1 Zirconia abutment 의활용 Part I 단국대학교치과대학보철학교실이종혁 Ⅰ. 서론완성도높은보철물을위해서는기능성과생물학적요건그리고심미성을만족시켜야한다. 최근들어심미적인면에대한관심이증가하면치과치료전반에걸쳐심미성을강조하는술식과재료들이많이보급되고있다. 보철분야의심미수복재료는도재와복합레진수복물이주로사용되고있는데금속도재는장기간의안정된예후를보이나하부의금속구조물로인해심미성에한계가있으며복합레진의경우변색이나마모등의한계가있다. 전부도재관의경우그물성이많이향상되었으나파절에취약하며무치악부를수복하기위한 bridge design에한계를가지고있다. 1-3) 이러한물성과심미성을모두만족시키는재료는아직없으나 zirconia를이용한수복물이금속의색을가지지않으며기존의도재에비해높은강도를가지고있어대안으로떠오르고있다. 심미수복재료로 zirconia를이용한보철이점차치과에서그사용이증가하고있으며자연치에대한보철뿐아니라임프란트에서의활용도증가하고있다. 이에 zirconia abutment의활용이라는주제로 zirconia 전반에대한고찰과임상적활용에대하여논의해보고자한다. 를증가시키기위해강화된 ceramic core가요구되었으며 aluminous core가주로사용되어왔다. Aluminous core를이용한재료이외에도 Empress와같은강화형도재와 zirconia를 core로이용한심미수복물이사용되고있으며이들의심미는주로빛의자연스러운투과에서기인한다. 4,5) 그러나기존의임프란트지대주 (abutment) 가금속을이용한재료로되어있고이들은빛을투과하지않기때문에전부도재관을이용한수복은한계에부딪힐수밖에없었다 (Fig. 1). Fig. 1. 상악우측중절치가임프란트와전부도재관으로수복되었다. 지대주의불투과성으로인해설측에금속그림자가보인다. Ⅱ. Zirconia abutment 를사용하는이유 1930년 Land에의해처음으로 all ceramic crown이개발된이래로전부도재관의가장큰당면과제는파절강도의증가였다. 심미성을유지하면서파절강도 Fig. 2. 상악전치부 (#12=21,22) 가임프란트와금속도재수복물로수복되었다. 치은이퇴축되어지대주의금속색이외부로노출되어있다.
2 금속지대주를사용한보철수복물은특히심미적인요구사항이큰부위를수복한경우치은퇴축이발생하면금속이노출되어심미성에현저한문제를일으키기도하였다 (Fig. 2). 이러한심미적인요구를충족시키기위하여도재를이용한지대주가개발되었는데 Nobel Biocare사의 Ceraone abutment는금속지대주에 alumina cap을사용하여 cap에도재를축성하여수복하도록하였으며, 1993년에는 alumina를이용한도재지대주인 Ceradapt TM abutment를상품화하였다 (Fig. 3). a b c Fig. 3. Ceraone abutment (b) 와 Ceramic cap (a). Ceramic cap에도재를축성하여티타늄 abutment에접착하였다. Ceradapt TM abutment (c) 는지대치형태로삭제하여 cement abutment로사용하거나직접도재를축성하여 screw type으로사용하였다. 이상품들은개선된심미성을재공하였으나기존의금속도재수복물에비해높은실패율을보였는데이는주로파절로인한것으로그원인으로는지대치형성과정중에발생하는 crack이지적되었다. 이는도재자체가가지는물성의한계를반영한것으로볼수있다. 6-8) 그러므로도재가가질수있는심미성을유지하면서금속에준하는강도를가진재료가요구되었다. Zirconia는비금속성색을가지고있어서치아의색과조화를이룰수있으며생체적합성이좋으며, 치태의침착이적고또한높은강도를가지고있어서심미성이요구되는부위의임프란트지대주로사용할수있는대안으로알려지고있다. 9-12) Ⅲ. Zirconia란무엇인가 Zirconia와관련된용어로 zirconium, zirconia, zircon이있다정확한의미를모르고섞어서쓰는경향이있지만엄연히다른뜻을가지고있다. 임프란트나보철물에사용하는재료는 zirconia로이는주기율표의원소번호 40번에해당하는금속원소 zirconium (Zr) 의산화형태로 zirconium dioxide (ZrO2) 를말한다. 이에반해 zircon은 zircon silicate mineral (ZrSiO4) 을의미하는것으로, 이는천연보석의한종류로호주의자연사박물관에는지구에서가장오래된광물의하나로추정되는 44억년전 zircon조각이전시되고있다. 자연상에서 Zirconium은 Zircon이나 Baddeleyite (ZrO2) 의형태로존재한다. Zirconia는매우강한물성 ( 경도 8.5) 으로금속을대체하는다양한용도로사용되고있는데각종연마제나심한마모에대해저항해야하는부속에주로사용되고있다. 또한고온에서전도성을가지기때문에연료전지의고체전해질로사용되기도한다. 높은체적안정성과화학적저항성그리고기계적강도와스테인레스금속에준하는 Young's modulus로인해의료용재료로도관심을받게되었다. 13) 의료용으로사용된고관절대체물에대한논문은 Christel 등에의해처음보고되었으며이후성공적으로사용되어오고있다. 13) 치과영역에있어서 zirconia는 post와 crown/bridge 의 framework 재료로사용되어왔고, 최근들어임프란트의상부보철물로사용되고있으며티타늄을대체하여임프란트 fixture 재료로그사용가능성이타진되고있다. 14-18) Zirconia의이러한강한물성은 polymorphic한특성에서기인하는데, Zirconia의결정형태는단사정계 (monoclinic), 정방정계 (tetragonla), 입방정계 (cubic) 를가진다. 이들의형태는 Fig. 4에서보는것처럼구성성분의변화는없으나결정의체적에변화
3 가발생하는것으로주로열이나외력에의한충격에결정의형태변화가발생한다. 순수 zirconia는상온에서단사정계의상을유지하나 1,170 이상에서는정방정계로상전이가발생하며 2,370 이상에서는입방정계의형태로변화한다. 가열과정에서단사정계 (m) 에서정방정계 (t) 로변화할때 5% 의체적수축이발생하며냉각과정에서정방정계 (t) 에서단사정계 (m) 로상전이시 3~4% 의체적증가가발생한다. 그러므로냉각시발생하는팽창으로인한응력으로균열이발생하며상온에서파절이발생한다. 이러한체적변화를방지하기위해소량의금속산화물을첨가하여상을안정화시키는방법이 Ruff등에의해개발되었으며 13) 입방정이나정방정의고용체로안정화시키면모든온도범위에서상변화가일어나지않아서열충격에안정활될수있다. 19) 이를안정화지르코니아라하며안정화정도에따라 FSZ (Fully Stabilized Zirconia) 와 PSZ (Partially Stabilized Zirconia) 로나뉘고, 안정화제의종류에따라 MSZ (Magnesia-Stabilized Zirconia), YSZ (Yttria- Stabilized Zirconia) 등으로분류되며, 상의종류에따라 TZP (Tetragonal Zirconia Polycrystal) 등이있다. PSZ는입방정과정방정의혼합구조이고 TZP는정방정구조로이들은준안정상인정방정이기계적응력을받으면단사정으로전이하면서응력에너지를흡수하는변태강화 (transforming toughening) 를일으키기때문에높은기계적강도와인성을가지게된다 19) (Fig. 5). 즉 PSZ의경우입방정계와정방정계가혼합된상태인생성온도에서 yttria를첨가하면상이안정화되고, 적절한열처리후실온으로온도를내리면주된입자형태인입방정의격자내에정방정계가갇히게되고팽창이억제되면서단사정으로전이하지못하게된다. 이렇게압력하에있던정방정계는균열에의해입방정의격자가열리게되면억제되었던팽창이발생할수있게되고정방정입자는단사정으로전이하게된다. 이때발생된팽창이균열의인장응력을중화시켜진행을막게된다. 정방정이주된구조인 TZP는전체에서이러한변태강화가발생할수있어서더높은파절강도를가지게된다. 20) 그러므로현재의료용으로는 2~3mol의 yttria를포함하고있으며입자의크기가수백나노미터의범위를가지는 Y-TZP zirconia를가장많이사용하고있다 (Fig. 6. 7). Fig. 5. 파절선이진행되면서발생한응력으로인해파절선주변의입자들의상변화가발생하여응력을감소시켜준다. (from 3M LAVA information CD). a) Cubic b)tetragonal c)monoclinic Fig. 4. Zirconia 의 3 가지상변화형태로고체상태에서변화가발생한다. cubic 의형태에서는 x,y,z 축모두같은값을보이나 tetragonal 에서는 z 축의값이달라지며 monoclinic 에서는모두다른값을가진다. 참고문헌 19 에서그림인용. Fig. 6. Yttria의함량과파절강도의변화 (Lange FF,Transformation toughening, Part 3-Experimental observations in the ZrO2-Y2O3 system. J Mater Sci 1982;17:240-6). 13)
4 확률을통계적분포함수를이용해서나타낼수있다. 세라믹스의파괴거동분석에 Weibull 분포함수를주로사용하는이유는파괴거동을결정하는균열의분포가 Weibull 분포함수에잘일치하기때문이다. 그러므로세라믹스의파괴거동은 Weibull이제시한파괴확률이론과잘일치하며 Weibull modulus m은재료의신뢰도를나타내는기준으로사용될수있으며크기가다른형상의실용물의신뢰도와파괴확률을계산하는데사용된다. 22) Weibull 분포가넓으면편차가크고분포가작으면편차가줄어들게되어얻어진파절강도에대한신뢰도가올라간다고볼수있다. Fig. 7. Zirconia-yttria 화합물의상태도. PSZ 와 TZP 에서 yttria 의함량과공정온도를빗금으로표시하였다. (Scott HG, Phase relationship in zirconia-yttria systems. J Mater Sci 1975;10:1527-35). 13) Ⅳ. Zirconia abutment 의신뢰성 앞에서언급한대로세라믹지대주들의문제점은사용중발생하는파절이며, 이러한파절은지대치형성과정중발생하는 crack이원인인것으로지목되었다. 6-8) 이러한세라믹제품들은금속과달리취성 (brittle) 을가지고있기때문에금속에서사용하는단순한파절강도의비교만으로는물성의우열을가리기어렵다. 이러한취성을가지고있는물질들을비교하기위해서는미세균열의크기와수 (Weibull distribution) 를고려한평가가있어야한다. 21) 세라믹스의파괴거동은균일하지못한내부균열분포에의해결정되므로정량화하기어렵기때문에파괴거동을정량화하기위해서는통계적인관점에서의접근이필요하다. 세라믹스의파괴거동에대한통계적해석을위해서는파괴를일으키는균열이통계적함수에따라분포한다고하는가정이필요하다. 즉세라믹시편의강도는시편에있는결함중가장큰결함에의해지배되기때문에결함의크기분포는시편의강도분포를나타낸다고할수있으며, 세라믹시편의파괴 Luhardt 등 8) 에의하면지대치를형성하는삭제과정은세라믹표면의거칠기를증가시키는결과를보이며, 선반가공 (lapping) 과삭제 (grinding) 을비교할경우삭제시굴곡강도 (flexural strength) 가반으로감소하였으나 Weibull 계수는낮아지는결과를보였다. 이실험에서삭제의진행속도 (feed velocity) 가가장큰영향을미쳤으며삭제요소 (grinding parameter; grinding depth) 는통계적으로유의한영향을보이지않았다. 이러한가공에의한 Weibull 계수의낮아짐은 Kosmac 등의연구결과와일치하였다고하였다. Kosmac 등 23) 은 Y-TZP의 grindign시와 sandblast처리시를비교하여 sandblasting 하였을때 Weibull 계수가낮아지면서강도도유의하게증가하였다고보고하였다. 이러한연구들에서기존의도재수복물과비교시삭제로인한강도의감소는피할수없으나삭제로인해발생한결함 ( 균열 ) 이수복물전체의강도를급격하게손상시키는현상은많이줄어들었음을알수있다. 더군다나적절한처리과정을선택할경우강도의감소를막을수있으며오히려강화시킬수도있음을알수있다. 임상적으로사용되는 Y-TZP의신뢰성에관련된연구로 Cabrera 등 24) 은 20개의 Y-TZP Procea 지대주를두개의군으로나누어실험군은 80μm의다이아몬드버로삭제를시행하였다. 이실험에서파절강도는
5 두군에서통계적으로유의한차이를보이지않았다. Andreiotelli 등 25) 의실험에서는 Y-TZP를이용한일체형세라믹 implant를지대치삭제후열순환및 cyclic loading 120만번을가했을때전치부에서사용할때요구되는최소의파절강도 (400N) 를모두만족시킴을보고하였다. Yildirim 등 12) 의연구에서는 zirconia abutment에전부도재관을수복하여 28개월동안관찰하였으며 zirconia 지대주의 survial rate는 100% 임을보고하였다. Glauser 등 26) 은 Zirconia abutment와 Empress crown을이용한전치부수복에서평균 49개월의관찰결과 zirconia abutment의파절은관찰되지않았다고하였다. Ⅴ. 결론및요약이와같이심미적인요구의증가에따른도재수복물의사용은도재의취성으로인해한계가있었으나 zirconia를이용한수복물이그우수한물성으로한계를극복해나가고있다. 좀더심미적인결과를얻기위해서는원칙을지킨수술과우수한보철물제작능력이있어야하겠지만이를뒷받침할수있는재료의선택이필요하다. Zirconia abutment의사용이아직충분한임상적결과를보여주지는못하고있으나단기간의임상적결과에서우수한성과를보여주고있으며많은실험적연구에서우수한물성을보여주고있으므로앞으로많은사용이있을것으로보인다. Part II 에서는 zirconia에서극복해야하는한계들과임상적으로사용되고있는 zirconia abutment 제품들에대해살펴보고임상적인사용증례를살펴보겠다. REFERENCES 1. Rosenstiel SF, Land MF, Fujimoto J. Contemporary fixed Prosthodontics. 3rd ed. St. Louis, Mosby;2001. 2. Kim SJ, Shin SW, Han JS, Suh KW. Marginal fitness and marginal leakage of fiber-reinforced composite crowns depending upon luting cements. J Korean Acad Prosthodont 2000;38:618-30. 3. Chang HW, Lee JH, Lim HS, Cho IH. A study on the marginal fidelity and the fracture strength of ceromers. J Korean Acad Prosthodon 2005; 43:438-52. 4. Chu SJ, Devigus A, Mieleszko A. Fundamentals of color: shade matching and communication in esthetic dentistry. 1st ed. Carol Stream, Quinte ssence;2004. 5. Schillingburg HT, Hobo S, Whitsett LD, Jacobi R, Brackett SE. Fundamentals of fixed prostho dontics, 3rd ed. Carol Stream, Quintessence ;1997.p.433-54. 6. Andersson B, Taylor A, Lang BR, Scheller H, Scharer P, Sorensen JA, Tarnow D. Alumina ceramic implant abutments used for single-tooth replacement: a prospective 1- to 3- year multicenter study. Int J Prosthodont 2001; 14:432-8. 7. Andersson B, Scharer P, Simion M, Berqstrom C. Ceramic implant abutments used for short-span fixed partial dentures: a prospective 2 year multicenter study. In J Prosthodont 1999;12:18-24. 8. Luthardt RG, Holzhuter M, Sandkuhl O, Herold V, Schnapp JD, Kuhlisch E, Walter M. Reliability and properties of ground Y-TZP-Zirconia Ceramics. J Dent Res 2002;81;487-91. 9. Yildirim M, Edelhoff D, Hanisch O, Spiekermann H. Ceramic abutments-a new era in achieving optimal esthetics in implant dentistry. Int J Periodontics Restorative Dent 2000;20:81-91. 10. Scarano A, Di Carlo F, Quaranta M, Piattelli A. Bone response to zirconia ceramic implants: an
6 experimental study in rabbits. J Oral Implantol 2003;29: 8-12. 11. Tan PL, Dunne JT. An esthetic comparison of a metal ceramic crown and cast metal abutment with an all-ceramic crown and zirconia abutment: A clinical report. J Prosth Dent 2003;91:215-8. 12. Yildirim M, Fischer H, Marx R, Edelhoff D. In vivo fracture resistance of implantsupported allceramic restorations. J Prosthet Dent 2003;90: 325-31. 13. Piconi C, Maccauro G. Zirconia as a ceramic biomaterial. Biomaterials 1999;20:1-25. 14. Albrektsson T, Hansson HA, Ivarsson B. Interface analysis of titanium and zirconium bone implants. Biomaterials 1985;6:97-101. 15. Akagawa Y, Ichikawa Y, Nikai H, Tsuru H. Interface histology of unloaded and early loaded partially stabilized zirconia endosseous implant in initial bone healing. J Prosthet Dent 1993;69:599-604. 16. Akagawa Y, Hosokawa R, Sato Y, Kamayama K. Comparison between freestanding and toothconnected partially stabilized zirconia implants after two years' function in monkeys: a clinical and histologic study. J Prosthet Dent 1998;80:551-8. 17. Sennerby L, Dasmah A, Larsson B, Iverhed M. Bone tissue responses to surface-modified zirconia implants: A histomorphometric and removal torque study in the rabbit. Clin Implant Dent Relat Res 2005;7 Suppl 1:S13-20. 18. Kohal RJ, Klaus G. A zirconia implant-crown system: a case report. Int J Periodontics Resto rative Dent 2004;24:147-53. 19. Jung YS. Behavior of intergranular liqid-phase during sintering & improvement of grain boundary condition by heat treatment in stabilized zirconia. 2003, Seoul National Univ. thesis. 20. Freitag DW, Richerson DW. Chapter 2 Ceramics Industry: Oppertunities for advanced ceramics to meet the needs of the industries of the future. DOE/DRO 2076. U.S. Advanced Ceramics Association and Oak Ridge National Laboratory; 1998. P.10-12 21. Ravichandran G. Dynamic failure of brittle materials: Micromechanics and experiments, Mechanical behavior of Materials-VI, Jono M and Inoue T (Eds). 1st ed, Koto, Pergamon;1991.p. 549-54. 22. Hahn BS, Lee HL. Statistical analysis of thermal shock behavior of alumina ceramics. J Korean Ceram Soc 1999;36:1069-74. 23. Kosmac T, Oblak C, Jevnikar P, Funduk N, Marion L. The effect of surface grinding and sandblasting on flexural stregth and reliability of Y-TZP zirconia ceramic. Dent Mater 1999;15: 426-33. 24. Cabrera M, Hegenbarth E, Thompson VP, Rekow ED, Stappert CF. Fatique analysis of individualized zirconia implant-abutments and crowns. 2007 IADR Abstract 0392. 25. Andreiotelli M. Survival rate and fracture resistance of zirconium dioxide implants after exposure to the artificial mouth: An in-vitro study. 2006, Freiburg Univ. thesis. 26. Glauser R, Zembic I, Wohlwend A, Hammerle CHF, Scharer P. 4-year clinical results of an experimental zirconia abutment. 2002 IADR Abstract 3163.
7 Abstract Zirconia abutment Part I General characteristics Jong-Hyuk Lee Department of Prosthodontics, Dental school of Dankook University As the esthetic demands of dental patients are increased the demands of esthetic implant material are also increased. Zirconia is already used as post and fixed bridge framework in restorative dentistry. It has non-metallic color, low plaque accumulation and good biocompatibility. For that reason, using zirconia as implant material is gathering more interest now. This article deals with the general characteristics of zirconia and its dental applications as implant abutment material.