치과 올 세라믹의 발전과 그에 따른 특성의 변화

Changes in the characteristics according to the development of dental all ceramic systems

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Abstact
 Dental prosthesis to replace the prepared region of the tooth is made of materials that can recover fully the function of the teeth,  and as one of these materials, “all-ceramic systems" have been reported. New materials and process technologies of these systems have been incredible advances for the past 30 years.
 This review describes overall understanding of dental ceramic to provide useful information for dental technicians.

* 교신저자 : kuc2842@korea.ac.kr

서론
지금까지 생물학적 그리고 기계적 특성과 관련하여 사람의 치아를 완전히 대체하는 재료는 발견되지 않았다[1]. 사람의 치아는 합성수지, 세라믹, 그리고 합금과 같은 치과 수복재료와 비교할 때, 더 나은 생체적합성과 기계적 특성 그리고 좀 더 복잡한 미세구조를 갖는다[1]. 이러한 속성은 사람의 치아에 효율적인 저작능력을 부여하여 음식물을 저작하는 동안 갈고, 절단하고, 잡아 찢는 등의 특수한 기능을 수행할 수 있게 한다[2]. 하지만 치아 우식 등과 같은 질환으로 인하여 사람의 치아는 일생동안 그 기능을 다 하기 어려우므로, 이 경우 우식부위 등을 삭제하여 보철물로 수복하는 방법이 적용되어 왔다.
 삭제된 부위를 대체하는 보철물은 앞서 언급한 치아의 기능을 최대한 회복할 수 있는 재료를 사용하여 제작되어야만 했다. 그리고 이러한 재료 중 하나로서 “올 세라믹 시스템”은 지난40년 동안 치과분야에서 놀라운 발전을 이끌며, 이에 대한 새로운 재료들과 첨단 공정 기술들이 점차 소개되기 시작했다[3].
본 리뷰에서는 치과 올 세라믹 시스템에 대한 전반적인 이해와 그 특성에 대해 시리즈로 기술함으로써 치과기공사들에게 임상학술적으로 핵심적이라고 할 수 있는 정보를 제공하고자 한다.

본론
1960년대부터 이용 되어온 메탈-세라믹 시스템은 메탈 하부구조에 비니어링 세라믹을 올려 소성함으로써, 강도와 심미성을 동시에 만족시키는 보철물로 오랜 기간 유용하게 사용되어 왔다. 메탈-세라믹 보철물을 제작하기 위한 비니어링 세라믹은 일반적으로 feldspar glass에 15~25%의 leucite 결정질 상이 함유되는 구조를 갖는다(그림 1). 그리고 이러한 leucite의 첨가비에 의해 하부 메탈과의 열팽창계수 차이가 조절된다.
 메탈-세라믹의 결함으로는 그림 2와 같이 pore뿐만 아니라 이물질이나 작은 crack도 비니어링 세라믹 안에 존재한다는 점이다.

메탈-세라믹 보철물이 지난 40년간 치과분야에서 사용되어진 것을 고려한다면, 이것의 전반적인 성능은 놀라울 정도로 성공적이었다고 생각한다.
하지만 근래에는 환자의 높은 심미적 요구로 인하여 메탈이 없는 올 세라믹 시스템이 등장했다. 그리고 이 시스템은 지난 30년간 진화되어 재료학적인 측면은 물론 heat pressig이나 slip cast, CAD CAM 밀링과 같이 새로운 공정기술의 측면에서도 놀라운 발전을 거듭하고 있다[3].

메탈-세라믹과 반대로 올 세라믹 시스템은 상당히 많은 양의 결정질 상을 함유한다(35~99 vol%). 이러한 높은 결정화도는 결정질 상의 강화나 stress가 유발되는 transformation과 같은 다양한 메커니즘에 의해 기계적 특성을 향상 시킬 수 있게 한다. 하지만 불행히도 이러한 높은 수준의 결정화는 불투명도를 높이는 원인이 되므로 치과세라믹에 항상 바람직하진 못했다. 예를 들어 치과분야에서 이용되는 지르코니아인 3Y-TZP(3 mol % Yttria-stabilized Tetragonal Zirconia Polycrystals)는 누구와도 비교할 수 없는 기계적 특성을 제공하지만, 불투명이 높은 단점도 함께 가지고 있다[4](그림 3).

  그림 3. 1300℃에서 2시간 열처리된 것과(왼쪽) 1500℃에서 2시간 열처리된 3Y-TZP 지르코니아의 미세구조[3].
지르코니아와 같은 올 세라믹 시스템으로 제작된 보철물은 구강내의 습기와 산도, 딱딱한 음식물을 저작할 때 갑자기 발생하는 매우 높은 peak load 등과 같은 요인들의 조합에 의해서 그 수명에도 상당히 큰 영향을 받는다. 특히 습한 환경은 세라믹 재료의 응력부식이나 파손을 더 쉽게 유발한다[10]. 이것의 좋은 예는 높은 결정화도를 갖는 지르코니아가 상대적으로 낮은 온도의 습한 환경에서 미세구조의 품질저하나 파괴를 나타낸 것에서 볼 수 있다.
70년대 초에 duret에 의해 치과분야에 처음 소개된 CAD/CAM기술은 본래 완전히 소결된 블록을 밀링하는 기술이었다[5]. 현재 우리가 사용하고 있는 부분안정화 지르코니아 블록은 2001년도에 CAD/CAM에 의한 soft machining이 제안되면서부터 사용된 것으로 상대적으로 밀링하기 쉬운 부분 안정화 지르코니아를 이용하여 작업시간과 tool의 마모를 상당히 아낄 수 있게 했다. 합금화되지 않은 지르코니아는 상온에서 monoclinic이고 1170℃ 위에서 tetragonal 이며, tetragonal에서 monoclinic으로 상변이시 상당한 볼륨의 상승을 동반하고 tetragonal이 가지고 있는 좋은 기계적 특성을 잃어버리게 된다(그림 4). 따라서 실온에서도 tetragonal을 유지하기 위해 yttria, ceria, calcia나 magnesia와 같은 산화물이 첨가되었다[6,7].

 

치과분야에서는 보통 3 mol %의 yttria로 안정화된 tetragonal 지르코니아를 이용한다고 알려져 있다(3Y-TZP)[5]. 부분 안정화된 tetragonal 지르코니아는 외력으로 인하여 미세균열에 에너지가 가해지면 phase transformation toughening을 보여준다. 이것은 미세균열에 있는 tetragonal이 에너지를 받아 monoclinic으로 상변이를 하게되면 volume을 증가시킴으로 compressive stress를 발생시키고 crack의 전파를 막는 것을 이야기한다(그림 5). 그리고 지르코니아는 이러한 메커니즘으로 인하여 뛰어난 기계적특성을 야기하게 된다.
3Y-TZP의 기계적특성은 또한 그 grain size와도 굉장히 밀접한 관련을 가진다. grain size는 열처리의 condition, 특히 신터링의 온도와 지속시간에 의해 결정된다. 그림 3에 보여진 것처럼, 부분안정화 지르코니아는 더 높은 온도와 더 긴 지속시간이 더 큰 grain size를 만들어 낸다. grain size가 굉장히 클 때, 3Y-TZP는 상변이에 더 민감하고 덜 안정하다. 반면 작은 grain size를 가진다면 낮은 상변이률를 야기할 것이다[8, 9].     
앞으로 본 리뷰에서는 올 세라믹의 특성과 그 미세구조에 대한 기본적이고 전반적인 내용을 시리즈로 다루고자 한다. 또한 계속되는 리뷰에서는 올 세라믹의 세부분류에 해당하는 heat pressing 세라믹과 CAD/CAM에 의한 milled 세라믹에 대해서도 조금 더 심도 있는 정보를 제공할 것이다.
결론
메탈-세라믹의 비니어링 세라믹은 일반적으로 feldspar glass에 15~25%의 leucite 결정질 상이 함유되는 구조를 가지고 있으며, 올 세라믹 시스템에서는 35~99 vol%로 상당히 많은 양의 결정질 상을 갖게된다. 이러한 높은 결정화도는 기계적 특성을 향상시킴과 동시에 불투명도를 올리는 원인이 되고, 또한 습한 환경에서 응력부식이나 파손이 더 쉽게 일어날 수도 있다. 치과영역에서 이용하는 부분안정화 지르코니아는 상온에서 tetragonal상이 존재할 수 있게 yttria로 안정화된 3Y-TZP이다. 3Y-TZP의 우수한 기계적특성은 phase transformation toughening에서 야기되며 grain size와도 굉장히 밀접한 관련을 가진다.

 

참 고 문 헌

1. Zhang, Y. R., Du, W., Zhou, X. D., & Yu, H. Y. (2014). Review of research on the mechanical properties of the human tooth. International journal of oral science, 6(2), 61-69.

2. Kishen, A., Ramamurty, U., & Asundi, A. (2000). Experimental studies on the nature of property gradients in the human dentine. Journal of biomedical materials research, 51(4), 650-659.

3. Denry, I., & Holloway, J. A. (2010). Ceramics for dental applications: a review. Materials, 3(1), 351-368.

4. Spear, F., & Holloway, J. (2008). Which all-ceramic system is optimal for anterior esthetics?. The Journal of the American Dental Association, 139, S19-S24.

5. Duret, F., Blouin, J. L., & Duret, B. (1988). CAD-CAM in dentistry. The Journal of the American Dental Association, 117(6), 715-720.

6. Piconi, C., & Maccauro, G. (1999). Zirconia as a ceramic biomaterial. Biomaterials, 20(1), 1-25.

7. Hannink, R. H., Kelly, P. M., & Muddle, B. C. (2000). Transformation toughening in zirconia‐containing ceramics. Journal of the American Ceramic Society, 83(3), 461-487.

8. Heuer, A. H., Claussen, N., Kriven, W. M., & Ruhle, M. (1982). Stability of tetragonal ZrO2 particles in ceramic matrices. Journal of the American Ceramic Society, 65(12), 642-650.

9. Heuer, A. H., Lange, F. F., Swain, M. V., & Evans, A. G. (1986). Transformation toughening: an overview. Journal of the American Ceramic Society, 69(3), i-iv.

10. Michalske, T. A., & Freiman, S. W. (1982). A molecular interpretation of stress corrosion in silica.

11. Vagkopoulou, T. (2009). Zirconia in dentistry: Part 1. Discovering the nature of an upcoming bioceramic (Doctoral dissertation, Department of Prosthodontics, School of Dentistry, Albert-Ludwigs University Freiburg)