CAD(Computer-Aided Design) 및 제조 교합 베니어판을 밀링된 상아질 아날로그 재료에 접합하기 위한 준정적 기계 테스트

요약

고정되지 않은 스테인리스강 볼을 사용한 준정적 하중-파괴 시험은 최소 침습적 후방 컴퓨터 지원 설계 및 상아질 아날로그 재료에 접합된 제조 수복물의 파괴 강도를 결정하기 위해 개발되었습니다. 이 테스트는 치과 수복물의 골절을 담당하는 일반적인 하중 체제를 모델링합니다.

초록

현재의 최소 침습 치료 체제에서는 수복된 치아의 활력, 미학 및 기능을 보존하기 위해 소량의 치아 준비와 더 얇은 생체 모방 세라믹 수복물이 사용됩니다. 이제 새로운 CAD(Computer-Aided Design) 및 CAD/CAM(Computer-Aided Manufacturing) 세라믹과 같은 재료를 사용할 수 있습니다. 수명을 보장하기 위해 치과 임상의는 상대적으로 부서지기 쉬운 유리 매트릭스 세라믹과 비교하여 새로 출시된 제품의 기계적 강도를 알아야 합니다. 또한, 특히 팬데믹 이후 실험실 조사를 위해 치아 대체품이 홍보되었으며 적용을 위해 더 많은 증거 지원이 필요합니다.

이 연구는 1mm 두께의 CAD/CAM 교합 베니어판의 파괴 강도를 결정하기 위해 단조 하중-파괴 시험을 위한 실험실 프로토콜을 개발했습니다. 마스터 다이는 고압 유리 섬유 라미네이트로 밀링되었으며, 이는 수화 된 상아질과 유사한 탄성 계수 및 결합 강도를 가지고 있습니다. 그들은 냉간 경화 에폭시 수지를 사용하여 폴리염화비닐(PVC) 엔드 캡에 장착되었습니다. 탁상용 수복물이라고도 하는 교합 베니어판은 리튬 디실리케이트(LD) 및 수지 나노세라믹 블록(RNC)으로 밀링하고 이중 경화 접착 수지 시멘트를 사용하여 준비된 마스터 다이에 접합되었습니다. 그들은 37 ° C에서 48 시간 동안 증류수에 보관함으로써 완전히 경화 될 수있었습니다.

그런 다음 모든 샘플을 만능 재료 시험기에 넣고 길항제 치아에 대해 발생하는 것과 같이 측면 이동을 허용하는 고정되지 않은 5.5mm 스테인리스 스틸 볼을 통해 로드했습니다. 압축은 1mm/min 비율로 적용되었으며 하중-변위 그래프가 생성되었습니다. RNC 그룹(3,212.80 ± 558.67 N)의 수복물의 평균 최대 하중 지지력은 LD 그룹(2727.10 ± 472.41 N)보다 유의하게 높았습니다(p < 0.05). 테스트 중 분리가 발견되지 않았습니다. 두 CAD/CAM 재료 모두 유사한 결함 분포를 가질 수 있습니다. 헤르츠(Hertzian) 원뿔 균열은 적재 부위에서 발견된 반면, 시멘트 표면에서 전파되는 방사형 균열은 두 그룹 모두에서 가장자리 가까이에서 발견되었습니다.

서문

금속이 없는 수복물은 우수한 광학적 특성과 생체 적합성으로 인해 전방 및 후방 치열에서 매우 선호되고 있습니다¹. 그러나 이러한 재료의 주요 단점은 파괴²에 대한 민감성입니다. 대부분의 세라믹은 낮은 변형률³에서도 인장 응력에 의해 발생하는 균열에 취약합니다. 치과용 세라믹 보철물의 골절은 일반적으로 씹는 동안 발생하는 인장 응력에 장기간 노출되어 느린 방사상 균열 성장으로 인해 발생합니다⁴. 그들의 약점은 재료 내의 본질적인 결함 또는 결함과 제조 및 후처리로 인한 외적 결함으로 인해 더욱 악화됩니다⁵. 치과 CAD/CAM 재료의 인장 응력을 견딜 수 있는 능력인 굴곡 강도를 달성하고 단축(3점 또는 4점 굽힘) 및 이축 굽힘 시험(볼 온 링, 링 온 링 및 피스톤 온 쓰리 볼)과 같은 표준 테스트를 통해 비교할 수 있습니다. 한편, 균열 성장에 저항하는 재료의 능력인 파괴 인성은 단일 모서리 노치 빔과 압흔 시험에서 파생될 수 있습니다. 그러나 이러한 테스트는 서로 다른 해부학적 구성을 가진 접합된 보철물의 거동을 완전히 예측하고 나타낼 수 없습니다⁶. 다양한 임상적 측면에서 성능을 정당화하기 위해 다른 단조 또는 동적 기계적 테스트가 도입되었습니다 ^7,8.

골절 또는 "크라운 크런치" 테스트에 대한 하중은 복잡한 형상을 가진 세라믹 수복물의 강도를 조사하고 비교하기 위해 치과에서 광범위하게 사용되었습니다 ^9,10. 단조로운 단축 압축은 치명적인 파괴가 발생할 때까지 수직 또는 측면 방향으로 수복물에 준정적으로 가해집니다. 재료의 파괴 강도는 최대 하중력에서 결정할 수 있는 반면, 균열의 위치와 방향을 포함한 파괴 모드는 현미경으로 검사할 수 있습니다. 양호한 수복물은 자발적인 최대 교합력, 두개만듦 생체역학의 영향으로 턱 엘리베이터 근육에 의해 생성되는 가장 높은 저작력, 반사 경로^11,12로 인한 압축 응력과 인장 응력을 모두 견딜 수 있어야 하며, 이는 구치에서 최대 900N에 이를 수 있습니다³. 더욱이, bruxism은 동일한 영역에서 1,200N까지 힘을 무의식적으로 증가시킬 수 있습니다¹³. 재료 특성(즉, 탄성 계수) 외에도 형상, 두께, 접착 시멘트 및 결함 분포가 보철물의 강도에 영향을 미칩니다¹⁴. 그러나 비임상적 높은 힘과 실패 메커니즘이 임상 상황과 유사하지 않기 때문에 이러한 테스트의 임상적 타당성에 대한 주장이 제기되어 왔습니다 ^6,14. 스텝 스트레스 분석과 구강 내 상태를 포함하는 피로 저항 검사는 치과 수복물의 수명을 예측하기 위한 보다 현실적인 접근법일 수 있다⁷. 그럼에도 불구하고, 파괴에 대한 하중은 여전히 빠르고 간단하며 반복 가능한 시험관 내 테스트로서 제조업체의 데이터를 신뢰할 수 없는 시장에 출시된 새로운 CAD/CAM 세라믹 재료의 강점을 비교합니다 15,16,17. 그 결과는 보조기능 활동으로 인한 극한의 힘과 단단한 씨앗이나 자갈을 물어뜯는 것과 같은 예상치 못한 임상 상황에 대한 보철물의 내성을 반영할 수 있으며, 이는 치과 보철물의 고장을 유발하기도 합니다 ^18,19,20,21.

구치부 치아 재활을 위한 사용이 증가함에 따라 밀링 및 프린트된 CAD/CAM 재료로 만든 교합 베니어판의 기계적 성능은 재료 유형, 보철 설계, 치아 접합부 준비 설계, 두께, 표면 처리, 접착 결합 및 루팅 시멘트 시스템을 포함한 다양한 측면에서 조사되었습니다^22,23. 그러나 데이터는 여전히 제한적이며 테스트 재료는 유리 매트릭스 세라믹 및 기존 CAD/CAM 복합 재료에서 가져온 것입니다. 이제 대체 하이브리드 재료인 수지 나노세라믹을 사용할 수 있습니다. 나노 세라믹 필러의 강도와 수지 매트릭스의 탄력성을 통합한다고 주장하며, 이는 얇고 최소 침습적 수복물에 적합할 수 있습니다. 그러나 특히 어금니 부위에서의 기계적 성능은 임상적 의미에 대한 더 많은 뒷받침 증거를 필요로 합니다.

지금까지 연구자들은 실험실 테스트에서 자연 치아를 대체할 수 있는 재료를 가지고 있지 않았습니다. 고압 유리 섬유 라미네이트(National Electrical Manufacturers Association; Garolite라는 상품명을 가진 NEMA 등급 G10)은 2010 년부터 치과 세라믹의 기계적 테스트를위한 상아질 아날로그 재료로 제안되었습니다¹⁴. 고압의 밑에 에폭시 수지에서 적신 섬유유리의 다중층을 포함하는 thermotend 복합 재료입니다. 수화 상아질^14,24와 유사한 탄성 특성, 피로 거동 및 접착 결합 강도를 가진 높은 응력 조건을 견딜 수 있습니다. 이는 표본 준비, 표준화 및 윤리적 승인과 관련하여 자연치에 비해 이점을 제공하며, 생물 안전성에 대한 우려가 감소하여 시간을 절약할 수 있습니다²⁴. 표면 처리는 60 초에서 90 초까지 5 % 또는 10 % 불화 수소산으로 에칭하고 실란 커플 링제를 적용하여 수행 할 수 있습니다^14,24. 그럼에도 불구하고, 이 물질을 사용한 접합 보철물에 대한 연구는 제한적이며, 기존 근거의 신뢰성은 여전히 의문이다^24,25.

이 연구에서는 고정되지 않은 스테인리스강 볼에 대해 상아질 아날로그 재료로 밀링된 마스터 다이에 접합된 1mm 두께의 교합 베니어판의 단조 하중-파괴 테스트를 위한 실험실 프로토콜이 개발되었습니다. 두 가지 치과용 CAD/CAM 재료인 리튬 디실리케이트(LD) - IPS e.max CAD 및 수지 나노세라믹(RNC) - Lava Ultimate(그룹당 n = 15)의 최대 하중 지지 용량은 두 개의 독립적인 표본 t-test 및 Weibull 통계 분석을 통해 정량화되고 통계적으로 비교되었습니다. 파괴 패턴은 또한 광학 입체 현미경 및 주사 전자 현미경으로 조사되었습니다. 연구 가설은 이것이 임상 적용에서 교합 베니어판의 실패를 모델링하는 적절한 방법이라는 것이었습니다. 통계적 귀무 가설은 두 재료로 만든 교합 베니어판 사이의 최대 하중 지지 용량에 차이가 없어야 한다는 것이었습니다.

프로토콜

1. 이 아날로그 제작

1. 해부학적으로 타이포돈트 하악 제1대구치(갈라진 뿌리 포함)의 교합면을 1mm 줄이고 굵고 미세한 다이아몬드 버를 사용하여 가장자리를 경사지게 합니다.
2. 준비된 타이포도트를 치과 기공소 스캐너로 스캔합니다.
3. CAD 소프트웨어에서 OrthoAnalyzer 를 사용하여 스캔한 파일을 엽니다. 스컬프트 툴킷 창에서 왁스 나이프 도구를 클릭하고 직경 과 레벨을 각각 2.6 mm 와 63 μm로 설정하세요. 밀링 프로세스를 용이하게 하기 위해 각 뿌리 표면을 서로쪽으로 점차적으로 당겨 분기된 뿌리를 단일 뿌리로 병합합니다(그림 1).
4. 5축 밀링 머신을 사용하여 고압 유리 섬유 라미네이트(n = 30)(Garolite, NEMA[National Electrical Manufacturers Association] 등급 G10)에서 치아 유사체를 밀링합니다(그림 2).

2. 설치

1. 적절한 CAD 소프트웨어(예: Autodesk Inventor Professional 2025)를 사용하여 모델 톱니의 루트 섹션과 PVC 엔드 캡 내부 공간에 맞는 지그를 설계하여 테스트 시편의 표준화된 위치와 방향을 보장합니다.
2. 3D 프린터를 사용하여 PMMA 또는 유사한 모듈러스 재료로 테스트 툰당 하나의 지그를 인쇄합니다.
3. 일반적으로 내경 25mm, 높이 21.5mm, 벽 두께 5.5mm의 PVC 엔드 캡과 루트 부분과 다이를 결합합니다.
4. 냉간 경화 저점도 에폭시 수지를 혼합하고 모델 치아의 시멘트 에나멜 접합 영역까지 붓습니다. 모델 치아의 교합 표면이 흐르는 수지로 오염되지 않도록 주의하십시오. 최소 24시간 동안 실온에서 완전히 설정되도록 둡니다(그림 3).

3. 교합 베니어 제작

1. 치아 아날로그의 스캔한 파일을 CAD 소프트웨어로 가져옵니다.
2. Directions(방향)에서 교합 베니어의 삽입 방향을 결정합니다.
3. Interfaces(인터페이스)에서 Margin line(마진 라인)을 선택하고 스캔된 치아 아날로그의 마진 라인을 표시합니다. 그런 다음 Die interface(다이 인터페이스) | 설정을 진행하고 시멘트 간격을 0.025mm로 조정하고 추가 시멘트 간격을 0.050mm로 조정합니다.
4. Anatomy design에서 Smile Library의 템플릿을 사용하여 1mm 두께의 교합 베니어를 디자인하고 Sculpt의 도구로 조정합니다.
5. 제조업체의 지침에 따라 5축 밀링 머신을 사용하여 리튬 디실리케이트(IPS e.max CAD) 및 수지 나노세라믹(Lava Ultimate) 블록(그룹당 n=15)을 밀링합니다(그림 4).

4. 접합 및 접합

1. 모든 마스터 다이를 초음파 기계에서 90초 동안 청소하고 자연 건조합니다. 그런 다음 교합 표면에 5% 불산을 60초 동안 바르고 물로 철저히 헹구고 자연 건조합니다.
2. LD 그룹의 경우 내부 표면을 5% 불산으로 20초 동안 에칭하고 물로 철저히 헹구고 자연 건조합니다.
3. RNC 그룹의 경우 2 bar (200 kPa, 30 psi)에서 10 초 동안 50 μm의 산화 알루미늄 분말 입자 크기로 공기 마모합니다. 알코올로 과도한 모래를 제거하고 자연 건조하십시오.
4. 범용 결합제인 실란을 도포하고 이중 경화 접착 시멘트를 수복 음각에 로드합니다. 40N 하중의 만능 재료 시험기에서 실리콘으로 채워진 압축 헤드 아래에 수복물을 로드하여 준비된 마스터 다이에 복원물을 놓습니다.
5. 1,000-1,200 mW/cm² 의 정상 모드에서 1-2 초 동안 광도를 사용하여 발광 다이오드(LED)로 경화합니다. 여분의 시멘트를 제거하고 각 표면의 경화광을 20초 동안 계속한 다음 만능 재료 시험기에 5분 동안 그대로 둡니다.
6. 만능 재료 시험기에서 제거하고 시멘트가 완전히 경화될 때까지 37°C의 증류수에 48시간 동안 그대로 둡니다.
7. 테스트하기 전에 미세한 영구 마커를 사용하여 미세한 영구 마커를 사용하여 3개의 내측-외측 기준선(sinistral, central 및 dextral)과 3개의 전방-후방 기준선(위쪽, 중앙 및 아래쪽)을 미세한 영구 마커를 사용하여 서로 다른 색상으로 그립니다.

5. 준정적 기계 테스트

1. 압축 시험을 위해 설정된 5kN 로드셀이 있는 기계 시험기의 하부 압반 중앙에 시험 시편을 배치합니다.
2. 직경 5.5mm의 스테인리스강 볼을 중앙 기준선의 교차점에 있는 수복물의 중앙 fossa에 놓습니다(그림 5).
3. 시편 주위에 보호용 아크릴 링을 놓고 시험기 앞에 파편 보호막을 배치하여 파편이 날아오는 것을 제한합니다.
4. 스틸 볼과 거의 접촉할 때까지 크로스 헤드를 아래로 내리고 하중 및 변위가 없습니다.
5. 하중의 급격한 감소로 표시되는 수복물이 파손될 때까지 1mm/분으로 압축을 가합니다. 이 하중을 기록합니다(그림 5).
6. 골절 후 실드와 아크릴 링을 제거하고 시험편과 그 파편을 조심스럽게 수집합니다. 착색된 선은 후속 분석을 위해 세라믹 조각을 원래 위치에 배치하는 데 도움이 됩니다(그림 5).
7. 다음 테스트 표본을 놓고 그룹이 완료될 때까지 5.2-5.6단계를 따릅니다.

6. 통계 분석

1. Minitab 워크시트의 첫 번째 열과 두 번째 열에 각각 실험에서 검색된 재료 코드와 최대 적재 값(N)을 채웁니다.
2. Stat | 기본 통계 | 2-표본 t. 신뢰 수준을 95%로 설정하고 등분산을 가정합니다.
3. Weibull 분포도를 생성하려면 통계분석 | 신뢰성/생존성 | 분포 분석(우측 관측 중단) | 분포 ID 그림. 변수 상자에서 최대 하중 값을 선택하고, 변수 기준 상자에서 재료 이름을 선택하고 분포를 Weibull로 지정한 다음 확인을 클릭합니다.
4. Weibull 통계 분석을 수행하려면 통계(Stat) | 신뢰성/생존성 | 분포 분석(우측 관측 중단) | 파라메트릭 분포 해석 | Weibull [웨이블] | 그래프. 확률 도표 선택 | 위 그림에 신뢰 구간을 표시하고 확인을 클릭합니다.

7. 프랙토그래피 분석

1. 실체 현미경의 경우, 접안렌즈 카메라를 장착하고 입체 현미경 소프트웨어를 통해 샘플의 항공 및 측면 모습의 이미지(20x)를 캡처합니다.
2. 주사 전자 현미경의 경우 표본을 시멘트 에나멜 접합부(CEJ)까지 절단하고 초음파 세척기의 아세톤 수조에 넣은 다음 자연 건조합니다. 골드 코팅을 하고 샘플의 항공 및 측면 보기의 이미지(250-300 배율)를 캡처합니다.

결과

표본 크기 계산은 참조된 소프트웨어를 사용하여 수행되었으며, 이 소프트웨어는 0.39의 효과 크기를 생성하고 그룹당 n = 13의 최소 표본 크기를 제안했습니다. 그러나 이 연구에서는 5%의 차이를 감지하기 위해 n = 15의 표본 크기를 선택했습니다. 귀무 가설은 기각되었습니다. 굴곡 강도가 더 컸음에도 불구하고, LD(리튬 디실리케이트: 2,727.10 ± 472.41 N) 그룹으로 만든 1mm 두?...

토론

최근 몇 년 동안 최소 침습 교합 베니어판은 현대 수복 치과에서 점점 더 주목을 받고 있습니다. 이러한 수복물은 일반적으로 모놀리식 CAD/CAM 유리 매트릭스 세라믹, 다결정 및 하이브리드 재료로 제작됩니다²⁶. 보존적 치아 준비, 치아 준비 중 접근성 및 가시성의 용이성, 인상 채취 및 합착, 가장자리 치은의 보존이 장점으로 홍보되었습니다

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
3D printing (SLA)	Formlabs, Somerville, MA, USA		Form3+
3Shape Dental Designer CAD software	3Shape A/S, Copenhagen, Denmark		CAD software for tooth analog and veneers
5% hydrofluoric acid	Ivoclar Vivadent, Schaan, Liechtenstein		IPS Ceramic Etching Gel
Alumina powder	Ronvig Dental Mfg. A/S, Daugaard, Denmark
Bluehill Universal materials testing software	Instron Mechanical Testing Systems, Norwood, MA, USA
CamLabLite software	Bresser UK Ltd, Kent, UK		Stereomicroscopy Software
Cold-curing low-viscosity epoxy resin	Struers SAS, Champigny-sur-Marne, France
Dual-cure resin cement	3M, Saint Paul, MN, USA		Rely X Ultimate Adhesive Resin Cement
Eyepiece camera	ToupTek Photonics Co., Ltd., Hangzhou, China
High-pressure fibreglass laminate discs  (G10)	PAR Group Ltd, Lancashire, UK
IPS e.max CAD	Ivoclar Vivadent, Schaan, Liechtenstein	YB54G9/605330	Low translucency, A3, C14
Laboratory scanner	3Shape A/S, Copenhagen, Denmark		D900L
Lava Ultimate	3M ESPE, Saint Paul, MN, USA	9541467/3314A3-LT	Low translucency, A3, 14L
Light-emitting diode (LED) curing light	Woodpecker Medical Instrument, Guilin, China
Milling machine	VHF camfacture AG, Amnnerbuch, Germany		VHF S2
Minitab 18	Minitab Inc, State College, PA, USA
nQuery Advisor Version 9.2.10	Statistical Solutions Ltd., CA, USA		Statistical Software
Polyvinyl chloride end cap	Plastic Pipe Shop Ltd, Stirling, UK		25 mm X 21.5 mm;
Scanning electron microscope	Tescan, Brno, Czech Republic		Tescan Vega
Silane coupling agent	3M, Saint Paul, MN, USA		RelyX Ceramic Primer
Autodesk Inventor Professional 2024	Autodesk, San Francisco, CA, USA		CAD software for jig
Sputter vacuum coater	Quorum, East Sussex, UK		MiniQS Sputter Coater
Stata18	StataCorp LLC, College Station, TX, USA
Stereomicroscope	Carl Zeiss AG, Oberkoche, Germany		Zeiss Stemi 508
Typodont mandibular first molar	Frasaco GmbH, Tettnang, Germany		ANA-4 Z3RN-36
Universal dental bonding agent	3M, Saint Paul, MN, USA		Scotch Bond Universal Adhesive
Universal testing machine	Instron Mechanical Testing Systems, Norwood, MA, USA		Intron 5900-84