Abstract

Recently, with the advancement of three-dimensional printing technology in the dental field, 3D printing materials for artificial teeth and temporary crown resins have been developed. Polymerization of these resins can theoretically reach 100%. However, clinical reports indicate that the actual degree of conversion ranges from 43.5% to 73.8%.

The degree of conversion (DC) refers to the extent to which the double bonds (C=C) in MMA react, affecting the strength and hardness of the resin. Unreacted residual monomers can be released into the oral cavity, cytotoxicity risks to pulp and gingival cells. So, degree of conversion of resin is an important parameter in clinical applications.

Therefore, the purpose of this paper was to evaluate the degree of conversion of 3D-printed artificial teeth resin.  

 

 

1. 서론
치과용 아크릴 레진(acrylic resin)은 인공치아, 임시치관, 의치상, 레진 접착제 등 다양한 형태로 사용되고 있다. 아크릴 레진은 메틸메타크릴레이트(MMA; methylmethacrylate) 유도체이며, 치과용 수지의 단량체(monomer) 화합물로 사용된다.

단량체란 중합체(polymer)의 기본 단위 분자를 말하며, 공유 결합을 통해 결합 후 긴 사슬 형태의 고분자(polymer)를 형성한다. 이러한 과정을 중합반응이라 한다. 이런 레진의 중합은 이론상으로 100% 가능하지만, 실제 임상에서 43.5~73.8% 정도의 중합도를 보이는 것으로 보고되고 있다.

중합도는 MMA의 이중결합(C=C)이 반응한 정도를 의미하며, 레진의 강도 및 경도에 영향을 미친다. 미중합된 잔류단량체는 구강 내로 유리되어 치수와 치은 세포 등에 독성을 미칠 수 있다. 때문에 임상에서 레진의 중합도는 중요하다.

중합도를 측정하는 방식으로는 대표적으로 적외선 흡수 분광법(FTIR; Fourier transform infrared spectroscopy)이 있다. 원리는 시료에 적외선 빛을 조사해 특정 분자가 진동을 일으키는데 필요한 빛 에너지를 측정하는 기술이다.

레진 중합도 측정을 위해 FTIR을 이용하면, 단량체로 사용되는 지방족(aliphatic) C=C 흡수피크와, 방향족(aromatic) C=C의 흡수피크를 중합 전‧후의 빛 에너지 흡수 세기 비율을 비교하여 잔류단량체를 구할 수 있다.

최근 치과계에서는 광원을 이용해 적층 가공하는 3차원 프린팅 기술이 발전하면서, 아크릴 레진에 광개시제를 첨가한 3D 프린팅용 인공치아, 임시치관 레진 재료들이 출시되어 사용되고 있다. 따라서 본고에서는 FTIR 기기를 이용하여, 3D 프린팅용 인공치아 레진의 중합도를 평가하였다.

 

2. 연구방법 
1) 연구 재료
중합도 측정을 위해 3D 프린팅용 인공치아 레진(ZMD-100B C&T-A2, Dentis, Korea)을 선택하였다. 중합 후 시편은 디자인 프로그램(123D Design, Autodesk, USA)을 이용해 25 x 2 x 2 mm의 크기로 디자인하여 standard triangulated language (STL) 파일을 얻은 후, DLP 방식의 3D 프린터(ZENITH D, Dentis, Korea)를 이용하여 3개의 시편을 출력하였다.

출력 후 제조사에서 지시하는 절차에 따라 후경화기(ZNITH Cure, Dentis, Korea)를 이용해 광경화를 실시하였다. 

 

2) 중합도 측정(DC; Degree of conversion)
중합 전 레진을 FTIR(fourier transform infrared spectrometer)를 이용해 중합도를 측정하였다. 스펙트럼의 영역은 500~4000cm-1로 설정하였고, 투과도를 측정해 흡수도로 변화하여 구하였다. 중합 후 레진도 같은 조건을 사용해 흡수도를 구하였다. 

단량체와 중합체의 각각 흡수된 지방족의 C=C 피크는 1636cm-1파수에서, 방향족의 C=C피크는 1608 cm-1 파수에서 측정하였다(Table 1).

피크 측정 후 중합도는 아래 공식에 따라 중합 과정에서 지방족C=C 피크와 방향족 C=C피크의 변화 비율을 계산했다.

 

3. 연구결과
3D 프린팅용 인공치아 레진의 중합도를 평가하였다. 측정 결과 40.7~55.6%의 DC값이 보였다(Table 1). 추가적으로 <Fig 2>는 단량체와 중합체의 각각 흡수된 지방족의 C=C 피크와 방향족의 C=C피크를 보여준다.

4. 고찰 및 결론
3D 프린팅용 인공치아 레진의 중합도를 FTIR 기기를 이용하여 평가하였다. FTIR 분석 결과 중합 전‧후의 지방족 C=C 및 방향족 C=C 피크의 흡수도 변화를 통해 잔류단량체를 구할 수 있었다. 실험 결과, 중합도의 평균값은 50.6%로 나타났다.

다른 선행연구에서도 광중합형 레진의 중합도는 43.5~49.3% 값을 보인다고 보고하였는데, 비슷한 결과값을 보이고 있다. 이는 이론상 중합도가 100%에 도달할 수 있지만, 실제 임상 환경에서는 다양한 요인으로 인해 중합도가 낮아질 수 있음을 보여주고 있다. 

본 연구에서는 단일 제품으로만 진행했기 때문에 향후 연구에서는 다양한 3D 프린팅용 레진 제품에 대한 중합도를 비교하는 것뿐만 아니라 중합도에 영향을 받는 기계적 성질 및 생체적합성 평가가 진행되어야 할 것이다.  

참고문헌

① Lin, C.-H.; Lin, Y.-M.; Lai, Y.-L.; Lee, S.-Y. Mechanical properties, accuracy, and cytotoxicity of UV-polymerized 3D printing resins composed of Bis-EMA, UDMA, and TEGDMA. J. Prosthet. Dent. 2020, 123, 349–354

② Pongprueksa P, Miletic V, Janssens H, Van Landuyt KL, De Munck J, Godderis L, Van Meerbeek B (2014) Degree of conversion and monomer elution of CQ/amine and TPO adhesives. Dent Mater 30:695–701

③ Kwaśny M, Polkowski J, Bombalska A. A study on the photopolymerization kinetics of selected dental resins using Fourier infrared spectroscopy (FTIR). Materials (Basel) 2022;15(17);

④ Dantagnan, C.-A.; Attal, J.-P.; Dursun, E. Degree of conversion of 3D printing resins used for splints and orthodontic appliances under different post-polymerization conditions. Search life-Sci. Lit. 2022, 126, 105015.

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