세라믹 브라켓의 제거 시 Er:YAG 레이저의 효능 document_id A220517035725

본 연구에서는 세라믹 브라켓 제거에 Er YAG 레이저 조사가 도움이 되는지 알아보고, 브라켓 제거에 적합한 레이저 조사 방법을 연구하였으며, 또 이렇게 적용된 레이저가 치수와 법랑질에 손상을 주는지도 알아보았다. 총 190개의 치아, 단결정 세라믹 브라켓, 다결정 세라믹 브라켓과 KEY Laser3를 사용하였다. 실험군은 세라믹 브라켓의 종류와 레이저의 에너지에 따라 분류하였으며, 레이저를 브라켓당 두 곳에 1펄스씩 조사하고, 전단 강도를 측정하였다. 대조군은 레이저를 조사하지 않는 군으로 하였다. 레이저 조사에 의한 열 효과는 브라켓 하방 법랑질과 치수강에서 측정하였으며, 전단 강도 측정 후 치면에 남아있는 접착제의 양을 접착제 잔류 지수를 이용하여 평가하였다. 레이저 조사로 인한 접착제의 파괴 양상과 법랑질 표면 변화를 주사전자현미경으로 관찰하였다. 모든 세라믹 브라켓군에서 레이저 에너지가 증가할수록 전단 강도는 유의하게 감소하였다. 또한, 브라켓 하방 법랑질에서 최대 온도 변화는 평균 3.78oC 상승에 그쳤으며, 치수강에서 최대 온도 변화는 평균 0.9oC 상승에 그쳤다. 주사전자현미경을 이용한 법랑질과 접착제 단면 관찰에서 접착제 표면이 레이저에 의해 붕괴되어 분화구 모양의 구덩이로 관찰되었으며, 일부 시편에서 약 10 30μm의 법랑질 손상이 발견되었다. Transbond XT로 부착된 단결정 도재 브라켓의 디본딩에 Er YAG 레이저를 이용할 경우, 300 450 mJ의 레이저 에너지를, 그리고 다결정 도재 브라켓의 경우는 450 mJ 정도의 에너지를 사용하는 것이 효과적이고 안전할 것으로 생각된다. 접착제와 반응하지 않는 세라믹의 특성 때문에 제조사는 브라켓의 부착에만 관심을 기울였고, 베이스에 화학적 결합을 유도하는 실란 등의 화학적 처리나 너무 과도한 기계적 결합을 유도하는 부적절한 베이스 처리로 인해 세라믹 브라켓은 강한 결합 강도를 가지게 되었다. 이로 인해 임상에서 세라믹 브라켓 제거 시 강한 결합 강도로 인해어려움을 겪는 경우가 있다. 이런 경우 임상가는 플라이어를 이용하여 결합 강도보다 강한 힘으로 브라켓을 제거하거나, 많은 시간을 할애하여 고속 회전 다이아몬드 버를 이용하여 브라켓을 갈아서 제거해야 할 것이다. 이렇게 강한 결합 강도를 보이는 브라켓을 전통적인 술식으로 제거하는 경우, 일반적인 검사나 구강 내 사진으로는 손상이 보이지 않더라도, 빛 투과 기술을 이용하면 법랑질의 손상을 쉽게 발견할 수 있다. 빛 투과기술로 관찰하면, 세라믹 브라켓의 제거 후 법랑질균열 발생률은 거의 50%에 달하는 것으로 알려져 있다. 이런 이유로 세라믹 브라켓을 보다 용이하고 안전하게 제거하기 위한 방법이 연구되어 왔으나 임상적으로 유용하지 않았다. 본 연구는 하루가 다르게 발전하는 레이저 기술을 바탕으로 세라믹 브라켓의 장점인 빛을 투과하는 성질을 이용하여 세라믹 브라켓의 단점인 강한 결합 강도를 극복하려 하였다. 레이저를 이용한 브라켓 제거의 메커니즘은 1993년 Tocchio 등에 의해 기술되었는데, 그들은 3가지방법으로 접착제가 붕괴될 수 있다고 하였다. 첫 번째로 열연화는 레이저가 조사되면 세라믹 브라켓이 레이저의 에너지를 흡수하여 레이저의 에너지가 열에너지로 바뀌게 되고, 이 열이 전파되어 브라켓 베이스의 접착제를 연화시켜 적은 힘으로 브라켓 제거가 가능하게 하는 것이다. 두 번째로 열융제는 접착제가 열연화 되기 전에 기화할 정도로 온도가 빠르게 상승할 때 일어나는 현상으로 열융제로 생성된 가스 압력이 브라켓을 탈락시킨다. 접착제에는 물이나 잔여 모노머 같은 즉시 기화하는 물질이 포함되어 있기 때문에 레이저의 에너지가 충분하면 한 번의 펄스로 열융제를 유도할 수 있다고 하였다. 마지막으로 광융제는 매우 강한 레이저로 인해, 접착제 원자 사이의 결합에너지가 분열에너지 수준 이상으로 상승할 때 일어난다. 이때도 열융제와 마찬가지로 브라켓은 폭발하듯 치면에서 떨어지게 된다. 접착제와 같이 빛을 통과시키는 투명한 물체가 레이저에 반응하여 붕괴되는 현상은 Chirila 등에 의해 기술되었으며, 투명한 재료에 강한 에너지의 빛이 적용되면, 원자 수준에서 구조적 변화를 야기하고, 빛의 흡수가 크게 증가하여 융제가 일어날 수있다고 하였다. Er YAG 레이저를 이용한 본 연구의 브라켓 제거메커니즘은 열융제 또는 광융제인 것으로 생각된다. 레이저가 조사된 접착제 표면을 보면 접착제가 융제되어 구덩이가 형성된 것을 관찰할 수 있다. 이러한 접착제의 융제는 브라켓과 접착제 계면에서 가스 압력을 빠르게 축적시키고, 이 압력에 의해서 브라켓이 떨어지거나 결합 강도가 낮아지게 되는 것이다. 본 실험에서도 M450군에서 12개, M600군에서 13개, P600군에서 3개의 브라켓이 레이저를 조사하자마자 폭발하듯 떨어졌다. 이때 브라켓은 뜨겁지 않은 상태로, 열연화가 아닌 융제에 의한 탈락임을 뒷받침해주었다. 또한, Chirila 등은 레진과 같이 투명한 물체에서 레이저에 의한 화학적 붕괴는 역치가 존재하는 과정이라고 하였다. 본 실험의 전단 강도측정에서도 대조군과 비교하여 M300군과 P450군에서 전단 강도의 급격한 감소를 보여주었다. 따라서 접착제의 효과적인 융제를 유도하기 위해서는 300 mJ 이상의 레이저 에너지가 필요한 것으로 생각된다. M군과 P군 사이에서 유의하게 낮은 전단 강도를 나타내는 레이저 에너지가 달랐던 이유는단결정과 다결정 세라믹 브라켓의 빛 투과도 차이때문인 것으로 생각된다. Strobl 등은 1,060 nm 파장의 Nd YAG 레이저를 이용한 실험에서 단결정 세라믹 브라켓은 92 ± 2.5%의 투과율을 보이고 다결정 세라믹 브라켓은 83.4 ± 2.5%의 투과율을 보인다고 하였다. Eliades 등은 320 700 nm 파장의 빛으로 빛 투과도를 측정한 결과, 단결정 세라믹 브라켓은 35.02% 정도의 투과율을 보이며, 다결정 세라믹 브라켓은 1.22 5.70%의 투과율을 보인다고 보고하였다. 이러한 이유로 접착제의 융제를 위한 역치를 넘기 위해서, 다결정 세라믹 브라켓이 단결정 세라믹 브라켓보다 더 높은 레이저 에너지가 필요하게 되는 것으로 생각된다. 본 연구에서는 세라믹 브라켓 제거에 레이저를 사용하면 치수와 법랑질에 어떠한 위해 작용이 있는지도 알아보았다. 일반적으로 레이저를 치아에 적용할 때 가장 문제가 되는 것은 레이저에 의한 열효과이다. 열에 대한 치수의 반응은 Zach와 Cohen에 의해 기술되었다. 그들은 인간의 치아조직과 유사한 Macaca 원숭이를 이용한 생체 실험에서, 치수에 열전대를 삽입하고 3 × 1.5 mm 크기의 납땜인두를 5 20초간 접촉하여 치아에 열을 전달하였다. 그들은 치수강 내 온도가 4oF 상승 시, 치수조직의 변화가 없었고, 10oF 상승 시, 15%에서 치수괴사가 발생했으며, 20oF 상승 시, 화농이 형성되었다고 하였다. 또한, 30oF 상승 시, 모든 치아에서 치수 괴사가 발생하였다고 보고하면서, 치수의 온도 변화 역치는10oF 이하라고 주장하였다. 레이저를 이용한 세라믹 브라켓 제거 연구 중 열효과를 알아본 실험실 연구에서는, 치수 조직을 제거하고 빈 치수강의 협측 벽에서 온도 변화를 측정하였다. 하지만 레이저에 의한 온도 변화 측정에서 빈 치수강과 치수가 있는 치수강의 온도 변화는 다르고, 치수강에 치수가 있어야 임상적으로 적절하다. 따라서 본 연구는 실험실 연구이지만 Zach와 Cohen의 실험과 최대한 유사한 조건을 위하여 그리고 치수가 존재하는 것을 가정하기 위하여, 치아의 전체 치관뿐만 아니라 치근까지 사용하였으며 치수강에는 10% 젤라틴 용액을 주입 후 실험하였다. 본 연구의 치수강 온도 변화 중 최고값은 M600 군의 1.2oC였다. 따라서 600 mJ의 레이저 에너지로 1초 간격으로 2펄스를 적용하는 것은 치수에 유해 작용이 없을 것으로 생각된다. 또한 브라켓 하방 법랑질의온도 변화 중 최고 온도는 M600 군에서 기록된 4.9oC였다. 더 많은 연구가 필요하겠지만, 이 온도 변화량도 법랑질에 유해 작용을 일으킬 만한 열 충격은 아닐 것으로 생각된다. 조사된 레이저가 치아 깊은 곳까지 침투, 산란되어 2차 효과를 일으키는 것은 바람직하지 않을 것이다. Hayakawa는 Nd YAG 레이저를 이용한 실험에서 레이저 조사 후 치수강 벽의 온도변화가 0.5초 이내로 최고 온도에 도달하였다고 하였다. 하지만 본 연구의 최고 온도는 브라켓 하방의 법랑질에서 평균 3.1 ± 1.08초, 치수강에서 평균 17.02 ± 5.57초에 기록되었다. 이것은 법랑질에 대한 Nd YAG 레이저와 Er YAG 레이저의 침투율차이 때문인 것으로 생각되며, 레이저를 이용한 브라켓 제거에는 Nd YAG 레이저보다는 Er YAG 레이저가 더 안전할 것을 생각된다. 일반적으로 브라켓을 제거할 때, 브라켓과 접착제, 접착제 자체, 접착제와 법랑질 계면에서 파절이 일어나게 된다. 이때 법랑질 표면의 손상 없이 브라켓을 제거하기 위해서는 브라켓과 접착제 계면혹은 접착제 자체의 파절을 유도하는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 접착제 잔류 지수를 이용하여, 접착제가 치면에 얼마나 남아있는지 평가해보았다. 본 연구에 사용된 단결정 세라믹 브라켓의 경우, 브라켓 베이스에 여러 크기의 구형실리카 파우더를 녹여 부착된 구조이며, 브라켓 제거 시 브라켓 베이스와 실리카 파우더가 탈락되는 형태이기 때문에 레이저 조사와 상관없이 1점의 접착제 잔류 지수가 기록되었다. 다결정 세라믹 브라켓의 경우, 대조군과 비교해보면 레이저 강도가 증가할수록 5점이 감소하고 1점이 증가하였다. 이것은 레이저 조사로 인해 접착제가 붕괴되고 이 가스 압력이 브라켓과 접착제 계면에 작용하여, 브라켓 제거시 브라켓과 접착제 계면 혹은 접착제 자체의 파절을 유도하는 것으로 생각되며, 레이저 조사가 브라켓 제거 시 법랑질 손상 가능성을 낮출 것으로 생각된다. 레이저 조사에 의한 법랑질의 손상을 주사전자현미경으로 관찰하였다. 손상의 정도는 약 10 30μm 정도이며 접착제를 융제시키고 남은 잉여 레이저 에너지에 의해 법랑질이 융제된 것으로 보인다. 법랑질 손상 정도를 통상적으로 시행하는 브라켓 접착과 제거 술식과 비교해보면, 러버컵이나 브러쉬를 이용한 퍼미싱에는 약 5 10μm의 법랑질이 소실되며, 인산을 이용한 일반적인 에칭에서는 10 50μm의 법랑질 구조가 소실되며, 잔여 접착제 제거에는 제거 방법에 따라 평균 29.5 72.7μm 정도의 법랑질이 소실된다고 보고되고 있다. 따라서 레이저를 이용한 브라켓 제거시 레이저에 의한 법랑질 손상의 정도는 심한 것이 아니라고 판단되지만, 필요 이상의 강한 에너지의 레이저를 사용하는 것은 피하는 것이 현명할 것으로 생각된다. 세라믹 브라켓의 제거에 Er YAG 레이저를 이용하는 것은 임상적으로 활용할 만한 가치가 있다고 생각된다. 더욱 깊은 연구가 필요하겠지만, 본 연구의 결과를 임상에 적용해 보면, 단결정 세라믹 브라켓의 제거에 Er YAG 레이저를 이용할 경우, 300 450 mJ의 레이저 에너지를 2펄스 적용하는 것이 효과적이고 안전할 것으로 생각되며, 다결정 세라믹 브라켓의 경우는 450 mJ정도의 에너지를 2펄스 적용하는 것이 좋을 것으로 생각된다. 레이저 적용 시 같은 곳에 여러 번 레이저를 조사하면 법랑질 손상의 위험이 높으므로, 레이저 조사 위치를 바꿔가면서 조사하는 것이 법랑질 손상을 막을 수 있는 방법이라고 생각된다. 또한 브라켓 제거 시 결합 강도가 과도하여 법랑질 손상이 예상되는 경우는, Er YAG 레이저를 조사하여 접착제과 브라켓 계면에서 탈락을 유도하는 것도 고려해 볼 수 있다. 본 연구는 다양한 브라켓 종류나 접착제 종류에 대한 비교가 없었으며, 다양한 레이저 조사 방법에 대한 고려가 부족하였고 이를 보완한 연구가 필요할 것으로 생각되며, 임상에 적용시키기 전에 보다 깊은 연구가 필요할 것으로 생각된다. 세라믹 브라켓은 심미적 우수성으로 임상에서 많이 사용되고 있지만 브라켓 제거 과정에서 강한 결합 강도와 잘 깨지는 성질로 인해 여러 가지 문제를 안고 있다. 본 실험은 Er YAG 레이저를 단결정과다결정 세라믹 브라켓에 조사한 후, 다양한 레이저에너지군에 따라 세라믹 브라켓 제거 시의 전단 강도를 측정하여 Er YAG 레이저 조사가 세라믹 브라켓 제거에 도움이 되는지 알아보고, 브라켓 제거에적합한 레이저 조사 방법을 연구하였다. 또한 이렇게 적용된 레이저 에너지가 치수와 법랑질에 손상을 주는지 알아보고, 다음과 같은 결론을 얻었다. 모든 세라믹 브라켓군에서 레이저 에너지가 증가할수록 브라켓 제거 시 전단 강도는 유의하게 감소하였다. 브라켓 하방 법랑질에서 최대 온도 변화는 평균 3.78oC 상승에 그쳤으며, 치수강에서 최대 온도변화는 평균 0.9oC 상승에 그쳤다. 다결정 세라믹 브라켓의 600 mJ 레이저 에너지군에서 대조군에 비해 치면에 접착제가 유의하게 많이 남아 있었다. 주사전자현미경을 이용한 법랑질과 접착제 단면관찰에서 접착제 표면이 레이저에 의해 붕괴되어 분화구 모양의 구덩이로 관찰되었으며, 일부시편에서 약 10 30μm의 법랑질 손상이 발견되었다. Transbond XT로 부착된 단결정 도재 브라켓의 디본딩에 Er YAG 레이저를 이용할 경우, 300 450 mJ의 레이저 에너지를, 그리고 다결정 도재 브라켓의 경우는 450 mJ정도의 에너지를 사용하는 것이 효과적이고 안전할 것으로 생각된다.