치과용 세라믹에 관환 고찰을 알아보자.

치과용 세라믹 (ceramic materials)

오늘은 치과에서 쓰는 세라믹에 대해서 풀어보고자 한다 긴 글이지만 잘 봐주시기 바랍니다

그리스어인 keramos에서 유래된 Ceramics는 도자기를 만들기 위한 고대 예술이다. 이 단어는 태운 토양이라는 뜻을 가진 Sanskrit이라는 용어로부터 유래되었다 이는 중요한 구성 요소인 점토가 지반에서 채취되어 도자기를 만들기 위해 달 구워지기 때문이다. 1,2 비록 이 원재료들을 세라믹 물질로 획득하고 정화시키고 제 작하는 방법들이 많이 바뀌었어도, 몇몇의 기본 물질들과 기술들은 여전히 똑같다.

전통적인 Ceramics은 점토를 feldspar, alumina, patash, soda 을 금속산화물의 결합에 중요한 구성요소 중 하나로 사용한다. 세라믹 물질들은 여 히 정제되지 않은 원재료들을 미세한 입자나 가루로 분쇄하고, 입자들을 조각하고 모양을 만드는 동안 서로 붙어있도록 물을 첨 가함으로써 제작된다. 초록색 지 않은 물질은 건조되고 오븐에 넣어 각각의 입자들이 단단한 덩어리로 유착% 특정 온도에서 열이 가해진다. 이 입자들을 유착하는 과정은 소결이라 불리고, 단한 덩어리를 축소하고 강하게 만들면서 끝이 난다.

이 전통 적인 세라믹은 stoneware(tile), earthenware(pottery, porcelain(tableware and china electrical insulators, bricks, sanitary ware(sinks & toilets) 를 포함한다.

■치과 세라믹의 구성

치과용 도재는 주기적 결정 상태의 구성을 만들기 위해 이온결합과 공유결합을 가능하게 하는, 비금속 요소가 금속 요소의 화학 적인 혼합물이다. 가장 흔한 치과 용 도재는 금속산화물(Sio, ALOn KO)과 다른 전통적인 세라믹 물질들로 구성돼 어 있다. 대부분의 치과용 도재는 semicrystalline, silicate, oxides, 그리고 파생된 구조물들이다 복잡한 구조들은 일반적으로 이온 결합, 공유결합을 포함하는 반 면에 간단한 구조들은 보통 이온 결합을 이루고 있다.

이론적으로는 일반적인 치과용 도재의 기본 구성 요소들은 전통적인 도재의 기본 구성요소들과 유사하다. 이 혼합물은 장석, 규조토, 고령토 점토로 정제된 )를 포함 한다. 그러나 치과용 도재와 다른 전통적인 도재에 쓰이는 각각의 porcelain의 가 장 큰 차이점은 주요 구성성분의 비율이다.

전통적인 도재는 주로 점토로 이루어진 반면 치과용 도재는 주로 장석으로 이루어져 있다. 장석은 회색 결정의 물질이고 화학적 구성요소는 칼륨염, 산화알루미늄, 규산염이다. 장석의 다른 구성요소들은 운모와 철을 포함하며, 이것들은 장석 암석을 깨트리면서 기계적으로 강한 자석을 이용하며 후반 단계에서 제거된다. 순수한 장석 조각들은 가루 형태의 입자로 빻아지고 분쇄된다.

석영 결정은 무수 규산(Sio)의 주 근원이며, 이것들은 작은 조각들로 나눠지기 위해 찬물에서 열이 가해지고 급랭된다. 이 작은 석영 조각들은 미세한 입자들로 빻아지고 분쇄되며, 자석과 함께 철 불순물은 제거된다. 치과용 도재는 대략 15%의 석영 입자로 구성되어 있다. 이 석영 입자는 도재가 소성되는 온도에서 녹지 않으 며, 가용성 요소에 의해 둘러싸여 있다. 이것은 흩어진 상에 기여되는 석영의 결정 층이며, 연속적인 무정형의 상에 의해 둘러싸여 있다. 이 결정층은 도재의 투과성의 시각적 효과를 부여하며 소성되는 동안 수축을 막는다.

고령토는 강바닥에서 얻어 지는 점토의 자연적인 형태이다. 이 점토를 씻고 말 리면 순수하고 미세한 입자가 된다. 치과용 도재에서 고령토는 작은 비율(즉, 4%)이지만 입자 간 접합제로 쓰인다. 고령토는 녹지 않는 입자를 덮고 끈적임을 만들어 젖은 도재 입자들을 함께 고정하게 한다. 이 것은 기공사로 하여금 분말- 액체 덩어리를 조작함으로써 수복물의 형태를 조절할 수 있게 해 준다.

도재로 수복된 치아에 색을 부여하기 위해 적은 양의 착색제가 도재입자들에 더 해진다. 이 색 쇄은 빻아지고 장석 가루와 섞인 금속산화물로부터 유래된다. 이 혼합물은 구워지고 유리와 혼합된 후에 다시 가루로 빻아진다. 이 산화물들은 고동 색 명암에 쓰이는 철 산화물, 초록색 명암에 쓰이는 구리 산화물, 노란색 명암에 쓰이는 티타늄 산화물, 보라색 명암에 쓰이는 망간 산화물, 파란색 명암에 쓰이는 코 발트 산화물, 불투명 색에 쓰이는 주석 산화물을 포함한다. 게다가 희토류는 형광을 내기 위해 적은 양으로 첨가될 수 있다.

■ 역사적 시각

지난 세기의 도재 재료의 진화는 기능과 심미 사이의 상호작용의 결과이다. 역사 적으로 강도에 대한 관심은 도재 수복물의 심미성과 타협하게 되었다. 공장에서 만 들어진 porcelain facings cemented to gold-reinforced casting은 자연치열과 유사한 수복물을 만들기 위한 임상가의 능력을 제한하였다.

다양한 발전이 1950년부터 현재까지 도재 재료들을 제조하고 디자인한 시대 이후 로 이루어졌다 1950년대에 진공 연소 혹은 저기압 연소로 만들어진 미세 도 재가루의 발전이 중대한 돌파구가 되었다. 1960년대에는 금합금과 고강도의 알루미늄 코어에 도재를 결합시킨 금속 도재 수복물과 알루미늄 도재 크라운이 쇄되었다. 유사한 시기 동안, 기술자들은 광선 송신과 자기 물질의 다른 굴절의 색인과 더욱 자 연적인 도재 수복물을 제조하기 위한 발전된 기술들의 중요성을 이해하게 되었다.

" 1970년대는 shoulder 도재와 collarless 금속도재관의 발전을 위한 새로운 기술이 등장했. 1980년대는 고강도의 알루미늄 코핑의 발전을 위한 slip casting 기술의 개선과 더불어 심미와 강도를 다 얻을 수 있는 치과용 도재를 위한 중요한 시기였다. 부가적으로, 그 10년 동안 산 부식된 도재에 복합레진의 결합하는 개념을 가 져왔으며 이는 성공적인 제작과 더불어 도재 비니어의 입지를 만들어냈다 1990 년대엔 lost wax 과정과 hot pressing을 통한 leucite-reinforced porcelain restoration을 제공하는 Pressable ceramic system이 발표됐다.

21세기로 넘어 오면서 지르코니아의 CAD/CAM의 발전을 통하여 기능과 심미를 동시에 개선할 수 있음이 증명되었다. 이러한 세라믹 재료의 발전이 미래 수복 치료의 가능성을 넓히고 새롭게 창조했다. 이러한 수복 시스템에 대한 속성과 능력을 아는 것은 치료 선택에 대한 안목을 제공할 수 있다.

■세라믹 재료의 성질

세라믹 재료는 상당한 기간 동안 치과용 수복재료로 쓰여 왔다. 매우 안정된 이 재료의 응용은 꽤 광범위하다. porcelain jackets, porcelain fused to metal, inlays/onlay, core 재료 그리고 비니어가 이에 포함된다. 이들의 가장 중요한 성 질은 색조 안정성, 구강 내에서의 상대적 불용성, 그리고 탁월한 내마모성이다.

도재의 압축 강도는 꽤 높은 반면 연성과 충격 강도는 상대적으로 낮다. 결과적 로 사용의 가능성이 제한되었다. Porcelain-fused-to-metal(PFM) 개념 도재를 전치부 구치부 모두에 부분 가철성 의치로 쓰일 수 있도록 해 주었다.

심미적인 관점에서 금속의 존재에 대한 한계는 후에 알루미나와 지르코늄의 소개로 극복 었다. 금속과 세라믹 재료를 함께 쓰자 수복물의 파절 저항성 또한 증가되었다.

더욱 흥미로운 물질은 machined zirconia ceramic agent이다. 이것은 금 속이 없는 수복을 가능하게 할 뿐 아니라 금이나 파절선의 확산을 막는 잠재력을 있다. zirconium dioxide은 특이하게도 뻗어가는 파절 선의 바로 머리 부분이 압축의 상태에 놓이게 된다. 이 현상은 하나의 결정 구조에서 다른 구조로 변 하면서 일 어난다. 두 번째 구조의 부피는 처음 구조의 부피와 다르기 때문에 압축의 의 상태가 발생되면서 파절선이 연장되는 것을 막게 된다.

가지 기계적인 성질은 세라믹 재료의 임상적 능력을 평가하는데 중요하다. 굴 강도, 파괴 인성, 탄성 계수가 이러한 기계적 성질에 포함된다. 굴곡 강도는 횡 강도 또는 파괴 계수라고도 불린다. 이 성질은 중심에 가해진 부하에 의한 변형 단 파절을 측정한다.현재 가능한 모든 전부 도재 재료 중에서 machined ceramics는 가장 높은 굴곡 강도를 가지며(990 MPa) 그 뒤를 ceramics(378-604 MPa)와 lithium disilicate heat pressed ceramics 350 MPa)가 따른다. Machined ceramics는 뛰어난 굴곡 강도를 가지 지만 때때로 파절이 보고된다.

이러한 파절은 수복물 디자인과 관련되어 있을 수 있다. 파괴 인성 또한 중요한 기계적 성질이다. 파괴 인성은 깨지기 쉬운 물질에 응력이 주어졌을 때 흠집의 파괴적 전파에 대한 저항을 말한다. 고전적인 장석계 도재의 파괴 인성값은 soda-lime glass(0.78 MPa)와 매우 유사하다.

Lithium disilicate heat-pressed ceramic은 soda-lime glass의 4비. leucite-reinforced ceramics의 2배에 해당하는 파괴인성을 가진다 또 다른 중요한 기계적 성질은 탄성 계수이다. 이 기계적 성질은 재료의 상대적인 강도 강성률을 말하며 응력-변형 곡선의 탄성 영역에서의 기울기로 측정한다.

44계 도재의 탄성 계수는 대략 70 GPa 정도이며 lithium disilicate heat-pressed ceramics는 110 GPa, zirconium machinable porcelain은 210 GPa이다 완전히 소결 된 세라믹 블록과 열 가압 도재로 만들어진 machined ceramic을 제 외한 전부 도재 재료에서 수축은 쟁점으로 남아있다. 매우 높은 온도에서 소결 하는 동안 일어나는 machined zirconia 수복물의 큰 수축은 왁스 패턴의 컴퓨터화된 확 대를 통해 보상할 수 있다.

aluminous ceramic과 lithium disilicate ceramic의 열 팽창계수(CTE)는 대략 10x10"YC이다 zirconia-based ceramic의 CTE는 대략 10,5x1 oY℃이며 leucite-reinforced ceramic의 열팽창 계수는 14-18 x1 oYt이다 장 중요한 쟁점은 물질과 layering ceramic 간에 열팽창 계수를 매칭 시켜 그들 이 조화를 이루도록 하는 것이다. 지르코니아와 층을 이룬 세라믹 재료 간에 두드 진 열팽창 계수 차이가 존재할 경우 spalling이라 불리는 압축 파괴가 일어날 날 수 있다.

하중이 가해진 상태에서 이러한 압축 파괴는 층을 이루는 세라믹의 열팽창 계수가 arconium 재료의 열팽창 계수보다 낮을 때 발생한다. 그러므로 뚜렷한 열 계수 차이가 과도한 압축 응력과 층을 이루는 세라믹의 박리를 야기할 수 있 수복물을 식혀 실온으로 가져오는 과정에서 물질은 세라믹 재료보다 큰 수축을 면서 도재에서 미세하게 압축의 상태를 유도해야 한다.

그러나 만약 층을 이루 겪으 라미고의 열팽창 계수가 zirconium 재료보다 크다면, 이는 수복물 안에서 인장을 유발할 수 있다. 수복물이 상온에서 미세한 압축 응력을 가지는 것이 가장 ohn Powers, personal communication, 2008), 이 것은 귀금속의 기초가 금속 재료에 결합된 세라믹 재료와 관련된 이론과 같다.

■전부 도재 수복물 시스템의 분류

임상가와 기공사들은 기능과 심미를 증진시키기 위한 적절한 세라믹 재료의 결정 을 요하는 수복/보철적 상황에 줄곧 놓인다. 오늘날의 환자들은 심미성이 배제된 채 이상적인 기능을 수행하는 수복물에 더 이상 만족해하지 않는다. 아래는 최근 사용 가능한 전부 도재수 복물 시스템의 보편 적인 종류들이다.

■ Conventional Feldspathic ceramic system

Silica-based ceramic은 crystalline mineral(장석, 규조토, 알루미나를 포함한 유리 기질로 구성된다. 유리는 과랭 된 액체로 고려되는데, 비결 정적 구조를 가지 기 때문이다. 균질한 결정적 구조의 결여는 자연 법랑질과 외관이 유사한 장석계 도재의 높은 심미적 시각적 특성과 관련이 있다. Silica-based ceramic의 낮은 굴 곡강도(60~120 MPa)는 금속 합금이나 고강도 세라믹 코어나 저작력/다른 구강 내 환경을 견딜 수 있는 구조물과 같은 하부구조의 지지를 필요로 하게 한다.

PFM,7 올세라믹 수복물의 적응증에는 단일 수복 크라운과 고정 성 국소의치를 포함한다 기존의 Silica-based dental ceramic은 65% 장석, 25% 석영으로 구성되며, 그들의 적응증과 코어 물질에 따라 고용 융(1300℃~1400℃)과 저 용융(850℃~11000 장석 계 도재로 구성된다. Ceramic veneering material의 CTE는 실패를 초래할지도 모르는 열로 인한 응력을 피하기 위해 금속 합금이나 고강도의 세라믹 코어의 CTE에 매치하거나 보완해야 한다.

심미성이 높은 Silica-based ceramic laminate veneer"와 ceramic inlay/ onlay 이는 하부 물질 없이 제조되며 치질에의 결합으로부터 물리적 힘을 얻는다. 류 사이트 결정이나 금속산화물 물질과 같은 증가된 성분은 Silica-based ceramic의 유리 기질을 강화시키고 파절 강도를 증가시킨다. 강화된 장석 계 도재는 한정된 교합 부하의 영역(전치부)에서 전 장관으로 쓰일 수 있다.

실험실에서 부분적인 결정성 파우더가 다이에 칠하는 slurry mix로 만들어지기 위해 물과 섞이게 되고 수복물의 원하는 형태를 갖추게 되며 오븐에서 소성된다. 다양한 성분들과 소성은 소결 수축을 보상해야 한다. 이러한 시스템은 기술에 민감하므로 숙련된 전문가를 필요로 한다. 합착 이후에도 이 기술로 제조된 도재 인레 이나 온레이의 높은 파절 빈도가 보고된다.

■ Machinable ceramic system

CAD/CAM 기술은 삭제된 치아나 다이의 광학 인상으로부터 세라믹 수복물을 디자인한다. CAD 시스템은 컴퓨터에 삭제 형태와 주위 구조물의 이미지를 투영하는 데, 수복물의 기준을 술자가 정하게끔 한다. 이 시스템의 CAM부분은 술자가 에게 인한 정확한 수치(즉, 교합면이나 치은의 변연)로 세라믹 수복물을 만드 초정밀 가공을 기기가 시행하도록 한다.

수복물은 단단하고 고강도의 세라믹 물 된다. 이 시스템(Procera, Nobel Biocare, lava, 3M ESPE은 계 속적으로 발전돼 며, 확장된 가능성과 개선된 정확성을 새로운 세대에 제공한다.

외부 착색(Staining)은 코핑의 색조를 변경 가능하게 하고 외부 특징을 부여한다.

LAVA의 색료는 소결 전에 가공된 코핑에 첨가된다. 코핑의 다공성은 색료가 코핑에 침투해 들어가도록 하며 단순 표면 염색이 아니다. 색조가 부여된 후 코핑은 소 결된다. 그러나 Castable ceramic과 외부 착색에는 같은 단점이 부여된다 Aluminium oxide, zirconica oxide를 사용한 다양한 CAD/CAM 전부도재 관수복 물 시스템이 존재한다.

고밀도로 소결 된 높은 순도의 Alumina oxide ceramic은 610Mpa의 굴곡강도를 제공하며 silica를 포함하지 않는다.Procera 시스템은 20년전에 소개되었고 다양한 CAD/CAM 가공된 세라믹 물질을 제공한다 CAD/ CAM 기술은 소결과정 중 metal oxide 고강도 세라믹 물질의 현저한 수축을 보상 하는 표준화되고 공업화된 생산과정을 제공한다. Procera alumina는 높은 밀도로 소결된 고순도의 Aluminum oxide로부터 crown coping, FPD 구조물, 임플란트 지대주나 래미네이트 비니어를 생산한다.

반면 지르코니아 산화되는 더 높은 파 절 저항을 가지긴 하나 알루미나가 지르코니아보다 더 높은 투과성을 가져 심미성 이 더 높다. Procera alumina 크라운은 장기간의 임상증례에서 성공적으로 입증돼 지르코니아 산화 도재는 표면 물리적 성질(높은 굴곡강도), 생체친화성, 심미성을 가져 세라믹 코핑과 framework 물질에 고강도를 가지는 인기 있는 물질이 되었다. 타고난 지르코니아의 강도는 전 장관 resin-bonded, conventional FPD implant abutment, post, 심지어는 장기간의 임플란트 지지 구조물을 포함한 다양한 임상증례에 적용되는 계기가 된다. 26,70-12 단기간의 임상증례와 수 명 측면에서는 성공적이라고 보고되었다.

Coping과 framework 물질로 zirconia를 사용한 다양한 CAD/CAM 전부도재 수복물 시스템이 시장에 소개되어 다.(Cercon, DENTSPLY professional; DCS system, DCS Dental: Procera: Lava. Anzirkon, Zirkonzahn; BruxZir, Glidewell; and Ekton, Straumann)

■Pressable ceramic system

처음에 이 세라믹 물질은 cokwave를 위한 glass ceramic로 소개되고 발전되었다. 이 시스템은 ingot이 플라스틱으로 바뀌고 유리가 조 핵 제로 바뀌게 설계된 결정 형이 형 성 된다. 수복물은 lost wax technique이라는 과정대로 wax-up 하고, sprue를 달고, 매몰한 후 소환된다.

Feldspathic porcelain과 castable glass ceramic의 가장 큰 차이중 하나는 castable glass ceramic는 비결 정성 물질로 주 고되고 이후 열처리에 의해 결정형을 갖는다는 것이다. 이 세라믹 물질은 개개 결정의 2번째 상에 의해 둘러싸인 유리 기질로 구성되어 있다. 보통 이 물질들은 개선된 열 쇼크 저항과 파절/침식 저항 같은 개선된 기계적 물리적 성질을 가진다. 그러나 정확한 특성은 결정의 크기, 밀도, 결정과 기질 상호 달려있다.

성장하는 각기의 결정 주위에 압축 응력과 분산강화의 조합을 통 한 느린 균열의 전파가 생성된다. 보통 이런 세라믹 수복 물든 단색으로 형성돼 ' cut-back 법이나 layering feldspathic porcelain, 외부 표면의 염색 등을 통 해 대안을 만들 수 있다. 외부 표면의 염색 기법은 시적, 연마, 장기간의 마모로 인 해 특징이 없어질 수 있다는 단점이 있다. 이 시스템의 장점은 변연 적합성, 정확도와 적합성, 비교적 강한 강도이다. 도재 재료의 표면 강도와 교합 마모는 법랑질과 유사하다.

이 물질은 높은 심미성을 위해 채택된다. 그러나 물질의 높은 투명 성으로 인해 임상가들은 짙고 변색된 치아나 메탈 포스트, 임플란트 지대치에 사 용할 때 주의해야만 한다.

이 물질로 만든 전 장관은 전치부에 완벽한 성공률을 입증한다. 이 수복물의 선천적 강도는 치질에의 접착에 달려있다. 세라믹 재료들은 저점도 레진 시멘트로 의 결합 전 불산 부식과 실란 화가 적합하다. 게다가 pressed ceramic inlay의 합착 이후의 파절 빈도는 feldspathic ceramic inlay보다 낮지만 CAD/CAM system으로 만든 inlay보다는 높다.

■ Infiltrated ceramic system

이 세라믹 시스템은 interpenetrating phase composite。로 알려져 있는 물질의 부류로 속한다. 이 물질은 뒤얽히거나 내부로부터 표면으로 연속적으로 확장된 적어도 두 상으로 구성되어있다. 그들은 보통 소결 후에 초반의 다공성의 세라믹 스펀지 기질을 제작함으로써 주조되었다. 유리 용융물의 2번째 상은 모세혈관 확산으로 초기의 기질의 구멍에 침투된다. 기질과 유리의 서로 침투된 네트워크는 강한 올세라믹 코어를 만든다. 침투된 올세라믹 코어는 기존의 장석 포세린 시스템을 이 용해 veneer 된다.

코어의 결장계 구조를 구별하는 3가지 다른 방법이 있다. In-Ceram Alumina system(VITA Zahnfabrik)는 고강도의 알루미나 파우더를 활용하는 반면 2세대 물질인 in-ceram spinel(VITA Zahnfabrik)은 마그네슘 알루미나 파우더로 제조된다. In-ceram Alumina는 용융된 유리로 스며든 건조-소결 된 aluminum oxide core를 함유한다. 이 올세라믹 코어는 유리 침투 후 450MP의 굴곡강도를 생산한다. 그리고 심미성을 증진시킨 장석 도재로 비니어 되어있다. In-ceram spinel! 은 유리가 침투된 spinel ceramic(spinel oxide MgAlO, 함유한)이며 In-Ceram Alumina system 보다 조금 약하나 시각적인 측면에서 개선된 모습을 보인다.

pinell은 포세린 물질 없이 인레이, 온레이, 비니어도 제조할 수 있다. In-ceram Infiltrated ceramic system의 세 번째 타입은 In-ceram zirconia(VITA Zahnfabrik)인데 이는 zirconia (ZrO2)와 알루미나 파우더가 섞여 다공성 형태를 만든다 aluminum oxide의 1/3은 In -ceram zirconia의 zirconium oxide로 대체되는데 이는 750 MPa의 굴곡강도를 가져 In-Ceram Alumina 보다 현저히 높은 강도를 가진다.

게다가 이 시스템에서 지르코니아 입자들은 3%의 부피 증가 동안 응력 하에서 그들의 형상을 바꿀 수 있다. 이러한 용적의 변화는 균열의 진행을 막을 수 있는데\. 이를 변환 강화 라 부른다. 이는 진행되는 균열에 압축 응력을 가하 여 확산을 막는다.

오늘의 포스팅은 여기까지 하고 바로 다음포스팅 때 세라믹의 한종류인 지르코이나 시스템을 한번더 다루려고 합니다 기대해주시고 다음 포스팅때 보겠습니다.