2007 심미치과의 새로운 경향
지르코니아를 이용한 보철
우이형
경희대학교 치의학전문대학원 보철학교실
yhwoo@khu.ac.kr
완전 도재관의 사용은 1930년대에 Land에 의하여 사용이 시작되었다. 그러나 제작 과정이 매우 복잡하고 물리적 성질이 만족스럽지 못하여 일단의 시도로 끝나고 말았다.
더욱이 레진의 발달로 인하여 완전 도재관은 점차 그 자리를 레진에게 물려주었으나, 잘 아는 것처럼 레진의 낮은 마모 저항성 및 체적 불안정 등으로 인하여 다시 도재에 관한 관심이 늘어갔지만 앞서의 실패로 인하여 도재만을 이용하기 보다는 금속과 도재를 이용한 금속-도재수복이 주를 이루기 시작하였다. 금속을 사용함으로써 강도와 적합성이 향상되어서 최근까지 치과 수복의 주류로서 자리를 잡고 있다.
그러나 금속이 가지는 문제로써 부식과 이로 인한 알려지나, 과민반응과 같은 이온의 유리에 의한 독성에 관한 문제와 금속에 의하여 특별히 치은부의 검게 변화는 현상 등이 환자와 치과의사에게는 매우 신경을 거슬리게 하는 사항이다.
치과수복의 3대 목표인 발음, 저작 그리고 심미성의 개선에 있어서는 어느 정도 만족스런 결과를 쉽게 얻을 수 있는 있지만 최근의 화두인 생체적합성면에서는 매우 문제가 되는 사항이다. 생체 적합성은 이는 건강과 바로 직결되는 문제로서 치과 치료에서 가장 우선적으로 고려해야하는 사항이 되었다.
따라서 1960중반에 Dr. McLean에 의하여 알루미나를 첨가한 Porcelain Jacket Crown이 소개되어서 제대로 된 완전 도재관이 시작되게 되었다.
그러나 초기 완전 도재관은 물성의 한계로 인하여 적응 범위도 좁고 수작업을 통하여 제작하므로 적합도도 일정한 우수한 상태를 얻기 어려운 경우도 많았다. 특히 파절은 매우 빈발하는 잘못의 하나였으므로 이를 개선하기 위하여 두꺼운 두께가 필요하므로 전체적인 삭제량이 매우 증가하는 것도 문제의 하나였다.
따라서 도재의 물성을 향상시키기 위하여 금속-도재용에 사용하던 장석 도재에서 일부 백류석을 포함시켜서 강도를 강화 시킨 완전 도재관 재료와 알루미나를 주성분으로 코아를 제작하여 사용하는 방법이 1980년대 후반부터 등장하기 시작하여 대중화된 사용을 가져오게 되었다.
가장 대표적인 것이 백류석이나 lithium disilicate를 주성분으로 하는 empress계열과 알루미나나 spinell을 주성분으로 하는 In-Ceram계열로 대별되었다.
이것의 차이는 전자는 도재자체에 추가성분을 이용해서 강도를 증가시키는 것이었고 후자의 경우는 강화된 재료를 이용한 코아를 제작하고 그 위에 일반 도재를 축성하는 즉 금속을 강화 도재 코아로 대체하는 것이었다.
따라서 코아가없는 Emrpess는 매우 심미적이나 물성이 낮아서 적응 범위가 좁았고
<그림 1>은 심미치과수복용 도재의 사용을 간략하게 분류한 표이다
In-Ceram은 강도가 높아 적응 범위가 Empress 보다는 넓지만 내부의 탁한 색조의 코아로 인하여 Empress 보다는 물리적인 장점은 가졌지만 심미적으로는 문제가 약간 있을 수 있었다.
그러나 두 재료 모두 도재 축성기술의 발달로 금속-도재에 비하여 매우 심미적인 수복이 가능하게 하는 계기를 제공한 것만은 틀림없다. 이 두 제품 이전에도 몇 가지의 완전 도재관 제품이 소개되었으나 만족스런 결과를 얻지 못하고 치과 시장에 일부는 아직도 사용되고 있으나 일부는 이미 사라진 것도 있다.
그 이유는 무얼까?
간단히 말해서
1) 제작 과정의 복잡성
2) 정밀성의 결여
3) 취약한 물성
4) 일정하지 않은 수준의 기공물
5) 제한된 적응증 등의 이유로 퇴장하였다.
치과용 도재의 강도를 증가시키는 방법은 도재의 열처리, 알루미나의 첨가, 백류석의 사용이나 접착기술의 개선 등이 있지만 한계성을 가질 수밖에 없다.
도재는 특성상 1)Ploycrystalline ceramics, 2)Glass Infiltraed ceramics, 3)Glass-Ceramics로 나뉘며 앞에서부터 각각 지르코니아, In-Ceram, Empress가 이에 속한다. 완전 도재관은 앞의 3성분 중에서 polycrystalline ceramics가 많이 포함되면 강도가 증가되고 반대로 Glass가 주성분이 되면 심미성이 증진되는 특징을 가진다.
따라서 Empress는 glass가 주성분이므로 심미적인 면은 높지만 강도가 떨어지므로 앞서 언급한 것처럼 사용 범위가 좁기 때문에 In-Ceram이 이의 대체 수복으로 사용되었으나 이는 수작업으로 코아를 제작하므로 코아의 적합도가 숙련도에 따라서 매우 다양한 것이 문제이다.
1) 왜 지르코니아인가?
새로운 극단의 심미적인 요구를 만족시키기 위하여 다양한 새로운 완전 도재 시스템들이 개발되었고 완전 도재관의 사용은 기하급수적으로 증가하고 있다. 도재는 우수한 심미성, 생체 친화성 그리고 장기간의 안정성을 제공하는 재료이다. 이러한 도재 중에서 최근에 가장 각광을 받는 것이 바로 'Zirconia'이다.
지르코니아는 자연 상태의 광물질로 지구상에 많이 존재하며 우수한 물성과 물에 녹지 않고 우수한 안전성으로 인하여 20여년 전부터 공업용 및 의학용으로 많이 사용되고 있다.
치과에서는 포스토와 코아, 교정용 브라켓, 국소의치의 framework, 임플란트 fixture와 임플란트 abutment로 사용되기 시작하였다. Zirconia는 구치부 수복과 같은 높은 하중을 받는 부위에서 multiunit all-ceramic 수복이 가능한 믿을만한 재료이다.
비록 아직 5년에서 10년 정도의 새로운 재료이고 몇몇 대학 등에서 보고한 바에 의하면 단기간의 사용에서 특별한 실패는 아직 보이지 않을 정도로 우수한 재료이다.
Zirconia(ZrO2)는 알루미나(Al2O3)가 aluminum 금속의 산화물인 것처럼 zirconium 금속의 산화물이다. 지르코니아는 첨가되는 소량 원소에 따라서 다양한 결정 형태로 존재하는데 예컨대, CaO, MgO, yttria(Y2O3) 또는 ceria(CeO2) 등이 추가된다.
이런 결정들은 실온에서 소량원소에 의하여 안정화 된다. 만약 적정량의 소량원소를 추가하면 완전히 안정화된 입방체로서 소위 가짜(?) 보석류인 입방체 지르코니아가 되고, 3~5wt%의 소량을 첨가하면 부분적으로 안정화된 지르코니아가 된다.
Tetragonal zirconia phase는 안정되어 있지만 외력이 가해지면 monoclinic phase로 변환되면서 약 3%의 체적이 증가된다. 이 체적 변화가 균열로부터 에너지를 차단하여 균열의 파급을 중지시키는 역할을 한다. 이를 소위 'transformation toughening'이라고 한다. 또한 체적 변화는 입자 주변에 압축 응력을 발생시켜서 더 이상의 균열 성장을 방지한다.
많은 자연치아들의 법랑질에 균열이 발생하드라도 전치 치아에 그 균열이 전파되지 않는다. 이런 균열은 법랑-상아 경계의 독특한 연결 상태에 의하여 차단될 수 있다. 지르코니아의 균열 차단 효과가 자연치의 그것과 유사하다. 더 나아가서 지르코니아 코아는 내면의 고도 응력 부위인 치아 삭제에 의하여 발생된 예리한 선각, 내면 조정을 위한 삭제, 그리고 저작 또는 구강내 열 변화에 의하여 발생되는 응력에 대한 높은 저항성을 가진다.
Transformation toughening은 지르코니아에 우수한 물성을 제공해서 900MPa에서 1.2GPa의 높은 굴절 강도를 나타낸다. 또 다른 장점은 생체 친화성이 있다는 것이다. 기계적인 성질은 코핑과 연결부의 두께를 줄일 수 있게 하며 결과적으로 치질 삭제를 적게 하는 장점이 있다. 또한 이러한 성질이 longer-span FPD로서 4, 5, 6unit 나아가서 회사에 따라선 전악 보철도 one unit으로 제작하는 경우도 있다.
지르코니아 함유 재료의 밀링 방법은 몇 가지가 있다. 100%의 지르코니아를 사용하는 경우에 기본적으로 두 가지 방법이 사용된다.
하나는 100% 소결된 지르코니아를 직접 밀링하는 것이다. 이것은 매우 단단한 밀링 기기를 요하는데 이는 매우 단단한 재료를 밀링하기 위하여 크고 무겁게 제작된 기계이다.
밀링 시간은 코핑에 따라 다르지만 대략적으로 2~4시간이 소요된다. 이 방법의 장점은 밀링 후에 소결할 필요가 없다는 점이다. 따라서 수축도 없고 처음 계획한 그대로 제작이 되지만 단점은 긴 밀링 시간과 밀링 바의 빠른 마모이다.
<그림 2> 3종류의 치과용 도재의 특성
<사진 2>는 3종류의 치과용 도재의 특성을 보여주는 사진이며 물성을 비교하면 지르코니아가 3배 이상 높은 강도를 보여주는 것을 알 수 있다.
이러한 우수한 성질을 가지고 있지만 지르코니아는 매우 단단한 물질이기 때문에 수작업을 통하여서는 정밀 제작이 어려운 것이 단점이다.
따라서 In-Ceram 지르코니아는 지르코니아에 알루미나를 첨가하여 가공이 용이하게 한 장점을 가지나 물성의 큰 증가를 이루지 못하였다.
매우 단단한 물질을 이용해서 저렴한 비용의 효과적인 제작 방법은 high-tech을 이용한 CAD/CAM을 이용하여 공업적으로 매우 높은 물성을 가지게 제작된 지르코니아를 제작하므로 인하여 정밀한 코아의 제작이 가능하다.
아래 <표 1>는 최근 사용되고 있는 치과용 CAD/CAD을 정리한 것이다.
<표 1> 최근 사용되고 있는 치과용 CAD/CAD
2) T-M Transformation
지르코니아는 Tetragonal phase에서 열을 가하거나 외부에서 충격을 가하면 monoclinic phase로 상의 변이가 생기면서 약 3~5%의 체적 팽창을 가져오기 때문에 crack의 전파를 방지하는 소위 'self healing mechanism'을 가지고 있기 때문에 외부 충격에 대하여 매우 강한 'heal growing crack'이라는 파절방지 효과를 보인다.
지르코니아는 치과용 밀링을 위하여 두 가지 상태로 공급되는데 그중 하나는 green sinterimg이라 해서 presinter된 상태로 공급되는 것으로서 이는 매우 부드러워서 쉽게 밀링이 가능한 장점을 가지고 있다. 그러나 postsintering 과정을 통하여 강한 물성을 부여 받고 적합을 이루게 되는데 이를 위하여 green sintering 상태는 약 30% 정도 크게 밀링한 후에 소결을 통하여 적합과 강도를 얻는 중에 경우에 따라서는 적합이 만족스럽지 못한 단점을 가진다.
또 하나의 방법은 dense sintering 또는 white sintering이라 해서완전 소결된 상태로 밀링 하는 것으로서 추가 소결이 필요 없기 때문에 수축의 문제가 없으나 밀링시간이 긴 것이 단점이다.
최근에는 전소결을 이용하여 밀링 시간을 줄이고 컴퓨터로 수축률을 보상하는 green sintering을 더 많이 사용하고 있다. <표 2>에 몇몇 제품을 간략히 정리하였다.
<표 2> Dental Materials and their Specific Process Possibilities
3) 3차원 표면 scanning
표면의 3-D scanning(recording)과 이를 디지털 데이터로 전환하는 것이 컴퓨터 스크린 상에서 실제적인 치과 수복 설계를 위하여 필요하다.
최종 목표는 충분히 많은 계측점을 가지는 dot matrix(digital surface)와 실제 작업 모형과 같은 상의 왜곡이 없는 상을 재현하는 것이다. 치아 삭제의 3-D 상의 질이 최종 절삭된 수복물의 내면과 변연 적합을 좌우한다. 이것은 모든 dot matrix의 삼차원적 치수가 일정하고 균일한 질을 가질 때에 CAD/CAM 시스템의 전체 과정의 일정한 결과를 얻을 수 있는 것이다. 계측점의 수자가 dot matrix의 질과 정밀도를 나타내는 것은 아니다. 최근의 치과용 digital 3-D scanning device(digitizer)는 3가지로 대별된다.
1. Mechanical scanner
이 시스템들은 표면을 detect 하고 기록하는데 ball(Procera) needle, 또는 pin(1997년 까지의 Precident DCS)을 사용한다.
Needle과 pin은 표면의 undercut을 재현하지 못한다. 더욱이, 이 시스템들은 digitizer의 크기가 제한되어 있다. 이것들의 특징은 시간이 많이 걸리고 dot matrix의 불규칙한 데이타가 발생할 수 있다.
2. Intraoral scanner
Cerec system은 삭제된 치아와 인접치아의 해부학적 구조를 기록하고 이를 3-D dot matrix로 전환할 수 있다. 개선된 Cerec 3는 삭제된 치아의 다양한 image를 조합하여 하나의 digital surface로 만들 수 있다. 이 numeric matching process는 데이터를 상실을 가져온다.
만약 scanning할 대상이나 계측 기기가 한 계측점에서 다른 계측점으로 기준 축(x,y,z) 상의 기준점과의 관계성 없이 이동하게 되면 종합적인 수치계산이 dot matrix를 얻기 위하여필요하다. 이런 문제점에도 불구하고 발전된 Cerec 3 system은 단일 치아 뿐 아니라 여러 인접 치아도 scan이 가능하고 이들을 하나의 화면에 나타낼 수 있다(Cerec 3D).
최근에는 구강 카메라를 가진 또 다른 시스템이 소개되었다(Evolution 4D).
3. Optical scanner
표면에 대한 광학적 판독은 백색 또는 생광 또는 레이져 빔을 통하여 가능하다. 얻어진 데이터는 선, 그림 또는 점으로 연결되고 이는 차후에 dot matrix로 전환된다. scan 하려는 물체주변의 undercut을 포함해서 계측하기 위하여는 물체나 기구를 기울이거나 회전 시켜야 한다.
최종적으로 scan하려는 물체를 부착한 상태에서 다양한 선, 상, 또는 점들(계측)은 어떤 기준점 하에서 수치적으로 상호 관련성을 가지게 되어(즉, 개개의 계측은 서로 연결되어) 정밀한 matrix를 만들어 낸다.
Procera, Cerec과 DigiDent의 scanner의 정밀도는 많은 연구에 의하여 입증되었다. 각 시스템들의 취급 방법, 계측 시간, 계측 방법, 각 수복 적응증은 다르다고 할 수 있다.
scanner의 주된 사용기준은 다음과 같다.
1. indication(dies, cavities, FPD)
2. Perception of the preparation line
3. Perception of undercuts
4. Time needed for scanning die
5. Time needed for scanning a full arch of teeth
6. Precision of measurements
7. Mounting system for die and model
8. Number of axes
9. Resolution of the charge-coupled device(CCD) camera
10. Format of the outgoing data
4) 치아 삭제
일반적인 치아 삭제와 크게 다를 것은 없다. 다만 스캐너가 읽기 쉽도록 모든 변연은 부드럽게 마무리하는 것이 가장 중요한 key point이다.
<사진 3, 5>와 같이 삭제하게 되면 정확한 스캔이 안되어서 부적합을 가져온다. 반드시 <사진 4>와 같은 부드러운 삭제가 중요하며 이점만 명심하면 일반 보철과 다를 것은 없다.
지르코니아의 이런 심미적, 생체적합성 및 우수한 적합도의 장점들이 있지만 악간 관계가 좁거나, 동요가 있는 지대치, 심한 악습관 환자에게는 사용이 금기이며 각각의 지대치에 적합이 불량한 경우는 납착이 안되므로 인상을 다시 채득하고 재제작을 해야 한다.
지르코니아는 매우 우수한 생체적합 재료이며 CAD/CAM 또한 충분히 적합성을 얻을 수 있는 장비이고, 특히 국내 기술로서도 개발되어 잘 사용되고 있기에 전통적 제작 방법을 대신한 우수한 재료 및 방법이라고 생각되어 일반 보철 및 임플란트 보철에도 만족스런 결과를 얻을 수 있다고 생각된다.
<사진 6>은 간략히 최근 사용되는 주된 제품을 정리한 것이다
임상 증례
<사진 7, 8>양 측절치의 심미적 문제로 내원한 환자의 사진이다. <사진 9>LAVA system으로 수복한 측절치의 사진이다.
<사진 10>상악 전치가 치주적인 문제로 치간 사이의 공간을 주소로 내원하였다. 이런 경우는 한 번의 삭제는 치수 노출 위험이 있으므로 3-step 삭제를 통하여 치수 노출을 막을 수 있다.
<사진 11> DigiDent로 제작한 4전치 완전 도재관이다.
<사진 12>수복된 사진이다.
이렇게 완전 도재관을 수복한 경우는 열 차단 효과로 인하여 장착 후 과민 반응을 거의 볼수 없다.
<사진 13> 잘못된 완전 도재관으로 인하여 불량한 변연 적합과 파절 등으로 내원하였다
<사진 14> 제작된 완전 도재관이다.
<사진 15> 장착 후의 사진으로서 매우 심미적이며 우수한 적합성을 볼 수 있다.
<사진 16>전치부 접착보철이 치주질환으로 인하여 탈락한 사진이다. 역시 치수보호를 위한 3-step 삭제를 하였다.
<사진 17>제작된 지르코니아 보철이다.
<사진 18>장착 후 교하변 사진으로서 치료 전과 비교시에 개선된 것을 보여준다.
<사진 19>전방 사진으로 심미적인 수복이 가능하였다.
*약력
경희대학교 치과대학 졸업
경희의료원 치과병원 보철과 수련
同대학교 대학원 석사, 박사
現 경희대학교 치과대학 교수
독일 튜빙겐대학교 방문 교수
現 경희대학교 치과대학 보철과장
전문 : 신년 기획특집으로 지르코니아 블럭 준비하면 관련 연구와 임상에 저명한 경희치대 우이형 교수의 임상증례와 조언 앞으로의 지르코니아의 미래를 듣기 위해 기고 준비하였다.
발문 1 : 치과수복의 3대 목표인 발음. 저작 그리고 심미성의 개선에 있어서는 어느 정도 만족스런 결과를 쉽게 얻을 수 있는 있지만 최근의 화두인 생체적합성면에서는 매우 문제가 되는 사항이다. 생체 적합성은 이는 건강과 바로 직결되는 문제로서 치과 치료에서 가장 우선적으로 고려해야하는 사항이 되었다.
발문 2 : 새로운 극단의 심미적인 요구를 만족시키기 위하여 다양한 새로운 완전 도재 시스템들이 개발되었고 완전 도재관의 사용은 기하급수적으로 증가하고 있다. 도재는 우수한 심미성, 생체 친화성 그리고 장기간의 안정성을 제공하는 재료이다. 이러한 도재 중에서 최근에 가장 각광을 받는 것이 바로 'Zirconia'이다.
