ORIGINAL ARTICLE http://dx.doi.org/10.4047/jkap.2013.51.3.160 장수아 김윤영 박원희 이영수 * 한양대학교의과대학치과학교실 Comparative study of fracture strength depending on the occlusal thickness of full zirconia crown Soo-Ah Jang, DDS, MSD, Yoon-Young Kim, DDS, MSD, Won-Hee Park, DDS, PhD, Young-Soo Lee*, DDS, PhD Major in Dentistry, Department of Medical Science, Hanyang University Graduate School, Seoul, Korea Purpose: The purpose of this study was to compare the fracture strength of traditional metal-ceramic crowns and full zirconia crowns according to the occlusal thickness. Materials and methods: A mandibular first molar resin tooth was prepared with 1.5 mm occlusal reduction, 1.0 mm rounded shoulder margin and 6 taperness in the axial wall. Duplicating the resin tooth, 64 metal dies were fabricated. 48 full zirconia crowns were fabricated using Prettau zirconia blanks by ZIRKONZAHN CAD/CAM and classified into six groups according to the occlusal thickness (0.5 mm, 0.6 mm, 0.7 mm, 0.8 mm, 0.9 mm, 1.0 mm). 16 metal-ceramic crowns were fabricated and classified into two groups according to the occlusal porcelain thickness (1.0 mm, 1.5 mm). All crowns were cemented on each metal die and mounted in a universal testing machine. The load was directed at the functional cusp of each specimen until catastrophic failure occurred. One-way ANOVA, Tukey multiple comparison test (α=.05) and t-test (α=.05) were used. Results: The results were as follows. 1. The test 1 group (646.48 N) showed the lowest fracture strength (P<.05), and the value of the test 2.3.4.5 groups (866.40 N, 978.82 N, 1196.82 N, 1222.41 N) increased as thickness increased, but no significant difference were found with the groups (P>.05). The value of test 6 group (1781.24 N) was significantly higher than those of the other groups (P<.05). 2. There were no significant differences of the fracture strength of metal ceramic crowns according to occlusal porcelain thickness 1.0 mm (2515.71 N) and 1.5 mm (3473.31 N) (P<.05). Conclusion: Full zirconia crown needs to be 1.0 mm or over in occlusal thickness for the posterior area to have higher fracture strength than maximum bite force. (J Korean Acad Prosthodont 2013;51:160-6) Key words: Full zirconia crown; Fracture strength 서론 심미수복용세라믹재료로서 Pierre 등은도재를치과에사용하려는시도를하였다. 1 그러나이는취성이커서낮은인장응력이작용하는상태에서쉽게파절이일어나는문제점으로널리보급되지못하였다. 1962 년 Weinstein 등 2 에의해상대적으로큰열팽창을보이는백류석결정을함유하는도재가개발되면서도재를금속에용착시키는금속도재관이소개되었고이는도재의우수한심미성과금속의높은파괴인성의장점을가지 고 3 현재까지치과임상에서사용되고있다. 그러나한편으로는금속도재관하부의금속코핑으로인한광학적불투과성, 변연부금속의노출, 치은부에서 shadow 의발현, 금속과도재의결합실패, 금속산화물용출로인한치은의변색등이문제점으로지적되면서, 금속도재관을대체할만한완전도재관의필요성이제기되었다. 4 1984 년도재를주조해서제작한 Dicor (Dentsply International Inc., York, PA) 가개발되었으며 5 1988 년내화성매몰재모형상에서도재를직접축조및소성하는 Hi-Ceram (Vita Zahnfabrik, Germany), *Corresponding Author: Young-Soo Lee Major in Dentistry, Department of Medical Science, Hanyang University Graduate School, 17 Hangdang-dong, Sungdong-gu, Seoul, 133-792, Korea +82 2 2290 8675: e-mail, leeys@hanyang.ac.kr Article history: Received April 19, 2013 / Last Revision June 11, 2013 / Accepted July 3, 2013 c cc 2013 The Korean Academy of Prosthodontics This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 160 대한치과보철학회지 2013 년 51 권 3 호
Optec HSP (Jeneric/Pentron Inc., Wallingford, CT) 가소개되었다. 6 1989 년알루미나코어를사용하여강도를크게보강시킨 In-Ceram (Vita Zahnfabrik, Germany) 이개발되었으며 7 1990 년에는자연치와유사한투명도를가질수있는 IPS-Empress (Ivoclar., Liechtenstein) 가개발되었다. 8 그러나완전도재관은뛰어난심미성과생체친화성에도불구하고파절가능성때문에수복물의내구성이감소되는위험이있다. 이러한완전도재관의단점을극복하기위해개발된지르코니아는 Garvie 등 9 이 "ceramic steel" 이라고명명했듯이기존의도재와비교하여뛰어난물리적성질을가지고있으며생체적합성이뛰어나고광투과성이높아심미수복재료로사용이증가되고있는추세이다. 10 그러나지르코니아만으로는치아와유사한색조를재현하기가어려우므로지르코니아를하부구조로하고상부에심미적인장석계도재로이장하는이중구조의완전도재관이주를이루고있다. 지르코니아에대한현재까지의임상적연구를종합해보면가장큰문제점은상부도재의부분적인파절또는박리이다. Heintze 와 Rousson 11 의문헌에서지르코니아완전도재관의 3 년간도재부분파절발생률은 54% 로금속도재관의 34% 보다높은것으로조사되었다. 구치부에서도완전도재관의적용에대한시도가증가하면서상부도재의파절이라는문제점을극복하고, 지르코니아하부구조와상부도재층의이중구조를위한많은양의치아삭제를피하기위해지르코니아만으로이루어진완전지르코니아크라운 (full zirconia crown) 의수요가꾸준히증가하고있다. 그러나임상에사용과관련한장기적인데이터의부족등으로현재널리이용되고있지는않다. 이에본연구는완전지르코니아크라운을구치부수복재료로사용하는경우구강내에서안전하게사용하기위해필요한구조적기준중적절한보철물의최소의두께를알아보고자함이다. 이를위해다른교합면두께를갖는완전지르코니아크라운과금속도재관을제작하고파절강도를비교하였다. 연구재료및방법 1. 실험용금속다이제작 표준형덴티폼 (Hanil Dental Ind. Co., Korea) 상의하악우측제 1 대구치에해당하는경질레진치로지대치를형성하였다. 교합면은 1.5 mm, 변연은백악 - 법랑경계의 1.0 mm 상방에 1.0 mm 폭의 rounded shoulder 로형성하였으며축면경사각은 6 가되도록하였다. 삭제된지대치를실리콘인상재 (Exafine, GC Co., Japan) 를이용하여인상을채득하고아크릴릭레진 (Pattern resin, GC Co., Japan) 을이용하여복제하였다. 복제된아크릴릭레진을매몰, 소환한후니켈 - 크롬합금 (New crown, RUY dental alloy works, Japan) 으로주조하여 64 개의실험용금속다이를제작하였다 (Fig. 1). 2. 완전지르코니아크라운제작 완전지르코니아크라운의제작을위해실험용금속다이를 ZIRKONZAHN CAD/CAM SYSTEM (ZIRKONZAHN, Dusseldorf, Germany) 의스캐너를이용하여금속다이의정보를입력하고, 교합면의두께를실험 1 군은 0.5 mm, 실험 2 군은 0.6 mm, 실험 3 군은 0.7 mm, 실험 4 군은 0.8 mm, 실험 5 군은 0.9 mm, 실험 6 군은 1.0 mm 가되도록디자인하였다. 완전지르코니아크라운과금속다이사이의시멘트공간은 0.03 mm 가되도록하였고, 각군당 8 개씩 Prettau zirconia blanks (ZIRKONZAHN, Dusseldorf, Germany) 를컴퓨터에의해절삭하였다. 교합면교두정의두께를확인후 glazing 을시행하였다 (Fig. 2). 3. 금속도재관제작 Fig. 1. Fabrication process of metal die. Fig. 2. Full zirconia crown. 대조군으로코발트 - 크롬금속도재관을제작하기위해실험용금속다이위에 0.03 mm 두께의다이스페이서 (Nice fit, GC Co., Tokyo, Japan) 를바르고 0.5 mm 두께의 wax coping 을 16 개제작하였다. 제작된 wax coping 은통상적인방법으로매몰, 소환하였고코발트 - 크롬합금 (Rexillium III, Jeneric/Pentron, USA) 을이용하여주조하였다. 도재축성과정은한명의숙련된기공사에의해제조사의지시에따라진행하였으며도재축성에는고온소 대한치과보철학회지 51 권 3 호, 2013 년 7 월 161
성용도재인 Noritake Super porcelain EX-3 (Noritake, Japan) 을사용하였다. 소성이끝난금속도재관은 metal gauge 를이용하여교합면교두정에서대조 1 군은 1.5 mm, 대조 2 군은 2.0 mm 두께가되도록각 8 개씩총 16 개를제작한후 glazing 을시행하였다 (Fig. 3). 4. 완전지르코니아크라운, 금속도재관과금속다이의합착 완전지르코니아크라운과금속도재관은 Rely X Unicem (3M ESPE, Germany) 로금속다이에합착하였다. 합착과정동안손가락으로 5 분동안일정한힘으로유지하였으며접착이완료된후 37 의증류수에 24 시간보관하였다. 5. 파절강도측정 준비된시편은만능시험기 (Universal testing machine Model 6022, Instron Co., Canton, MA, USA) 를사용하여파절강도를측정하였다. 치아장축에수직이되도록시편을금속지그에고정하고바닥이편평한봉형태를지닌금속기구를이용하여각시편의기능교두정에수직하중이가해지도록하였다. 만능시험기의시험속도는분당 1 mm 로각시편이파절될때까지하중을가하였다 (Fig. 4). 6. 통계분석 본연구는 SPSS (IM SPSS Ver.20, Chicago, IL, USA) 를사용하여통계처리하였다. 정규성검정후완전지르코니아크라운 ( 실험군 ) 6 개그룹간에평균파절강도를비교하기위해일원배치분산분석 (One-way ANOVA) 을시행하였고, 사후검정을위해 Tukey multiple comparison test (P<.05) 를시행하였다. 금속도재관 ( 대조군 ) 2 개그룹간유의한차이는 t-test 를시행하였다 (P<.05). 결과 1. 파절강도 완전지르코니아크라운의각실험군별파절강도는 Table 1 과같았다. 각군별로평균파절강도에유의한차이가있는지를통계학적으로검정하기위해일원배치분산분석을시행하였고 (Table 2), 사후검정을위한 Tukey test 를시행하였다 (Table 3). 실험 1 군은가장낮은값을나타내었고 (P<.05) 실험 2, 3, 4, 5 군은교합면의두께가증가할수록파절강도는증가하였지만통계적으로유의한차이를나타내지않았다 (P>.05). 실험 6 군다른군보다통계적으로유의하게가장높은값을나타내었다 (P<.05). Table 1. Fracture strength of full zirconia crown (unit: N) Mean SD Minimum Maximum Test 1 (0.5 mm) 646.48 300.82 140.58 932.94 Test 2 (0.6 mm) 866.40 220.98 506.74 1124.75 Test 3 (0.7 mm) 978.82 235.87 703.40 1404.36 Test 4 (0.8 mm) 1196.82 305.35 859.60 1689.08 Test 5 (0.9 mm) 1222.41 449.17 865.22 1941.44 Test 6 (1.0 mm) 1781.24 423.30 1214.38 2366.23 Fig. 3. Metal ceramic crown - occlusal porcelain thickness 1.0 mm (left), 1.5 mm (right). A C Fig. 4. A: Schematic illustration of the universal test machine experimental setup, : Secured crown for testing in custom jig on universal testing machine, C: Fractured specimen after loading. 162 대한치과보철학회지 51 권 3 호, 2013 년 7 월
Table 2. Results of one-way ANOVA Source Sum of squares df Mean square F value P value etween groups 6095736.74 5 1219147.35 10.931 <.001 Within groups 4684134.40 42 111527.01 Total 10779871.14 Table 3. Statistical comparisons of full zirconia crown (Tukey test at P=.05) Subgroup at P=.05 1 2 3 Test 1 (0.5 mm) A Test 2 (0.6 mm) Test 3 (0.7 mm) Test 4 (0.8 mm) Test 5 (0.9 mm) Test 6 (1.0 mm) C Table 4. Fracture of metal ceramic crown and results of t-test (unit: N) Mean SD Minimum Maximum t df P value Control 1 (1.0 mm) 2515.71 388.81 823.56 4302.49 Control 2 (1.5 mm) 3473.31 961.13 2724.36 7667.95 1.854 14 0.085 (P=.05) 금속도재관의각그룹간에평균파절강도가통계학적으로차이가있는지검정하기위해 t-test 를시행하였다 (Table 4). 금속도재관은도재의두께가 1.0 mm 에서 1.5 mm 로증가했을때파절강도가증가하였지만통계적으로유의한차이를나타내지않았다 (P>.05). 2. 파절양상 실험군에서파절양상은 6 개군에서모두유사하게하중이가해진교두정직하방에서수직적인파절선이나타나변연부위까지진행되어파절편이금속다이에서분리되는양상을보였으며두께가얇을수록파절편의크기가작았고, 두께가두꺼울수록파절편의크기가컸다. 대조군에서파절양상은 2 개군에서모두유사하게나타났는데하중이가해진교두정에서파절선이시작되어변연부위까지도달후파절편은금속도재결합부에서떨어져나가는양상을보였다. 고찰 지르코니아는금속원소인지르코늄 (zirconium, Zr) 의산화물 (ZrO2) 을일컫는말로서, 천연산단사정지르코니아 (baddeleyite) 또는지르콘 (ZrSiO4) 을원료로사용하여제조하고있다. 순수지르코니아는온도가상승함에따라 1,170 까지는단사정계 (monoclinic), 1,170 부터 2,370 까지는정방정계 (tetragonal), 그이상의온도부터녹는점인 2,680 까지는입방정계 (cubic) 등 3 가지결정상으로존재하며, 온도가내려가면다시입방정계, 정방정계, 단사정계로상변이가일어난다. 지르코니아는고온에서안정적인정방정계결정상으로존재하다가상온으로서서히냉각시단사정계로상변이를할때, 3-5% 의부피증가와약 8% 의전단변형을보이며, 이때균열이발생하여지르코니아가파절하게된다. 따라서상온에서이러한상변이를안정화시키기위하여지르코니아에 Y2O3, MgO, CeO 등의금속산화물을첨가하면일부지르코니아는냉각이진행되더라도단사정계로변화하지않고정방정계결정구조로남아서미세구조를형성하고단사정계의지르코니아에의해서제한된공간으로둘러싸이게된다. 이처럼정방정계와단사정계가공존하여안정화된지르코니아를부분안정화지르코니아 (partially stabilized zirconia: PSZ) 라고한다. 다량의금속산화물이함유되어단일상의정방정계의결정구조가존재하는경우정방정지르코니아다결정체 (tetragonal zirconia polycrystalline: TZP) 라고하며, 치과에서사용되는지르코니아는 Yttria (Y2O3) 를 3-5mol% 첨가한 yttrium tetragonal zirconia polycrystalline (Y-TZP) 가주를이루고있다. CAD/CAM 지르코니아블록은정방정지르코니아다결정체를블록형상으로제작한것으로서완전소결과반소결지르코니아가널리사용되고있다. 완전소결지르코니아는가압성형후미리최종소결한블록으로서, 경도가높고가공효율이낮으며밀링과정에서온도가상승될경우상전이로인해파절 대한치과보철학회지 51 권 3 호, 2013 년 7 월 163
이나균열이생길수있다. 그렇지만밀링후수축이없으므로정밀도가우수하고반소결지르코니아에비해강도와투명도가높다. 반소결지르코니아는가압성형후저온에서반소결한것으로연질이므로가공효율이높지만최종소결과정에서일어나는수축으로인해정밀도가떨어지고완전소결지르코니아에비해강도가낮고투명도가낮다. 12 치과용지르코니아시스템의임상수명에관한연구보고가발표되고있다. Ozkurt 와 Kazazoğlu 13 는지르코니아하부구조와상부도재층의이중구조로된완전도재관 ( 이하지르코니아코어완전도재관 ) 의임상성적에대하여 5 년생존율을 97.8% 로보고하였고실패는 5-unit framework 의연결부에서일어났다고하였다. 또한가장빈번한합병증은상부도재의균열이나파절이었다. Sailer 등 14 은 3 년간 46 개의지르코니아코어완전도재관을관찰한결과지르코니아코어는 100% 성공률을보였으나 13% 에서상부도재의파절이일어났다고하였다. Molin 과 Karlsson 15 은 3-unit 지르코니아코어완전도재관의생존율을 5 년간 94.7% 로보고하였다. 도재의파절을막기위해서완전도재관의파절강도를측정하는것이필요하며교합력을수용하기위해어느정도의두께가필요한지아는것은중요하다. Craig 와 Powers 16 의연구에서치아의최대교합력은전치에서는 155 N, 견치에서는 208 N, 소구치에서는 288 N, 대구치에서는 565 N 으로보고하였다. Waltimo 와 Könönen 17 의연구에서는여성에서는전치부에서 325 N, 구치부에서 777 N 이었으며, 남성에서는이보다높은값이측정되었는데전치부에서 382 N, 구치부에서 909 N 이었다고보고하였다. 또한심한교합면마모를보이는환자들의평균최고교합력을조사한결과전치부에서 777 N, 구치부에서는 911 N 을보인다고하였다. 18 또다른연구에서는건강한성인남녀의근전위도측정결과최대교합력은평균 700 N 정도이고최대 1221 N 의교합력을보이는경우도있다고보고하였다. 19 본연구에서금속도재관의파절강도는금속코핑이 0.5 mm 이고도재의두께가 1.0 mm, 1.5 mm 일때각각 2515.71 N, 3473.31 N 을나타내었다. rukl 과 Ocampo 20 은 0.3 mm 금속코핑에전체 2.0 mm 두께를갖는금속도재관에수직하중을가했을때평균 1895 N 으로보고하였고, 이등 21 은 0.5 mm 금속코핑을갖는 1.0 mm 와 1.5 mm 두께의금속도재관의파절강도측정실험에서반복하중을가하지않은경우각각 1956 N, 2856 N 을보고하였다. 본연구에서측정된값은이보다높은값으로금속도재관을임상적으로적용하였을때성공적으로사용할수있을것으로사료된다. 완전지르코니아크라운은실험 1 군에서 646.48 N, 실험 2 군에서 866.40 N, 실험 3 군에서 978.82 N, 실험 4 군에서 1196.82 N, 실험 5 군에서 1222.41 N, 실험 6 군에서 1781.24 N 으로두께에따라파절강도가증가하였다. 이등의연구 21 에서 Kavo CAD/CAM 시스템 (Kavo, iberach, Germany) 을이용하여완전지르코니아크라운을제작하고반복하중을가하지않고두께에따른파절강도를측정한결과완전지르코니아크라운의교합면두께가 0.5 mm, 0.8 mm, 1.1 mm 일때각각 635.8 N, 1439.9 N, 3280.3 N 이라고보고하였다. 본연구와비교하였을때같은두께의 Prettau 지르코니아에서더낮은파절강도를나타냈고두께가증가할때그차이는더크게나타났다. Ferrario 등 19 이제시한최대교합력과수치적으로단순비교하였을때구강내에서안전하게사용할수있는두께는실험 6 군인 1.0 mm 와그이상으로사료된다. 또한실험군에대한사후감정을시행하였을때실험 2, 3, 4, 5 군의평균파절강도는통계적으로유의한차이를보이지않았지만실험표본이더많고균일한실험결과를나타냈다면서로다른실험군간에통계적차이가있었을것이라고생각된다. 본연구에서만능시험기를이용하여분당 1 mm 의속도로수직적인하중을주고파절강도를측정하는것을택했으며, 넓은면적의접촉이파절강도를증가시키며결과의일관성을부여하므로 22 편평한기능교두정에접촉하여하중이가해지도록하였다. 본연구는하중이수직적으로만가해진결과이며타액에의한습윤한상태, 삽입되는음식에의한온도변화, 교합력에의해즉각적, 점진적으로반응하는치주인대와치조골을고려하지않은점등구강내의조건과는다르므로실제임상에그대로적용하기에는한계가있다. 그러나임상실험이전에기초적인자료를제공할수있으므로향후이와관련하여다양한요소들이고려되는실험연구와임상연구가계속이루어져야할것이다. 결론 본연구는완전지르코니아크라운의두께에따른파절강도를알아보기위하여완전지르코니아크라운의교합면의교두정두께를 0.5 mm, 0.6 mm, 0.7 mm, 0.8 mm, 0.9 mm, 1.0 mm 로제작하고대조군으로는금속도재관을 0.5 mm 두께의금속코핑위에상부도재의두께가 1.0 mm, 1.5 mm 가되도록제작하였다. 각각의완전지르코니아크라운과금속도재관은만능시험기하에서수직으로기능교두에하중을가한후파절강도를측정하였고다음과같은결과를얻었다. 1. 완전지르코니아크라운과금속도재관은모두교합면도재의두께가증가할수록파절강도는높게나타났다. 2. 금속도재관은도재의두께가 1.0 mm 와 1.5 mm 일때유의한차이가없었으며이는구강내의교합력을견디기에충분한파절강도를지닌다. 3. 완전지르코니아크라운은대구치부에서최대교합력보다높은파절강도를갖기위해서는 1.0 mm 이상의두께가필요하다. References 1. Ernsmere J. Porcelain dental work. r J Dent Sci 1900;43:547-50. 164 대한치과보철학회지 51 권 3 호, 2013 년 7 월
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ORIGINAL ARTICLE 장수아 김윤영 박원희 이영수 * 한양대학교의과대학치과학교실 연구목적 : 본연구의목적은전통적인금속도재관과완전지르코니아크라운의교합면두께에따른파절강도를비교하는것이다. 연구재료및방법 : 하악제 1 대구치에해당하는레진치를교합면 1.5 mm, 변연은 1.0 mm 폭의 rounded shoulder 로하고축면경사각이 6 가되도록삭제하여금속다이 64 개를제작하였다. 완전지르코니아크라운은 ZIRKONZAHN CAD/CAM 을이용하여 Prettau zirconia blanks 를절삭하여 48 개의크라운을제작하고교합면교두정의두께에따라 6 개군으로분류하였다 (0.5 mm, 0.6 mm, 0.7 mm, 0.8 mm, 0.9 mm, 1.0 mm). 16 개의금속도재관을제작하여교합면교두정도재의두께에따라 2 개군으로분류하였다 (1.0 mm, 1.5 mm). 완성된완전지르코니아크라운과금속도재관은만능시험기상에서치아교합면에수직으로하중이가하도록하여파절강도를측정하였다. One-way ANOVA, Tukey multiple comparison test (α=.05) 와 t-test (α=.05) 로검정하였다. 결과 : 본연구의결과는다음과같다. 1. 실험 1 군은가장낮은값 (646.48 N) 을나타내었고 (P<.05), 실험 2, 3, 4, 5 군은교합면의두께가증가할수록파절강도는증가하였지만 (866.40 N, 978.82 N, 1196.82 N, 1222.41 N) 통계적으로유의한차이를나타내지않았다 (P>.05). 실험 6 군은다른군보다통계적으로유의하게가장높은값 (1781.24 N) 을나타내었다 (P<.05). 2. 대조군의파절강도는도재의두께가 1.0 mm 와 1.5 mm 일때각각 2515.71 N, 3473.31 N 이며이는통계적으로유의한차이를나타내지않았다 (P>.05). 결론 : 완전지르코니아크라운은대구치부에서최대교합력보다높은파절강도를갖기위해서는 1.0 mm 이상의두께가필요하다. ( 대한치과보철학회지 2013;51:160-6) 주요단어 : 완전지르코니아크라운 ; 파절강도 * 교신저자 : 이영수 133-792 서울시성동구행당동 17 한양대학교병원치과보철과 02-2290-8675: e-mail, leeys@hanyang.ac.kr 원고접수일 : 2013년 4월 19일 / 원고최종수정일 : 2013년 6월 11일 / 원고채택일 : 2013년 7월 3일 c 2013 대한치과보철학회 cc 이글은크리에이티브커먼즈코리아저작자표시-비영리 3.0 대한민국라이선스에따라이용하실수있습니다. 166 대한치과보철학회지 2013 년 51 권 3 호