ORIGINAL ARTICLE 교정용열가소성재료의두께와변형량이재료의물리적특성에미치는영향 민샘 a ㆍ황충주 b ㆍ유형석 b ㆍ이상배 c ㆍ차정열 d 다양한열가소성교정재료를이용한성공적인임상결과가보고되었지만, 재료의물리적성질에관한연구는많지않다. 본연구는열가소성재료의종류, 두께, 변형량과반복변형에따른변형시필요한하중과, 변형되었던재료가원래의상태 (resting position) 로돌아갈때재료의복원력을평가하였다. 실험적인모델의조건에서투명교정장치의재료로쓰이는 4 가지종류의열가소성재료 (0.5 mm, 0.75 mm, 1.0 mm 두께 ) 를최종변형량이 2.0 mm 가될때까지의하중 (gf) 을측정하였다. 변형후탄성력에의해원점으로회복될때, 재료의복원력 (gf/mm 2 ) 을측정하였다. 동일한방법으로 5 회반복변형동안의하중과복원력의변화를측정하였다. 그결과, 열가소성재료의두께와변형량에대해상호교호작용이관찰되었으며 (p < 0.05), 열가소성재료의두께및변형량이하중과복원력에가장큰영향력을나타내었고재료간혹은제품간의하중과복원력에는유의한차이가없었다. 두께가 1.0 mm 이거나또는 1.0 mm 이상변형인경우최소 159 gf 의하중이필요하였고, 최소 16 gf/mm 2 의복원력이발생하였다. 각실험군에대한반복하중시하중과복원력에서유의한차이가관찰되었고 (p < 0.01), 평균 10-17% 의하중감소와 4-7% 의복원력감소가관찰되었다. 이상의결과, 하중과복원력에가장영향을많이주는요소는재료의두께와치아의이동량이었다. 제품에상관없이두께가 1.0 mm 이상인재료를사용하거나치아를 1.0 mm 이상이동시에는과도한힘이발생하였다. 따라서투명교정장치를이용하여생리적으로치아를이동시키기위해서는초기치아배열을위해사용하는열가소성재료의두께와셋업시치아이동량을고려하여과도한힘이가해지지않도록해야한다. 또한반복하중후에열가소성재료의피로도에의한힘의상쇄를고려하여임상에적용해야한다. ( 대치교정지 2010;40(1):16-26) 주요단어 : 열가소성재료, 하중, 복원력, 반복하중 서론 오늘날성인교정에관한관심이증가하면서일반적으로사용하는고정식브라켓장치를대체할수있는심미적인교정장치에대한관심이증가하고있다. 투명교정장치는치료중에도장치의조정 a 대학원생, d 조교수, 연세대학교치과대학교정학교실. b 교수, 연세대학교치과대학교정학교실, 두개안면기형연구소, 구강과학연구소. c 연구원, 연세대학교치과대학치과생체재료공학교실. 교신저자 : 차정열. 서울시서대문구신촌동 134 번지연세대학교치과대학교정학교실. 02-2228-3103; e-mail, jungcha@yuhs.ac. 원고접수일 : 2009 년 6 월 30 일 / 원고최종수정일 : 2009 년 12 월 31 일 / 원고채택일 : 2010 년 1 월 3 일. DOI:10.4041/kjod.2010.40.1.16 * 본연구는연세대학교치과대학 2008 년신진교수연구비에의하여이루어졌 음 (6-2008-0058). 이간단하거나거의필요가없고, 기능시방해가되지않아저작효율에도영향을주지않기때문에성인교정에서쓰여지고있다. 부분적인치열교정이나유지장치와같은교정영역에서도많이쓰이고있으며, 이외에도이갈이장치, 턱관절스플린트, 미백트레이등다양한용도로사용되고있다. 1-3 교정치료영역에서처음으로 Kesling 4 은교정적인치아이동을위해사용할수있는탄성중합체 (elastic polymer) 로제작된 tooth positioner 에대해소개하였고, Nahoum 5 은 vacuum-formed dental contour appliance 에대해보고하였으며, Fernandez 등 6 과 Yoshii 7 는서로다른탄성계수를가진재료로구성된유지장치를처음으로소개하였다. 이후다양한종류의투명교정장치들이개발되었다. 최근에는투명교정장치가일반적인브라켓과와이어를대체할수있는장치로소개되고있으며, 다 16
Vol. 40, No. 1, 2010. Korean J Orthod 교정용열가소성재료의물리적특성 양한임상적인방법에대한연구가보고되고있다. Sheridon 등 8 은셋업과정과함께다양한종류의플라이어를이용하여장치를조작하거나변형하여사용할수있는 Essix appliance technology 를개발하여, 투명교정장치를다양한방법으로응용할수있게하였다. 또한 Align Technology 에서는치아이동에따라 CAD/CAM 을사용하여모형을제작한뒤, 장치를제작하는 Invisalign System 9 (Align Technology, Santa Clara, Calif, USA) 을개발하였으며, 이에따라투명교정장치의응용범위가확대되었다. Bollen 등 10 이투명교정장치의활성화시간에대해서연구하였는데 2 주간격으로장치를활성화시키는것이가장효과적이라고임상보고를하였으며현재재료나회사에따라서로다른다양한술식들이제시되어사용되고있다. 기존의투명장치와관련된연구는주로임상증례중심의연구였으며, 11,12 재료의물리적성질에관한연구는많지않았고, 연구시사용한재료가제한적이었다. 또한대부분의연구에서는하중을재료에부여하는방법이나측청하는방법이임상에서의조건을반영하지못하였다는한계점을가지고있다. 투명교정장치가치아에부여할수있는힘의크기는장치의피로도에따라서변화될수있다. 비록초기의힘이크다고하더라도, 치아이동후나반복하중에따른힘의상쇄 (force decay) 에의해감소율이큰경우힘이다시작용하기전까지치주인대의재생과보상을위한기간이있게된다. 반면초기에는힘의크기가적절하였으나, 치아이동후나반복하중에의한힘의상쇄가큰경우에는교정치료에알맞은힘을적용할수없게된다. 그러므로이상적인치아이동을위한힘의적용시힘의상쇄에대해서도함께고려하여야한다. 이연구의목적은각각의제조사들이권장하는열변성조건에기초하여제작된열가소성재료의수직변형시에발생하는하중과, 원래의상태로돌 아갈때의재료의복원력을제조사별, 재료의두께및변형정도에따라평가하고자하였다. 또한반복하중에따른하중과복원력의변화도분석하고자하였다. 연구방법 연구재료 본실험에서사용한치과교정용투명교정장치는현재시판되고있는재료인 0.5, 0.75, 1.0 mm 두께의 Duran (Scheu-Dental, Iserlohn, Germany), 0.5, 0.75, 1.0 mm 두께의 Easy-vac (3A Medes, Gyeonggi-do, Korea), 0.5, 0.75, 1.0 mm 두께의 Essix A+ (Raintree Essix, Inc. New Orleans, Louisiana, USA), 0.75, 1.0 mm 두께의 Essix ACE (Raintree Essix, Inc. New Orleans, New Orleans, Louisiana, USA) 를이용하였다 (Table 1). 한국성인에서의평균적인상악전치절단면에서의두께 (2 mm) 와상악전치의최대풍융부에서의두께 (8.5 mm) 와높이 (7 mm) 를반영하고, 13 모형의총높이는 Sheridon 등 8 이제안한모형높이 (20 mm) 를고려하여경석고로모형을제작한뒤연마하였다. 이후 Biostar R (Scheu-Dental, Iserlohn, Germany) 에제작한모형을올려놓고제조사가추천하는열성변형조건을이용하여열을가한뒤, 석고모형을제거하였으며양형으로복제된부위에서평면부위를선택하여 12 35 mm 크기로 trimming하여 6개씩총 66개의시편을얻었다 (Fig 1, Table 2). 연구방법 열성변형전후의두께변화 열성변형전판형모형의열가소성재료의실제두께를세부분에서측정하여평균을구하였고, 열 Table 1. Prescription of materials used in this study Product name Thickness (mm) Manufacturer Component Duran 0.5, 0.75, 1.0 mm Scheu-Dental (Iserlohn, Germany) Polyethylene terephthalate glycol Easy-vac 0.5, 0.75, 1.0 mm 3A Medes (Gyeonggi-do, Korea) Polyethylene terephthalate glycol Essix A+ 0.5, 0.75, 1.0 mm Raintree Essix, Inc. (Louisiana, USA) Copolyester Essix ACE 0.75, 1.0 mm Raintree Essix, Inc. (Louisiana, USA) Copolyester Essix ACE does not provide 0.5 mm thickness sheets. 17
민샘, 황충주, 유형석, 이상배, 차정열 대치교정지 40 권 1 호, 2010 년 Fig 1. Biostar R (Scheu-Dental, Iserlohn, Germany) and fabricated dental model. Table 2. Condition of thermoform used in this study Brand Thickness (mm) Temperature ( o C) Heating time (Sec) Cooling Time (Sec) Biostar R code Duran 0.50 220 25 20 111 0.75 220 30 20 122 1.00 220 35 60 132 Easy-vac 0.50 220 25 20 111 0.75 220 30 20 122 1.00 220 35 60 132 Essix A+ 0.50 220 30 20 122 0.75 220 35 60 132 1.00 220 40 60 142 Essix ACE 0.75 220 25 60 113 1.00 220 35 60 133 성변형조건을이용하여시편을제작한후에시편의중심부위의두께를 electronic digital caliper 로측정하여열성변형전후의두께변화를비교하였다 (Table 2). 3 점굴곡실험및 3 점굴곡회복실험 3 점굴곡실험은만능물성시험기 (Model 5567, Instron R Co. Pennsylvania, USA) 를사용하여시행하였다. 임상적인상황을실험에반영하기위하여 3 점굴곡실험을위하여시편의양끝을 fixation jig 를이용하여고정하였으며 (Fig 2), 양끝단고정원 (fixation jig) 사이의길이는 24 mm 가되도록제작하였는데, 이것은상악중철치 2 개와측절치 1 개의크기를반영한것이었다. 시편의두께별로 6 개씩시편을 준비하여 5 mm/min 속도의 crosshead speed 로변위량이 2.0 mm 가될때까지하중을부여하였고, 0.5 mm 간격마다 gf 단위로총 66 개시편의하중을측정하였다. 이때 stylus 의첨부는 1 mm 반경에폭은 12 mm 였다 (Fig 2). 최대변형 (2.0 mm) 시행후하중전달실험 (force delivery test) 을위해서 3 점굴곡회복실험을수행하였다. 위와동일한시편을사용하여 stylus 를 5 mm/min 의 crosshead speed 로위쪽으로 0.0 mm 가될때까지이동시켰다. 이때변위되었다가회복될때의재료가가지는복원력을 0.5 mm 간격마다 gf/mm 2 단위로측정하였다. 위의실험을동일하게 5 회반복하면서동시에하중과복원력을측정하였다. 18
Vol. 40, No. 1, 2010. Korean J Orthod 교정용열가소성재료의물리적특성 계측치의분석및통계처리 두께를달리한 4 종의제품으로이루어진총 11 종의연구대상의굴곡실험시하중 (gf) 과복원력 (gf/mm 2 ) 에영향을주는요인을알아보기위해 Linear Regression 을시행하였다. 변형정도에따라가하여진하중의크기와굴곡회복실험시굴곡회복정도따른복원력의크기를평균과표준편차로제시하고, 제품간의차이가있는지알아보고자 One-way ANOVA test 를실시하고사후검정으로 Tukey test 를실시하였다. 두께와변형량을고정한상태에서두가지구성물질에따른하중과복원력의크기에차이가나는지를알아보고자 Independent two-samples t-test 를시행하였다. 변형과회복과정이 5 회반복될때하중과복원력의크기에차이가발생하는지를알아보고자 repeated measures ANOVA test 를시행하였다. 분석도구는 SAS 9.1Ver (SAS Inc., North Carolina) 이다. Fig 2. Experimental procedure used in this study. A, Universal test machine, Instron R ; B, schematic diagram of 3 point bending test. Table 3. Thickness differentiation after thermoform (Unit : mm) Original thickness Brand Thickness before Thickness after ΔThickness ΔThickness thermoform thermoform rate (%) Mean SD Mean SD Mean Mean 0.50 Duran 0.58 0.00 0.30 0.02 0.28 48.3 Easy-vac 0.51 0.00 0.29 0.03 0.22 43.1 Essix A+ 0.50 0.01 0.30 0.02 0.20 40.0 0.75 Duran 0.85 0.01 0.48 0.04 0.36 42.4 Easy-vac 0.71 0.01 0.41 0.03 0.30 42.3 Essix A+ 0.74 0.00 0.40 0.03 0.34 45.9 Essix ACE 0.75 0.01 0.42 0.02 0.33 44.0 1.00 Duran 0.99 0.00 0.58 0.03 0.41 41.4 Easy-vac 1.03 0.00 0.59 0.04 0.44 42.7 Essix A+ 1.02 0.00 0.59 0.04 0.43 42.2 Essix ACE 1.03 0.01 0.64 0.03 0.39 37.9 SD, Standard deviation; ΔThickness, thickness differentiation after thermoform. 19
민샘, 황충주, 유형석, 이상배, 차정열 대치교정지 40 권 1 호, 2010 년 연구성적 하중 (gf) 과복원력 (gf/mm 2 ) 에영향을미치는요인 열성변형전후의두께변화 모든재료는열성변형후두께가감소하였으며, 평균두께감소율은 42.5% 였다 (Table 3). 두께와변형량에대해상호교호작용이관찰되었으며 (p < 0.05), 하중 (gf) 과복원력 (gf/mm 2 ) 에대한회귀방정식이도출되었다. 두께및변형량이해석식에서하중과복원력에가장큰영향력을나타내 Fig 3. Increase in bending force and recovery stress level depending on the thickness and amount of deflection for all four types of products (Lt, Force (gf); Rt, recovery stress (gf/mm 2 )). Table 4. Factors associated with bending force and recovery stress (top) and multiple regressions for interaction among products, thickness, and deflection rate (bottom) Source DF Type lll Mean square F value Sig Force (gf) Products-Thickness 3 165005.16 55001.72 0.04 NS Thickness 1 29310957.92 29310957.92 20.38 * Products-Deflection 3 1147142.10 382380.70 0.89 NS Deflection 1 322134835.70 322134835.70 752.14 * Recoverystress (gf/mm 2 ) Products-Thickness 3 24032.15 8010.72 0.07 NS Thickness 1 1774483.80 1774483.81 15.63 * Products-Deflection 3 52259.91 17419.97 0.46 NS Deflection 1 23675190.90 23675190.96 623.27 * Parameter Beta SE t p value Intercept 40.65 216.00 0.19 0.861 Duran 29.54 83.88 0.35 0.725 Easy-vac 19.59 83.40 0.23 0.814 Essix A+ 47.61 85.01 0.56 0.576 Essix ACE (Reference) 0.00 Thickness 353.46 249.55 1.42 0.157 Deflection 143.88 162.03 0.89 0.375 Thickness Deflection 1389.21 201.56 6.89 <.0001 DF, Degree of freedom; Sig, significant; NS, not significant; SE, standard error. * p < 0.001. 20
Vol. 40, No. 1, 2010. Korean J Orthod 교정용열가소성재료의물리적특성 었으며, 재료혹은제품에따라하중과복원력의유의한차이는없었다 (Fig 3, Table 4). 교정용열가소성재료의두께와변형량별하중 (gf) 과복원력 (gf/mm 2 ) 의크기비교 모든제품에서 1.0 mm 이상의변형을위해서는적어도 221 gf의하중이필요하였고 (Table 5), 1.0 mm 이상의변형시재료가가지는복원력은 37 gf/mm 2 이상이었다 (Table 6). 또한 1.0 mm 두께의모든제품에서는 0.5 mm 변형에적어도 159 gf의하중이필요하였고, 복원력은 16 gf/mm 2 이상이었다. 동일한두께에서서로다른변형량을적용하였을때재료간혹은제품간의유의한차이가없었고, 또한서로다른두께에서동일한변형량이적용된경우에도재료간혹은제품간유의한차이가없었다. 두께와변형량의두조건을모두동일하게한뒤제품에따른차이를알아보았다. 0.75 mm 두께의재료에서 0.5, 1.0, 1.5 mm 변형하였을경우에만제 품에따라하중에서유의한차이가있었고, 이경우를제외하고는유의한차이가없었다. 반복하중이후하중과복원력의변화 각실험군에대한반복하중시, 모든군에서하중 (gf) 과복원력 (gf/mm 2 ) 의유의한감소경향이관찰되었다. 5 회의반복하중후평균 10-17% 의하중감소와 4-7% 의복원력감소가관찰되었다 (Fig 4). 고찰 투명교정장치는치아에직접적인접촉을통하여교정력을부여하고, 원하는위치로치아이동이일어나게한다. 이때장치가치아에교정력을가하는원리는재료가원래의모양으로돌아가려는탄성력을사용하는것이다. 즉, 장착시변형되었던장치가원래의모양으로회복되려는힘에의해치아에교정력을가하게된다. 변형후회복과정동안에장치에존재하는복원력이접촉을통하여치아를이동시키므로, 재료의복원력은교정력을반영한다는 Table 5. Comparative mean force according to three thickness levels and four deflection levels for four types of products Thickness (mm) Brand Force (gf) Deflection (mm) 0.5 1.0 1.5 2.0 Mean SD Mean SD Mean SD Mean SD 0.50 Duran 86.8 36.6 373.2 109.8 964.9 229.8 1938.6 385.5 Easy-vac 32.7 18.0 220.9 60.6 715.6 118.7 1578.6 200.1 Essix A+ 54.3 18.1 299.8 50.3 917.0 106.8 1965.9 191.6 Significance NS NS NS NS 0.75 Duran 153.0 42.8 613.2 93.5 1644.2 82.5 3161.9 270.8 Easy-vac 85.9 28.1 436.6 95.1 1287.4 200.5 2661.0 323.6 Essix A+ 110.9 36.0 499.2 124.6 1366.2 306.9 2755.1 584.6 Essix ACE 92.9 44.7 435.4 128.1 1260.8 218.3 2594.3 303.4 Significance * * * NS 1.00 Duran 158.6 42.9 637.8 145.6 1735.9 335.3 3490.2 684.7 Easy-vac 214.0 41.9 825.5 107.0 2204.6 246.5 4321.5 521.9 Essix A+ 213.9 50.0 818.5 153.7 2145.3 308.7 4209.2 474.7 Essix ACE 239.4 89.5 875.2 286.3 2172.9 508.9 3965.1 692.2 Significance NS NS NS NS SD, Standard deviation. p < 0.05. 21
민샘, 황충주, 유형석, 이상배, 차정열 대치교정지 40 권 1 호, 2010 년 Table 6. Comparative mean recovery stress according to three thickness levels and four deflection rates for four types of products Recovery stress (gf/mm 2 ) Thickness (mm) Brand Deflection (mm) 0.5 1.0 1.5 2.0 Mean SD Mean SD Mean SD Mean SD 0.50 Duran 5.3 5.0 54.9 25.3 208.6 55.2 538.5 107.0 Easy-vac 2.0 5.0 36.6 14.0 162.3 30.1 438.9 55.5 Essix A+ 3.1 2.0 55.7 8.0 214.6 24.9 546.1 53.3 Significance NS NS NS NS 0.75 Duran 8.9 14.2 87.3 40.4 338.5 65.7 878.6 75.3 Easy-vac 4.4 4.6 73.0 19.3 289.3 47.0 739.3 89.9 Essix A+ 10.2 7.0 86.5 34.7 309.5 87.2 765.6 162.4 Essix ACE 5.8 3.0 77.4 24.0 288.1 54.9 721.0 84.1 Significance NS NS NS NS 1.00 Duran 19.0 11.4 118.0 37.2 397.5 98.0 969.8 190.2 Easy-vac 23.9 15.5 154.0 27.7 506.5 70.5 1200.6 145.1 Essix A+ 29.4 5.3 159.7 24.4 497.6 66.5 1169.5 132.2 Essix ACE 15.8 16.3 135.8 33.1 461.7 97.5 1101.8 192.2 Significance NS NS NS NS SD, Standard deviation. Fig 4. Graph showing bending force and recovery stress changes after repeated loading (Lt, Force (gf); Rt, recovery stress (gf/mm 2 )). 점에서임상적으로중요하다. 본실험은임상적용범위가점점확대되고있는투명교정장치의열가소성재료에대해변형시가해지는하중과원래의형태로되돌아갈때재료의복원력에관해서연구하였다. 연구의특징을살펴보면첫째, 3 점굴곡실험을실시할때이전실험 14 과는다르게양끝을고정원 (fixation jig) 으로고정한상태로실험하였다. 양끝을고정한것은투명교정장치를구강내착용시고정원치아들에의해장치가유지되는임상적인상황을실험에반영한것이다. 둘째, 한국성인에서의평균적인상악전치의크기를모형에반영하여시편을제작하였다. 상악 22
Vol. 40, No. 1, 2010. Korean J Orthod 교정용열가소성재료의물리적특성 전치절단면에서의두께 (2 mm) 와상악전치최대풍융부에서의두께 (8.5 mm) 와높이 (7 mm) 를반영하여모형을만들었고, 13 이것을열성변형시적용하였다. 셋째, 3점굴곡실험을실시할때 3점굴곡회복실험을함께실시하였다. 즉재료가변형되도록하는하중과함께변형후재료의탄성에의해원래의상태로돌아올때재료의복원력도함께측정하였다. 장착시변형되었던투명교정장치가회복시가지는복원력에의해치아를이동시키므로투명교정장치의교정력을알아보기위해복원력을측정하였다. 현재다양한두께의열가소성재료가시판되고있는데, 명시된열가소성재료의두께가열성변형과정을거치는동안변하게된다. Ryokawa 등 15 은열성변형후에열가소성재료의두께가기존두께의 74.9-92.6% 정도의두께로줄어든다고보고하였다. 이번실험에서는원래의 57.5% 로두께가감소하였고, 이전연구보다두께감소량이컸다. 두께감소량의차이는재료의두께에따라서달라질수있는데, 두꺼운재료일수록더많이감소하는경향을보였다. 또한제작시사용하는모형에따라서도달라질수있는데, 이전연구는시편의제작시직사각형모양의모형을사용하였으나본연구에서는임상적인상황을반영하기위해한국인의평균적인상악전치형태를반영하여삼각기둥형태의모형을열성변형시이용하였다 (Table 2, Fig 1). 모든제품에서 1.0 mm 이상의변형을위해서는적어도 221 gf의하중이필요하였고 (Table 5), 1.0 mm 이상의변형시재료가가지는복원력은 37 gf/mm 2 이상이었다 (Table 6). 또한 1.0 mm 두께의모든제품에서는 0.5 mm 변형량에서적어도 159 gf 의하중이필요하였고, 복원력은 16 gf/mm 2 이상이었다. 재료의선택시 1.0 mm 이상의두께를사용하거나치아를 1.0 mm 이상이동시에는예상했던교정력보다과도한힘이발생하였다. 이로인해치아및치아주위조직에위해한부작용이나타날수있으며, 환자의통증역치이상으로교정력이가해질경우환자의불편감이증대될수있다. 실제임상에서도 0.5 mm 혹은 0.75 mm 두께의재료는초기배열을위해주로사용하고있고, 1.0 mm 두께의재료는유지장치로쓰여지고있다. 경우에따라다양하겠지만, 치아모형의셋업양은일반적으로 0.5 mm 정도가적절하며투명교정장치에의해치아에전달되는힘은실제임상에서술자가의도한교정력이상으로강한힘이작용할수있음에유의 해야한다. 만약많은치아이동이필요한경우에는장치제작시한번에치아이동을많이하는것보다는, 치아의이동을적절하게한뒤치아가움직인후장치를재제작하거나장치에플라이어를이용한 indentation 이나 bump 를부여하여추가적인치아이동을도모하는것도효율적일것이라본다. 8 투명교정장치가변형시필요한하중과복원력에영향을주는요인을살펴보면, 재료, 제품, 두께, 변형량중에서두께와변형량에대해상호교호작용이관찰되었으며 (p < 0.05), 하중과복원력에대한회귀방정식을도출하였다. 두께및변형량이하중과복원력에큰영향력을나타내었으며, 재료와제품은하중과복원력에대한두께와변형량에비해서는유의한영향력이없었다. 두께와변형량이하중과복원력에미치는영향력이컸기때문에두가지조건중한가지조건이동일한경우제품간혹은재료간에유의한차이가있는지알아보면, 각각의조건에서재료간제품간유의한차이가없었다. 즉, 생리적인치아이동을위한필요한복원력을얻기위하여재료와제품도신중하게선택해야하지만가장중요한것은임상상황에따라적절한재료의두께와치아의이동량을결정해야한다는것이다. 두께와변형량이같을경우, 재료에따른차이를알아보면 copolyester 로구성된 Duran, Easy-vac 과 polyethylene terephthalate glycol 로구성된 Essix A+, Essix ACE 가두께에상관없이변형량이 1.0 mm 일때 copolyester 로구성된재료의복원력이통계적으로유의하게높았고 (p < 0.05), 이경우를제외하고는재료에따른유의한차이가없었다. Polyethylene terephthalate glycol 은무색투명한재료로테레프탈산과에틸렌글리콜의축합반응에의해얻어지는포화폴리에스테르수지로서주로섬유용에이용하는것외에필름이나열가소성성형재료로사용된다. 이재료는인장및기계강도가강하며내마모성이크며, 분자구조와결정성은극성분자를함유하여결정화하기쉬우며강력한성형재료를만든다. Copolyester 는 polyester 를변형한것으로, polyethylene terephthalate 의에스테르교환반응에의해서제조될수있으며, 물질에영향을주는다양한화학적인환경에서도강도와투명성이유지되며변형성과굴곡성을가지고있다. 두께와변형량이같을경우, 제품간의차이를알아보면, 0.75 mm 두께를 0.5, 1.0, 1.5 mm 변형시킬경우하중에서만제품간의유의한차이가있었고, 나머지경우에서는유 23
민샘, 황충주, 유형석, 이상배, 차정열 대치교정지 40 권 1 호, 2010 년 의한차이가없었다. 투명교정장치를이용한교정치료시반복적으로착탈 16 을하게되며, 이러한상황에따른하중과복원력의변화에대하여연구하였다. 모든실험시편에대해 2.0 mm 변위량까지 5 회반복하중을가하였으며, 5 회반복하중동안에 0.5 mm 간격으로하중 (gf) 과복원력 (gf/mm 2 ) 을측정하였다. 결과를살펴보면모든실험군에서유의한차이가관찰되었고 (p < 0.01), 평균 10-17% 의하중감소와 4-7% 의복원력감소가관찰되었다 (Fig 4). 교정력의크기는얼마만큼힘이감소하는가와중요한상호관계가있다. 비록가하는교정력이적절하다하더라도치아이동후나, 반복하중에따른힘의상쇄 (force decay) 에의해감소율이큰경우원하는힘을발휘할수없다. 그러나강한힘을적용한경우에힘의상쇄 (force decay) 가크다면, 힘을다시작용하기전까지치주인대의재생과보상을위한시간을제공할수있다. 두께가 0.75 mm 인재료의초기하중은최대 153 gf 이었으나, 반복하중을가한뒤최대값이 71.1 gf 까지감소하였다. 0.75 mm 두께를사용시초기에는과도한교정력을가할수있지만, 초기의과도한힘은반복하중에따른재료의피로도에의해감소하게된다. Invisalign system 에서는 0.75 mm 두께의재료를주로이용하는데, 이때치아이동량을 0.2-0.3 mm 정도로추천하고있다. 17 이와같이투명교정장치를임상에적용시반복적인착탈에의한힘의상쇄를고려하여야하며, 특히 0.75 mm 두께의재료를초기배열을위해사용시에는치아이동량에대하여신중하게결정하여야한다. 이상의결과하중과복원력에가장영향을많이주는요소는재료의두께와치아의이동량인것을알수있다. 제품에상관없이두께가 1.0 mm 이상인재료를사용하거나치아를 1.0 mm 이상이동시에는예상했던교정력보다과도한힘이발생하였다. 생리적으로치아를이동시키기위해서는, 초기에치아배열을위해사용하는투명교정장치의결정시재료의두께와치아이동량을고려하여과도한힘이가해지지않도록해야한다. 또한반복하중후에열가소성재료의피로도에의한힘의상쇄를고려하여임상에적용해야한다. 본연구에서는습윤조건등구강내환경을고려하지않았으며, 실험조건도단일치아조건을반영한것으로임상적인상황을완벽하게재현하지는못하였다. 또한구강내장착시발생되는초기복 원력과상쇄에대해연구하였으므로장착기간동안지속적으로발생될수있는힘의소실에대해서는추가적인연구가필요하다. 앞으로다양한열가소성재료를이용하여구강내환경과임상적인상황을재현한추가적인연구가필요할것이다. 결론 본연구에서는실험적인 Model 의조건에서투명교정장치의재료로쓰이는 4 가지종류의열가소성재료 (0.5 mm, 0.75 mm, 1.0 mm 두께 ) 를 2.0 mm 까지변위시킬때필요로하는하중 (gf) 과변위후탄성력에의한회복시재료의복원력 (gf/mm 2 ) 을평가하였다. 또한하중과복원력에영향을미치는조건에대해알아보았고, 열가소성재료의피로도를평가하기위해반복하중후의하중과복원력의변화에대해실험하여다음과같은결론은얻었다. 1. 열가소성재료의두께와변형량에대해상호교호작용이관찰되었으며 (p < 0.05), 재료의두께및변형량이하중과복원력에가장큰영향력을나타내었으며, 재료간혹은제품간의하중과복원력에는유의한차이가없었다. 2. 모든제품에서 1.0 mm 이상의변형을위해서는적어도 221 gf 의하중이필요하였고, 1.0 mm 이상의변형시재료가가지는복원력은 37 gf/mm 2 이상이었다. 또한 1.0 mm 두께의모든제품에서는 0.5 mm 변형량에서적어도 159 gf 의하중이필요하였고, 복원력은 16 gf/mm 2 이상이었다. 3. 각실험군에대한반복하중시하중과복원력에서유의한감소경향이관찰되었고, 평균 10-17% 의하중감소와 4-7% 의복원력감소가관찰되었다. 이상의결과를살펴보면하중 (gf) 과복원력 (gf/mm 2 ) 에가장영향을많이주는요소는재료의두께와치아의이동량인것을알수있다. 제품에상관없이두께가 1.0 mm 이상인재료를사용하거나치아를 1.0 mm 이상이동시에는과도한힘이발생하였다. 투명교정장치를이용하여생리적으로치아를이동시키기위해서는초기치아배열을위해사용하는열가소성재료의두께와셋업시치아이동량을고려하여과도한힘이가해지지않도록해야한다. 또한반복하중후에열가소성재료의피로도에의한힘의상쇄를고려하여임상에적용해야한다. 24
Vol. 40, No. 1, 2010. Korean J Orthod 교정용열가소성재료의물리적특성 참고문헌 1. Rinchuse DJ, Rinchuse DJ. Active tooth movement with Essix-based appliances. J Clin Orthod 1997;31:109-12. 2. McNamara JA, Kramer KL, Juenker JP. Invisible retainers. J Clin Orthod 1985;19:570-8. 3. Ponitz RJ. Invisible retainers. Am J Orthod 1971;59:266-72. 4. Kesling HD. The philosophy of the tooth positioning appliance. Am J Orthod 1945;31:297-304. 5. Nahoum HI. The vacuum formed dental contour appliance. NY State Dent J 1964;9:385-90. 6. Fernandez Sanchez J, Pernia Ramirez I, Martin Alonso J. Osamu active retainer for correction of mild relapse. J Clin Orthod 1998;32:26-8. 7. Yoshii O. Introducing in new retainer-soft retainer and case reports. J Orthod Pract 1992;8:25-42. 8. Sheridan JJ, LeDoux W, McMinn R. Essix retainers: fabrication and supervision for permanent retention. J Clin Orthod 1993;27:37-45. 9. Boyd RL, Miller RJ, Vlaskalic V. The Invisalign system in adult orthodontics: Mild crowding and space closure cases. J Clin Orthod 2000;34:203-12. 10. Bollen AM, Huang G, King G, Hujoel P, Ma T. Activation time and material stiffness of sequential removable orthodontic appliances. Part 1: ability to complete treatment. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2003;124:496-501. 11. Chenin DA, Trosien AH, Fong PF, Miller RA, Lee RS. Orthodontic treatment with a series of removable appliances. J Am Dent Assoc 2003;134:1232-9. 12. Vlaskalic V, Boyd R. Orthodontic treatment of a mildly crowded malocclusion using the invisalign system. Aust Orthod J 2001;17:41-6. 13. Lee GW, Kim HJ. Tooth morphology. Seoul: Jisung; 1997. p. 126-46. 14. Kwon JS, Lee YK, Lim BS, Lim YK. Force delivery properties of thermoplastic orthodontic materials. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2008;133:228-34. 15. Ryokawa H, Miyazaki Y, Fujishima A, Miyazaki T, Maki K. The mechanical properties of dental thermoplastic materials in a simulated intraoral environment. Orthodontic Waves 2006;65: 64-72. 16. Gardner GD, Dunn WJ, Taloumis L. Wear comparison of thermoplastic materials used for orthodontic retainers. Am J Orthod Dentofacial Orthop 2003;124:294-7. 17. Tuncay OC. The invisalign system. Graften road, New Malden: Quintessence Publishing Co, Ltd; 2006. p. 187-94. 25
ORIGINAL ARTICLE The effect of thickness and deflection of orthodontic thermoplastic materials on its mechanical properties Sam Min, DDS, MSD, a Chung-Ju Hwang, DDS, MSD, PhD, b Hyung-Seog Yu, DDS, MSD, PhD, b Sang-Bae Lee, DDS, MSD, PhD, c Jung-Yul Cha, DDS, MSD, PhD d Objective: The purposes of this study were to evaluate the force and stress depending on the type, deflection and thickness of the materials and to evaluate the mechanical properties of thermoplastic materials after repeated loading. Methods: Four types of thermoplastic products were tested. Force until the deflections of 2.0 mm and the stress when the materials were restoring to its resting position were evaluated. The mechanical properties of thermoplastic materials evaluated after 5 repeated loading cycles. Results: The interaction was observed between the thickness and the deflection (p < 0.05) from the regression equation. Thickness and amount of deflection rather than products and materials showed the largest effect on force and stress. In all products, at least 159 gf of force was required for more than 1.0 mm deflection or when materials with 1.0 mm thickness were deflected. The stress recorded was more than 19 gf/mm 2. During repeated loading, each group showed significant difference on the force and the stress (p < 0.01), 10-17% reduction of force and 4-7% reduction of stress in average. Conclusions: Proper thickness of thermoplastic materials and deflection level of tooth movement should be decided for the physiologic tooth movement. Force decay after repeated loading should be considered for the efficient tooth movement. (Korean J Orthod 2010;40(1):16-26) Key words: Thermoplastic materials, Force, Stress, Repeated loading a Graduate Student, d Assistant Professor, Department of Orthodontics, College of Dentistry, Yonsei University. b Professor, Department of Orthodontics, College of Dentistry, Oral Science Research Institute, The Institute of Cranio-facial Deformity, Yonsei University. c Reseacher, Department of Dental Biomaterials and Bioengineering, College of Dentistry, Yonsei University. Corresponding author: Jung-Yul Cha. Department of Orthodontics, College of Dentisty, Yonsei University, 134, Shinchon-dong, Seodaemun-gu, Seoul 120-752, Korea. +82 2 2228 3103; e-mail, jungcha@yuhs.ac. Received June 30, 2009; Last Revision December 31, 2009; Accepted January 3, 2010. *This study was supported by a faculty research grant of Yonsei University College of Dentistry for 2008 (6-2008-0058). 26