치아 수복 시 복합레진의 등가탄성계수 산출과 이를 이용한 중합수축거동 해석

Abstract

치과용 복합레진은 광중합 개시제인 캄포퀴논을 함유하고 있어 빛에 의한 중합반응을 일으킨다. 이때, 중합반응에 의한 단량체의 상호 공유결합으로 중합수축이 발생하게 되어 치아와 복합레진사이의 계면 결함 형성의 원인이 된다. 이러한 결함은 수복재와 치아 사이의 계면에서 결합력보다 중합수축응력이 큰 경우 발생확률이 높다. 발생된 결함으로 인해 시술 받은 환자에게 지각과민증이 나거나 이물질이 수복물과 치질 사이로 침투하여 이차우식, 치아 파절 등으로 이어져 치아 수명을 현저히 저하시킬 수가 있으므로 복합레진 수복재의 개발 및 이의 중합수축응력과 수축거동에 관련한 연구는 중요하다. 복합레진의 수축량을 측정하고 평가함에 있어 dilatometer, LVDT tranducer, linometer, 디지털 이미지 상관(Digital image correlation, DIC)법등을 이용한 다양한 방법이 사용되고 있다. 그러나 각각의 측정 방법에서, 레진이 수복에 사용되는 환경이 상이하므로 레진 자체만의 수축거동을 측정하여 수복 시 수축효과를 해석하기에는 한계가 있다. 또한, DIC를 이용하는 경우, 복합레진의 수축거동에 관한 연구들에서 단순히 레진의 변형거동만을 관찰하거나 광 조사 중 상태와 광 조사 이후의 한 가지 조건만으로 측정하여 광 조사 중 및 이후의 경화 과정을 전체 시계열로 분석하는 것이 기존에는 거의 없었다. 실제 수복 시의 환경을 고려하여 레진의 수축거동을 해석하기 위해서는 적용하는 와동(cavity)의 형태뿐만 아니라 경화 중 발생하는 상변화에서 야기되는 여러 물성치의 변화를 고려해야 된다. 특히 복합레진이 완전경화 전에 레진 덩어리 내에서 자유롭게 체적이 수축하는 것은 실제 와동과의 계면에서 발생하는 중합수축 응력이 위치에 따라 크게 다를 수 있으므로 중합과정 중 발생하는 응력의 크기와 방향은 와동의 형태에 따라 다를 것이다. 이는 중합속도와 국소적 중합수축의 분포 그리고 경계 조건에 따라 큰 영향을 받게 될 것이다. 복합레진의 상변화 과정에서 변화하는 물성치를 수복조건을 고려하여 보다 정확히 측정하고 해석해가야 할 것이다. 본 연구에서는 서로 다른 성분을 갖는 치아수복재인 methacrylate 계열의 Clearfil AP-X와 silorane 계열의 Filtek P90 복합레진을 대상으로 링시편을 제작하여 수복환경을 모사하고 스트레인게이지법과 유한요소법(FEM)을 이용하여 중합 시 발생하는 레진/기판 사이의 수축응력거동을 분석하고 FEM해석의 결과와 비교한다. 또한, 스트레인게이지법으로 산출된 중합수축 응력값과 Boned-disk 법으로 측정된 레진 자체만의 수축률을 이용하여 각 복합레진의 중합중의 탄성계수, 점도 및 수축율이 적용된 등가탄성계수를 구할 수 있는 탄성 이론식을 제시하고, 이를 FEM해석에 적용하여 탄성이론식의 정확성을 검증한다. 또한, 링형 기판에 수복된 레진에 대해 광조사 중의 사진과 광조사 후의 관찰사진을 획득한 후 DIC를 적용하여 각 레진의 중합과정중에 일어나는 2차원적 실제 수축거동을 경화시간에 따라 관찰하여 해석한다. DIC분석에서는 디지털카메라로 촬영된 변형 전과 후의 사진영상을 가지고 각 픽셀의 밝기정도를 상관함수로 계산하여 가장 상관도가 큰 지점을 추적함으로써 변형과 이동을 추적하여 변형분포를 측정하는 방법으로 국부적인 변형률 분포를 전면(full field)에서 관찰 한다. 본 연구를 통하여 응력시뮬레이션을 위한 복합레진의 등가탄성계수를 새롭게 제안하였다. DIC를 통하여 중합과정중의 실제 수축과정의 관찰에 성공하였으며 이를 통하여 복합레진의 치아 수복 시 수축 거동을 광조사 중을 포함하여 전면으로 해석 할 수 있었다. 또한, 치아수복 시 형상계수(C-factor)에 따른 음향방출특성을 비교분석하고 등가탄성계수를 적용한 유한요소응력해석을 통하여 미세파손의 원인을 추정하였으며, 유한요소해석을 통하여 결함발생부 예측이 가능하였다. 이를 통하여 치과 관련 분야에서 등가탄성계수의 도입과 이미지상관분석기법을 통하여 결함부 예측에 적용 가능성을 확인하였다.