(spectrophotometer)와 같은 기계를 이용하여 색을 측정하면 주관적인 오차를 제거할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 비색계를 이용하여 색을 측정하였으며, 선행 연구에 따라,15 3.3을 임상적으로 허용 가능한 역치 값으로 정하였다.16

본 실험결과 MIL군은 CON군보다 색 변화가 적었으나 커피에 침전한 시편을 3주차에 측정한 값을 제외하고는 통계적으로 유의한 차이가 없었다(P > 0.05). 또한 MIL군은 4주까지 임상적으로 허용가능한 역치보다 낮은 색 변화량을 보였다. 이에 절삭가공을 이용하여 제작한 임시 보철물과 전통적인 방법으로 제작한 임시 보철물은 우수한 색 안정성을 갖고 있다고 볼 수 있다. 절삭가공은 최적의 조건하에서 중합되어 잔존 모노머의 양이 매우 적고 압축으로 기포를 최소화한 블록을 절삭하므로 색 안정성이 뛰어난 것으로 예상할 수 있다.17

DLP군의 색 변화량은 1주부터 임상적으로 허용 가능하지 않은 역치를 넘으며 CON군과 MIL군에 비해 낮은 색 안정성을 보였다(P < 0.05). 이에 적층가공을 이용해 임시 보철물 제작 시 절삭가공에 비해 낮은 색 안정성을 가질 것이라 예상할 수 있으며 이는 제작 방식 및 제작방식에 따른 사용된 재료의 차이로 사료된다. 소재를 적층하는 적층가공의 특성 상 미세구조 표면에 층이 존재할 수밖에 없고 이는 낮은 색 안정성에 영향을 줄 수 있다.18-20 치과재료의 색 안정성에 영향을 미치는 요인은 앞서 언급되었던 중합정도(모노머-폴리머 전환율), 잔존 모노머의 양21 외에도 아민과 중합억제제,22 수분 흡수성, 광개시제의 종류 그리고 외부 물질에 의한 색소의 흡착과 흡수가 있다.23

적층가공에 사용할 수 있는 임시 보철 재료는 여러 종류가 시판되고 있으며, 최근에 소개되는 대부분은 UV 광경화성 수지 형태로 출시된다. 일반적으로 bisphenol-A glycerolatedimethacrylate (Bis-GMA), triethylene glycoldimethacrylate (TEGDMA) 등의 단량체가 주요 성분이며 광개시제로는 다양한 유형의 bis (2,4,6-trimethylbenzoyl) phenyl phosphine oxide (BAPO), diphenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide (TPO), camphorquinone (CQ) 등이 포함된다.24 이 중 TPO나 BAPO는 중합과정의 열로 발생한 유색의 과산화물로 인해 변색에 영향을 준다. TPO보다 BAPO가 큰 색 변화를 일으키며25 함유량이 많을수록 색 변화도 커진다.26 적층가공에 이용되는 3D프린터 재료의 중 합속도는 느리므로 광개시제의 영향을 많이 받으며 낮은 색 안정성에 영향을 줄 수 있다.27 전통적인 방법과 절삭가공에 주로 사용되는 PMMA 기반의 임시 보철 재료는 균질한(homogeneous) 조성을 갖고 있으나 적층가공에 사용되는 임시 보철 재료는 여러 다른 종류로 이루어져 있으므로(heterogenous) 착색용액이 흡수되거나 흡착되기가 용이하다. 착색용액이 물질의 작은 입자들로 침투할 수 있고 색 안정이 떨어질 수 있다.28 또한 높은 수분흡수성도 낮은 색 안정성에 기여할 것이다.29

본 실험에서 커피용액과 와인 용액의 모든 군에서 침전 기간이 커질수록 색 변화가 커지는 것을 관찰할 수 있었다(P < 0.05). 커피용액에서 MIL군은 CON군과 유사하게 비교적 낮은 기울기를 보이며 색 변화량이 증가하였으나 임상적으로 허용가능한 범위 내에 있었다. 그러나 DLP군은 1주부터 임상적으로 허용 가능한 역치보다 높은 색 변화량을 보이며 시간이 지날수록 색 안정성이 급격히 떨어졌다. 와인용액에서 MIL군과 CON군은 커피 용액에서와 마찬가지로 비교적 완만한 기울기로 색 변화량이 증가하였으나 DLP군은 1주부터 임상적으로 허용 가능한 색 변화의 역치를 넘으며 3주까지 가파르게 증가하였다.

적층가공에 사용되는 광경화 수지는 사용 전 충분히 혼합하지 않을 시 색상 편차가 발생할 수 있다고 제품에 명시되어 있으므로 제작과정에서 생길 수 있는 변수도 결과에 영향을 미칠 수 있다. 또한 각 제조사에서 제시하는 특정 3D 프린터로 출력을 권하고 있어 3D 프린터 장비의 광원의 종류나 세기의 차이에 의한 영향도 있을 것이라 예상된다. 각 제조업체의 광경화 수지를 구성하는 주성분과 광개시제의 종류 등은 자세히 공개되지 않으며 각 제품마다 차이가 있으므로 다른 성분의 적층가공 재료의 색 안정성에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

결론

본 연구의 한계 내에서 절삭가공으로 제작된 임시 보철 재료는 전통적인 방법을 이용해 제작한 경우와 유사한 색 안정성을 보였고(P > 0.05), 적층가공으로 제작된 임시 보철 재료에 비해 뛰어난 색 안정성을 보였다(P < 0.05). 시간이 경과함에 따라 적층 및 절삭가공을 이용하여 제작한 임시보철 재료 모두에서 색 변화가 증가하였으나(P < 0.05), 적층가공으로 제작된 임시 보철 재료는 지속적이고 급격하게 색 안정성이 떨어졌고, 절삭가공으로 제작된 임시 보철 재료는 전통적인 방법을 통해 제작된 임시 보철 재료와 비슷하게 안정된 색 안정성을 보였다. 따라서 전치부와 같이 심미가 중요한 부위에서는 절삭가공을 통한 임시 보철물 제작을 추천하며, 적층가공을 이용해 임시 보철물 제작 시에는 색 안정성에 대한 고려가 필요하다.

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September 2021, 37 (3)
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