CAD/CAM in Modern Prowsthodontics

우이형 (경희대 보철과 교수) / yhwoo@khu.ac.kr

여러 과정을 거치는 수작업을 통한 기공으로 인한 오차와 기술력의 차이에 따른 오류를 줄이고 항상 일정한 보철의 제작이 가능하고 고강도로서 심미적인 수복이 가능한 시스템으로 빠른 전환이 시작되었고 이것이 세계적인 추세이며 우리도 이에 앞서가는 시스템을 개발하는데 더욱 노력해서 초정밀 수복을 위한 목표로 앞서갈 수 있었으면 하는 생각이다.

치과의사와 환자 모두가 열망하는 것은 자연스러운 수복이라고 해도 과언이 아니다.
최근까지는 자연스런 회복을 위하여 주로 사용되는 재료로는 도재를 들 수 있으나 도재로서 bridge를 제작하기에는 충분한 강도를 지니지 못하는 것을 우리는 잘 알고 있다. 1975년에 McLean은 도재로서 bridge 가능하기 위해서는 300MPa 이상의 굴절 강도가 필요하다고 하였으나 이런 재료는 최근에 In-Ceram이 개발되기까지는 없었다.
따라서 반드시 도재를 보강하기 위한 금속 하부구조의 사용이 필수적이었다. 금속 하부구조를 사용하므로서 강도를 증가시키고 적합도를 개선할 수 있는 있지만 금속에 의한 빛의 차단으로 인한 심미적인 문제는 해결이 어려웠다.
또한 최근에는 언론 매체뿐만 아니라 여러 단체와 기관 등에서 치과 재료의 생체 친화성에 관한 관심이 커지고 있다.
그러나 도재용 금속은 고온에서도 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지기 위하여 수종의 비귀금속을 사용하게 되는데 이들이 여러 국소적 또는 전신적인 알레르기나 과민반응을 유발 할 가능성이 있기 때문에 다들 이에 관심을 가지게 되고 환자들도 따라서 생체친화성 있는 재료의 사용을 원하게 되고 있다.
가장 생체 친화성이 있는 재료는 도재이다. 그러나 지금까지 완전 도재관을 사용하기 어려웠던 점은 앞서 언급한 물성의 취약성이 문제가 되었지만 이런 물성은 최근에 알루미나 또는 zirconium의 사용으로 개선되었다.
문제는 도재가 지니는 소성시의 수축에 의한 변연 적합성을 얼마나 개선하는 것이냐 하는 것이다. 소성은 결국은 수축을 동반한 변형을 가져오므로 기존의 소성 방법으로는 원하는 적합도를 얻기는 어렵다.
따라서 In-Ceram은 aluminum oxide를 일차 소성한 다음에 여기에 glass를 침투시켜서 원하는 강도를 얻고 있고 다른 재료로는 heat press 또는 주조 등의 방법으로 소성을 피하고 적합도를 개선하고자 하는 방법으로 기술이 개발되었다.
이러한 방법들도 결국은 변연 적합도가 항상 일정하게 제작되기가 어렵고 소성을 이용하는 것이므로 원하는 강도 등의 물성을 얻기에는 역부족이었다.
적합도도 결국은 열처리에 의한 일종의 소성 방법이므로 열에 의한 수축이나 변형이 발생하기 쉽다.
최근에는 금속 수복물의 경우에도 1902년에 lost wax technic이 치과에 도입되므로 인하여 비교적 우수한 정밀 적합을 얻게 되었지만 이 또한 다단계의 열처리 과정을 거치게 되므로 변형이 발생할 가능성이 크고 실제로 원하는 적합을 얻기가 쉽지 않았다.
따라서 이러한 열을 이용한 제작 방법보다는 최근 공학적으로 많이 사용되는 CAD/CAM을 이용한 방법에 착안한 새로운 제작 기술이 발달하여서 사용되고 있으며 처음에는 주로 밀도나 낮고 쉽게 산화막이 과도하게 형성되어 주조가 어렵지만 가장 생체적합성이 좋은 금속으로 알려진 타이타늄을 이용한 수복을 위한 방법으로 1981년에 개발된 Procera System이 최초의 CAD/CAM system으로 주로 임플란트 보철에 사용되었다.
그러다가 고농도의 알루미나의 개발로 도재의 milling에 사용되기 시작한 것이 최초이며 최근에는 전세계적으로 CAD/CAM system의 개발이 활발하게 진행되고 있고 국내에서 제작한 system도 우수한 결과를 나타내고 있다.
특별히 완전 도재관은 심미성과 생체 친화성으로서 매우 우수한 장점을 지니고 있으며 최근 심미치과에 대한 관심의 증가로 그 사용이 급증하고 있다. 그러나 앞서 언급한 것처럼 강도와 적합성 등의 문제로 인하여 적용 범위는 현재로선 제한적일 수밖에 없다.
그러나 제작방법은 다르지만 In-Ceram이 처음으로 고농도의 알루미나를(85%) 수복용으로 사용한 이후에 Procera System은 CAD/CAM을 이용하여 높은 순도의 aluminium oxide(Densely sintered pure aluminum oxide, Al2O3>99.5%)를 농축, 소결하는 제작 시스템을 개발하여 더욱 우수한 물성을 가진 보철 수복이 가능해졌다.

이러한 도재 수복은 과거의 도재에서 보다 높은 밀도를 지니므로 고강도를 보이므로 신뢰성 있는 수복이 가능해 졌고 최근에는 가급적이면 치질 삭제를 적게하는 minimal invasive preparation을 추구하므로 고강도 core는 결국은 치질삭제를 줄일 수 있게 하므로 과거에 생각하던 도재를 위해서는 2mm 정도의 과도한 삭제를 배제할 수 있는 장점이 또한 있다.

최근 crown 삭제 개념
최근의 crown 삭제의 개념을 살펴보면 다음과 같다.
1. Minimal invasive preparation
2. Optimized emergence profile
3. High strength ceramics
4. Predictable esthetic outcome
5. Fast digital communication
6. Esthetic(metal free) post & core
7. Natural brightness, translucency
8. No metal substructure
9. Esthetic palatal aspect
10. Bonded margin
11. Esthetic cement
12. Hybridized tooth surface
13. Radiolucency

이를 요약하면 얼마나 적은 삭제를 하면서 자연감을 부여하는가 하는데 성공의 열쇠가 있는 것이다. 지금까지 자연치와 완전 도재관에 관한 색조 조화의 문제에 관한 많은 연구들이 있다. 가장 많이 사용되는 금속-도재관은 비교적 심미적인 개선과 함께 매우 우수한 강도를 부여하는 것이 장점이다.
그러나 이 재료의 단점은 금속 하부 구조색을 차단하기 위한 opaque 도재의 사용으로 인하여 높은 빛반사율을 가진다는 것이다.
완전 도재관은 이것에 비하여 매우 우수한 심미성을 부여하는 것이 사실이다. Kelly등은 심미성의 조절과 재료 선정의 최우선 과제 중의 하나는 core 재료의 translucency라고 하였다.
도재의 translucency는 1. 도재의 두께 2. 결정구조 3. 소성 회수 등에 의하여 경정되는 것으로서 앞서 언급한 여러 사항 중에서 가장 중요한 부분이며 이것이 금속-도재관과의 절대적인 차이를 완전 도재관에서는 가지게 되는 것이다.
몇몇 완전도재관 재료는 비교적 높은 빛 산란율을 지닌다. 만약 빛의 대부분이 도재를 통과하여 산란과 분산이 이루어지면, 그 재료는 opaque한 특성을 보일 것이다. 또한 빛의 일부분이 산란되고 대부분은 투과분산되면 이 재료는 translucent한 느낌을 줄 것이다. 흡수, 반사 그로고 투과되는 빛의 양은 core 재료내의 crystal의 양과 그들이 화학적 특성 그리고 투사되는 빛 파장과 비교한 입자 크기에 따른다.
빛 파장과 유사한 크기의 입자를 가진 경우에는 산란효과가 극대화된다. 입자의 화학적 특성과(흡수에 관여) 입자의 한 재질에 대한 상대 굴절률이 산란의 총량에 영향을 미친다. 작은 입자로 구성된 재료는(약 0.1micron의 직경)흡수보다는 표면에서의 굴절이 높다.
그러나 커다란 입자의 재료는 입체당 입자의 숫자가 적기 때문에 산란이 낮고 따라서 낮은 opacity를 지닌다.
최대의 산란과 opacity를 위해서는 입자의 크기를 빛 파장 보다 크게 하고 다른 굴절률을 가진 재료를 사용하므로서 얻어진다. 이 효과는 가장 opaquing effect가 큰 zirconium oxide을 들 수 있다. 완전 도재 시스템은 다양한 결정 구성과, 굴절율, 그리고 추천되는 다양한 제조 공법과 함께 다양한 강도를 나타낸다.
Lund등의 실험에 의하면 완전 도재관 core 재료에서 일정 범위의 반투명율을 발견하였으나 이 시편은 임상적인 모형으로 제작한 것은 아니다.
지금에서 중요한 것은 가장 적절한 반투명성의 core의 선택과 이에 맞은 도재를 통하여 자연치와 유사한 심미적 수복을 하는 것이다.

Procera  system
Procera 이전에도 CAD/CAM system이 있었지만 종래의 CAD/CAM 시스템은 CAD 부분과 CAM 부분이 일체화 되어있어서 두 부분을 모두 갖춰야만 제작이 가능하지만 Procera system은 CAD 부분(모형을 scan하여 수치화 하고 그 정보를 처리하는 부분)과 CAM 부분(실제 그 정보를 기초로 하여coping을 제작하는 부분)이 종래의 시스템보다 우수한 정밀도를 지니고 있으며 CAD 부분과 CAM 부분이 분리 되어서 cad 정보를 전송하면 세계 두 곳에 설치된 CAM lab.에서 전송 받은 자료를 가지고 균일화된 그리고 높은 정밀도의 coping의 제작이 가능한 것이 장점이다(약 40~60micron).
이 시스템을 이용하면 치과 기공사는 축성할 도재부분에만 집중을 하면 되므로 우수한 보철 제작이 가능하다.
Procera coping 제작 시 필요한 치아모형의 정보는 끝부분에 부착한 사파이어 볼을 이용한 계측 proboing으로 45각도로 치아모형을 나선형으로 주사해서 약 20,000~50,000 point가 넘은 계측점을 수치화해서 컴퓨터 화면 위에 화상으로 옮기게 된다.
프로그래머가 이 자료를 검토하고 변연 설정 및 조정 이후에 Procera Center로 이 자료를 보내게 된다.(그림 1~6)
이 scanning이 적합도를 좌우하므로 다음과 같은 사항을 주의해야 한다.

1.명확한 변연삭제
변연은 round type의 shoulder margin과deep chamfer type의 변연형성이 계측의 정확성을 위하여 요구된다, scanner probe ball의 직경이 2mm이므로 이보다 좁은 경우에는 정확한 측정이 어렵다. 그리고 변연은 가능한한 부드러운 곡선으로 이러지는 것이 중요하다.(그림 7)

2. 변연 하부
변연 하방은 약간 undercut 형태가 되도록 trimming 하방이 일반적인 보철용 다이의 trimming이 유사하게 하면 된다.

3. Clearance의 설정
이 시스템을 이용한coping은 시멘트 두께를 사전에 설정, 확보한다. 이 두께는 약 50micron 정도이다. 또한 coping은 자체 강도 보정을 위하여 최소한 약 0.3mm의 두께가 필요하다, 그 위에 0.7mm(최소)의 도재 축성을 가산하면 약 1mm 이상의clearance가 필요하다. 이는 삭제 전에 진단조각을 인기한 것을 이용하거나 임시수복을 이용하면 최종 수복의 두께를 명확하게 할 수 있다.

4. 변연 상부
변연 상부에 undercut이 없도록 하는 것이 삭제시에 중요하며 만약 undercut이 발생한 경우에는 사전에 그 부위를 blockout해야 한다.
모든 표면은 부드럽게 삭제되어야 하고 표면이 너무 거칠거나 요철이 심한 경우에는 재삭제를 해야 한다.

5. Procera coping의 특징
이 시스템은 제작방법이 파절강도는 다른 회사의 도재 coping에 비하여 650MPa으로 매우 우수한 강도를 나타낸다.
색조는 VITA Shade guide의 A1과 A2에 해당하는 유백색으로서 축성할 도재의 색조에
영향을 미치지 않는 장점을 가진다.

6. Procera coping의 검사
적합도와 두께 등을 검사한다. 도재 축성을 위하여 미세 조정이 가능하며 가능한한 물을 뿌려가면서 입자가 적은 diamond point로 현미경을 이용해서 조정한다.

7. 도재 축성
도재는 일반적인 도재 축성 방법으로 축성한다.
다만 이때 중요한 것은 coping의 열팽창 계수와 조화되는 body porcelain을 선정해야만 소성 중에 균열이나 파절을 방지할 수 있다.
도재는 자연치열과 가장 잘 조화가 되는 치과 재료임을 누구나 부인할 수 없다.
도재관은 형태, 크기, 표면질감 그리고 투명도 등에 있어서 다른 재료보다 월등한 우수성을 지니고 있다. 이것이 세계적으로 거의 표준화 되었다고 생각되는 Procera system이다.
이 시스템은 알루미나를 코아로 사용하기 때문에 치아색조를 도재 축성으로 비교적 쉽게 얻을 수 있다. 하지만 시스템 자체가 고가인 것이 가장 큰 단점이지만 또한 가장 신뢰성이 높은 시스템이기도 하다.

국내 개발된 CAD/CAM system
이어서 국내 기술로 개발된 CAD/CAM system을 간단히 설명하기로 한다.
이 시스템의 특징은 비교적 저렴하고 간단한 기계 장치를 이용한다는 것과 알루미나 보다 강한 zirconium을 사용하는 것이다.

물체의 균열 발생 원인은
1. Shape & thickness of the restoration
2. Microstructural inhomogeneities
3. Size & distribution of surface flaws
4. Residual processing stresses
5. The magnitude, direction & frequency of the applied load
6. The restoration-cement interfacial defects
7. The elastic modulus of the restoration components
8. Environmental effects 등이다.

zirconia를 사용하므로서 다른 어떠한 재료 보다 높은 강도로 균열을 줄이는 것이 가능하게 되었다.
현재 이 시스템은 임상적으로 성공적으로 사용되고 있으나 zirconia 자체가 너무 밝은 유백색을 지녀서 이를 도재 축성으로 효과적으로 차단시키기 어려운 단점이 있다.
그러나 zirconia core 자체를 착색을 시켜서 유백색을 차단하려는 실험이 진행되고 있으므로 빠른 시일 내에 효과적인 개선이 가능하리라 생각된다.
지면관계상 간략히 설명하였지만 앞으로는 여러 과정을 거치는 수작업을 통한 기공으로 인한 오차와 기술력의 차이에 따른 오류를 줄이고 항상 일정한 보철의 제작이 가능하고 고강도로서 심미적인 수복이 가능한 시스템으로 빠른 전환이 시작되었고 이것이 세계적인 추세이며 우리도 이에 앞서가는 시스템을 개발하는데 더욱 노력해서 초정밀 수복을 위한 목표로 앞서갈 수 있었으면 하는 생각이다.