치아가 상실된 경우 과거에는 단순히 저작과 발음기능의 회복과 같은 기능적인 측면이 주된 관심사였지만, 최근에는 그러한 기능적인 회복만이 아니라 심미적인 측면에서도 만족할 만한 결과를 요구하고 있다. 이러한 환자들의 요구와 재료 및 치료 술식의 발달로 금속 수복물보다는 금속-도재수복물이나 금속 사용이 배제된 도재 수복물의 사용이 증가하고 있다¹⁾. 하지만 금속-도재 수복물의 경우에는 도재 소성과정을 거치는 동안 금속하부 구조의 변형 및 이에 따른 적합성 문제, 금속의 불투과성에 의한 변연 치은부의 비심미성 및 금속으로 인한 과민반응이 일어날 수 있는 가능성 등이 문제점으로 지적되고 있다^2,3).

1980년대 후반부터 치의학 분야에는 심미성이 높은 전부 도재수복 시스템들이 소개되어 상용화되기 시작했으나, 낮은 파절 강도로 인해 시장성을 충분히 확보하지 못했다. 이를 해결하기 위한 대안으로 다양한 재료의 술식이 개발되었고, 2000년대 초반부터 지르코니아를 이용한 보철물이 소개가 되었는데, 지르코니아는 산화 지르코니움(zirconium oxide, ZrO₂)의 총칭으로 화학적 안정성과 체적 안정성을 갖는 다형(polymorphic)구조로 되어있으며, 상전이 시 발생하는 체적확장에 의해 균열의 진행을 억제하여 기존의 도재에 비해 높은 굴곡 및 파절 강도를 갖고 있다⁴⁾. 외부에서 가해지는 응력 또는 기공과정에서 발생하는 응력에 의하여 정방정계 결정상이 단사정계 결정상으로 상변이(phase transformation)가 일어날 수 있다. 이때 3∼5%의 부피팽창을 수반하여 내부 압축응력이 형성되면 미세균열의 진행을 억제하여 강화효과를 얻을 수 있고, 이러한 복잡한 메커니즘을 상변이 강화(transformation toughening)라고 한다⁵⁾.

하지만 지르코니아의 내구성에 대한 연구에서 높은 강도와 인성에도 불구하고 정방정 지르코니아를 저온에서 장시간 사용하면 정방정상에서 단사정상으로의 자발적인 상변이가 일어나, 이에 따른 부피 팽창이 시편 내에 미세균열을 유발하여 강도의 급격한 저하가 일어나는 저온열화(low temperature degradation) 현상이 생긴다는 연구보고가 있다⁶⁾.

Chevalier 등⁷⁾의 연구에서는 250℃ 이하의 습윤 환경(물, 증기)이 지르코니아 상변이에 미치는 영향을 보고하였다. 연구결과 불순물 함량, 결정 크기, 밀도, 미세구조뿐만 아니라 습윤 환경과 온도가 정방정계에서 단사정계의 상(phase)으로 불안정화를 유도한다는 것을 보고하였다. 이러한 불안정화는 지르코니아 표면의 거침과 정방정계 상태의 결정을 단사정계의 상으로 상변이를 유도하여 미세 잔금을 야기한다고 한다.

지르코니아 전장용 상부 도재의 파절 원인에 대해서는 많은 연구⁸⁾가 진행되고 있는데, 지르코니아 코어와 상부 도재간의 결합력이 낮고 파절되는 원인으로는 열팽창계수 차이에 의한 응력집중과 지르코니아에 대한 상부 도재의 낮은 젖음성, 상부 도재의 소성에 따른 수축, 열이나 응력부하에 의한 지르코니아와 상부 도재 계면에서의 지르코니아 결정변태와 제작과정에 발생한 결합 등으로 연구되고 있다⁹⁾. 또한 장기적인 임상연구에서도 지르코니아 전부도재관에서의 전장도재가 과도하게 탈락(delamination)되는 현상에 대한 연구 보고가 있다. Sailer 등¹⁰⁾의 연구에서는 3년 후에 약 13% 정도 파절되었다는 임상연구가 있으며, 이와 같은 결과는 금속도재관의 실패율과 비교했을 때 상당히 높은 것이라고 보고되고 있다¹¹⁾. 구강 내 환경은 치과재료의 물리화학적 변화를 유발할 가능성이 매우 높다. 특히 수분이 있는 환경에서 온도 변화는 저온열화 발생을 위한 조건을 제공한다. 따라서 치의학 분야에서 지르코니아 보철의 성공적인 적용을 위해서는 이러한 구강 내 환경에서 피로의 특성을 파악하는 것이 매우 중요하다.

본 연구는 지르코니아의 저온열화가 보철물의 안정성 및 내구성에 미치는 영향을 확인하기 위해 구강 내 조건을 재현한 고온증기 멸균소독기에 장시간 시편을 처리한 후 전단결합강도를 측정하여 지르코니아 전부도재관의 열에 의한 변화를 알아보고자 하였다. 또한 지르코니아 코어와 전장용상부 도재 간의 계면에서 발생하는 파절양상을 분석하여 기초자료를 제공하고자 하였다.

1) 실험 재료

본 연구에서 사용한 yttria 안정화된 지르코니아는 computer-aided design/computer-aided manufacture (CAD/CAM) 가공용으로 제작된 Rainbow block (Dentium Co., Inc., Seoul, Korea)을 사용하였고, 전장도재는 Vintage Hale ZR (Shofu Inc., Kyoto, Japan)을 사용하였다. 실험에서 사용된 치과용 지르코니아와 전장도재의 조성은 Table 1과 같다.

2) 시편 제작

구강환경에서의 열변화가 상부도재 세라믹과 지르코니아 코어와의 전단결합강도에 미치는 영향을 알아보기 위하여 전용의 지르코니아 블록(Rainbow)을 International Organization for Standardization (ISO) 6872 규격¹¹⁾에 의거하여 두께 1.2 mm (±0.2 mm), 직경 12∼16 mm의 디스크 형태 시편으로 제작하였다. 가소결된 시편은 water-cooled diamond disc (Metsaw; R&B Inc., Seoul, Korea)를 이용하여 디스크 형태로 제작하고 전용 소환로(Zirkonofen 600; Zirkonzahn GmbH, Gais, Italy)에서 최종 소결하였다. 지르코니아 표면의 거칠기를 일정하게 만들기 위해 400, 600 grit silicon carbide paper (Buehler Ltd., Lake Bluff, IL, USA)로 연마한 후 증류수에 넣어 5분간 초음파 세척한 다음 건조하여 사용하였다. 시편마다 동일한 크기를 갖는 도재를 축성하기 위해 실리콘 몰드를 사용하여 두께 4 mm, 직경 5 mm의 상부도재(Vintage Halo ZR)를 제조사의 소성 스케줄에 따라 완성하였다. 한 명의 숙련된 치과기공사가 작업하고, 도재의 수축량을 감안하여 동일한 과정을 모든 시편에 2회에 걸쳐서 시행하였다. 각 실험군 당 7개의 시편을 제작하여 4개의 실험군으로 총 28개의 시편으로 실험하였다(Fig. 1).

1) 저온열화 실험

구강 내 지르코니아 코어의 내구성에 대한 실험을 단기간에 하기 어렵기에 수년간 구강 안에서 코어를 장착한 것과 같은 인위적 노화 환경을 조성하고자, ISO 13356 규격¹²⁾에 따라 고온증기 멸균소독기(1L-NS-AS; Ilshin Autoclave, Seoul, Korea) 134℃의 온도에서 0.2 MPa의 압력의 수열조건에서 시행하였다. Chevalier 등⁷⁾은 약 5시간 동안 134℃에서, 증기 살균은 37℃에서 15~20년의 열화를 재현한 것과 같음을 보고한 바 있다. 선행 연구에 의거하여 저온열화의 정도를 조절하기 위해 동일한 방법에서 3, 5, 10시간으로 나누어 진행하였다.

2) 전단결합강도 측정

완성된 시편들은 만능시험기(Model 8871; Instron, Canton, MA, USA)에 전단장치를 부착하여 ISO/TR 11405 규격¹³⁾에 의거하여 cross-head speed 0.5 mm/min로 압력을 가하여 시편의 지르코니아 표면에 결합된 상부도재가 파절될 때의 힘(load)을 측정하였다. 지르코니아 표면에 결합되어 있는 전장도재가 힘에 의하여 파절되는 값과 단면적을 이용하여 산출한 전단력을 지르코니아-전장도재 간의 결합력으로 평가하였다(Fig. 2).

3) 파절면 관찰

전단결합강도 측정 후 접착계면의 파절양상은 Table 2와 같은 기준¹⁴⁾으로 실체현미경(KH-7700; Hirox, Kyoto, Japan)으로 관찰하여 분류하였다.

4) 통계분석

전단결합강도의 평균과 표준편차를 계산하고, 측정된 각군의 전단결합강도 간에 유의할 만한 차이가 있는지를 검증하기 위해 SPSS 12.0 통계처리프로그램(SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 사용하여 일원분산분석(one-way ANOVA)을 통해 시행하였고, 집단 간의 차이를 다중비교검정의 하나인 Tukey’s honestly significant difference test 방법을 통해 사후분석하였다. 본 논문에서 사용된 모든 통계는 95%의 유의수준에서 검정되었다.

각 실험군에 대한 전단결합강도의 평균과 표준편차는 Table 3과 같으며, 각 실험군 간의 전단결합강도 차이를 검정하기 위해 일원분산분석을 시행한 결과 각 실험군 별로 전단결합강도는 유의한 차이가 있었다(p<0.05, Table 4). 지르코니아 코어와 전장도재 간의 평균 전단결합강도는 저온열화를 시행하지 않은 그룹에서는 24.29±2.42 MPa, 10시간 저온열화를 시행한 그룹에서 20.17±2.79 MPa로, 가장 장시간 저온열화를 처리한 시편이 유의하게 전단결합강도가 낮아진 것으로 나타났다(p=0.031).

저온열화 처리하여 지르코니아 코어와 전장도재 간의 전단결합강도 측정 후 파절양상을 살펴본 결과, 저온열화 처리를 하지 않은 시편에서는 표면에 전장도재 내에 파절이 발생되는 응집성 파절이 비교적 많이 관찰되는 것을 알 수 있었으며, 저온열화 처리가 길게 진행될수록 접착성, 응집성 파절이 혼합하여 동시에 발생하는 혼합형 파절이 대부분 관찰되었다(Fig. 3).

지르코니아는 높은 파절강도와 투과성으로 인해 심미치과 영역에서 첨단 신소재로 개발되기 시작했으며, 치과 CAD/CAM 술식에서 사용되는 지르코니아는 안정화제 Y₂O₃ 첨가물이 사용되어 yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystal로 알려져 있다¹⁵⁾. 안정화된 지르코니아는 외적으로 가해지는 충격이나 스트레스를 받게 되면 미세균열이 발생되고 균열 주변에 자발적인 상변이를 일으키며 3∼5% 정도의 팽창을 하며 국부적인 응력을 형성하여 균열이 더 진행 및 전파되지 않도록 한다. 그리하여 다른 세라믹과는 다른 상변이를 통한 인성증가(transformation toughening mechanism)로 인하여 높은 파절저항성을 갖게 된다. 하지만 상변이에 따른 이러한 기구의 인성이 증진되는 장점과는 다르게 파절의 원인으로 단사정으로서의 상전이에 의한 표면의 조도화, 입계의 파괴, 미세균열의 발생 등에 강도와 경도의 감소가 거론되고 있다⁶⁾. 일반적으로 상전이에 따른 열화는 100℃∼400℃에서 장시간 열처리에 의해 일어나지만 물이나 수증기 하에서 열화 속도가 가속되는 것으로 알려져 있다¹⁶⁾. 상온에서 안정화된 정방정상의 지르코니아의 균열주변으로 발생된 단사정의 분포가 많게 되고 이로 인하여 전체적인 강도의 저하와 정방정상의 지르코니아 열팽창계수(coefficient thermal expansion)인 8.5∼10.5×10⁻⁶에서 단사정상에서는 6.5∼7.5×10⁻⁶로 변하게 되어 지르코니아를 하부구조로 사용하고 그 위에 전장도재를 축성 후 소결시킨 도재관의 경우 파절 및 박리를 야기시킬 수 있는 원인이 될 수 있다¹⁷⁾.

본 연구에서는 구강 내 환경에서 지르코니아 심미보철물의 전장도재 결합력 실험을 직접적으로 수행하기 어렵기에, 수년간 구강 안에서 보철물을 장착한 것과 같은 인위적인 노화(aging) 환경을 조성하였다. 그리하여 시판 중인 Rainbow block을 가공한 시편을 준비하여 autoclave에서 저온열화 실험을 하였다. 이 연구의 목적은 구강 내 환경에서의 저온열화가 전장도재와 지르코니아의 결합력에 어떠한 영향을 미치는지 알아보고자 하는 것이다.

본 실험결과 저온열화 전과 처리시간에 따른 전단결합강도 결과는 저온열화 처리 전은 24.29 MPa, 저온열화 처리시간이 길수록 결과 값은 감소되는 경향을 보였다. 10시간 저온열화 처리 후의 전단결합강도는 20.17 MPa로 나타나 통계적으로 유의한 차이가 있었다(p<0.05). 기존 연구에서 수분과 열에 의한 저온열화현상으로 인해 지르코니아의 결정에 미세균열이 발생되는 것으로 판명되었으며, 수분의 양이 많고 온도가 높을수록 미세균열이 가속화됨을 조사한 바있다^18,19). Michael 등²⁰⁾의 연구에 의하면 전장도재 축성과정에서 도재에 함유된 수분이 도재와 지르코니아 간의 결합력을 감소시킨다는 연구가 보고되었다. 전장도재 축성과정에서 사용되는 수분은 소성 전 건조과정에서 수증기로 증발하게 되고 지르코니아 결정은 수증기에 노출된다. 그러므로 전장도재 내부의 수분이 증발하는 동안 정방정계의 상에서 단사정계의 상으로 전환되고, 균열현상을 유발하여 전장도재와 지르코니아 코어의 결합력이 떨어지는 결과를 낸 것이라는 결론을 내었다. 이와 같은 결과를 미루어 볼 때 본 실험의 결과와 유사함을 확인할 수 있었다. 또한 Kohorst 등²¹⁾은 고압증기멸균기를 이용하여 134℃ 열수 상태(hydrothermal condition)에 5시간 보관한 후 전장도재를 소성한 실험군의 전단결합강도가 유의하게 낮게 측정된 결과도 본 실험에 결과를 뒷받침할 수 있겠다.

파절양상은 항상 결합강도의 결과 값과 일치하지 않지만 저온열화 처리를 하지 않는 높은 전단결합강도에서는 응집성 파절 양상이 많이 발생되었으며, 저온열화 처리를 한 시편에서는 혼합형 파절 양상을 이루었다. 지르코니아와 전장도재 간의 결합력이 전장도재 파절강도보다 높은 경우 응집성 파절 양상을 보이며, 전장도재의 강도가 낮다면 접착성, 혼합형 파절이 나타난다고 한다²²⁾. 이러한 경우를 볼 때 파절양상과 결합강도 값의 관계성을 정확히 논하기 어렵지만, 저온열화 현상으로 인한 상전이가 기계적인 강도를 저하 시켜서 이와 같은 파절 경향을 보였다 판단할 수 있다.

치과용 지르코니아는 심미보철물의 수복재료로 본격적으로 사용된 지 얼마 되지 않았으나 구강 안에 존재하는 타액이나 음식물과 같은 수분과 저작압, 측방압 등 기계적 마찰력으로 의해 저온열화 현상이 일어날 수 있는 가능성이 산재한다. 또한 구강 안에 완성된 심미보철물을 장착한 후 오랫동안 가해지는 응력들이 표층에서 심층으로 축적이 될 것이라 짐작되기에 상전이를 일으키게 되고 저온열화 현상이 진행될 것이다. 이에 본 실험설계의 지르코니아 코어와 전장도재의 전단결합강도 평가는 심미보철물의 내구성을 예측하는 데 매우 유용할 것이라 생각된다. 하지만 전단결합강도에 영향을 주는 하중속도, 응력분산 유형, 두께 비율, 결합면의 길이와 넓이 및 파절 시작점의 위치와 균열 확산 경로 등²³⁾ 다양하기 때문에 절대적인 임상적 결과로 확대 해석하기에는 다소 무리가 있음을 고려해야 할 것이다.

본 연구는 치과용 지르코니아와 전장도재 간의 전단결합강도를 실험하였고, 저온열화 현상 중에 전장도재와의 결합력이 약화되는 양상을 나타냈다. 그러나 본 실험에서 사용한 시편은 임상적인 치과 수복물의 형태를 반영하지 못하였고, 단일제품으로 실험을 진행하였기에 심미 보철물로 사용하는 치과용 지르코니아에 대한 일부 연구로서의 한계를 갖는다. 그렇지만, 치과용 지르코니아를 이용하여 제작되는 보철물의 내구성 및 재료에 대한 안정적인 사용을 위한 시사점을 제시했다고 본다.