상아질 접착제의 두께가 치아와 복합레진 경계의 응력발생에 미치는 영향에 관한 유한요소법 연구 document_id A220517035786

이 연구의 목적은 5급 와동의 복합레진 수복에서 상아질 접착제를 비교적 두껍게 도포하거나 낮은 탄성계수를 가진 복합레진을 선택하는 방법을 택하여 수복물의 탄성율의 차이에 따른 치아와 복합레진 경계에서 발생하는 응력의 차이를 알아보는 것이었다. abfraction 병소가 있는 하악 제 1소구치를 유한요소법을 이용하여 모델로 만들었다. 병소는 상아질 접착제의 두께 및 복합레진의 종류를 달리하며 수복되었다. 170N의 교합압을 협측 또는 설측에서 가하여 상아질 접착제와 치아면에서의 Von Mises stress를 측정하였다. 상아질 접착제의 두께가 두꺼울수록 상아질 접착제면에 가해지는 Von Mises stresss 는 감소하였다. 낮은 탄성계수값을 가진 복합레진에서 Von Mises stress가 더 작았다. 치근상아질 경계가 법랑질 경계에서보다 더 큰 응력이 발생하였다. 상아질 접착제면에 작용하는 교합압의 영향을 감소시키기 위해 상아질 접착제를 두껍게 바르거나 낮은 탄성계수 값을 가진 복합레진을 사용하는 것이 추천된다. 수복된 치아의 경우 저작 하중에 의하여 다양한 크기와 방향의 응력을 받게 되며 이 때 수복물의 수명은 이러한 응력에 많은 영향을 받게 된다. 복합레진을 이용한 치아의 수복도 마찬가지라고 할 수 있다. 그러나 복합레진의 경우 치아와 복합레진 사이에 상아질 접착제라는 중간 매개가 있어 저작 하중에 의해 발생되는 응력의 분포나 응력의 영향은 중간 매개가 없는 수복물과는 다르다. 따라서 복합레진과 더불어 상아질 접착제의 물성의 차이에 따른 수복 후의 응력 분석을 연구하는 것도 의미가 크다고 할 수 있겠다. 이번연구에서는 상아질 접착제와 복합레진의 탄성율 차이가 수복부위에서 어떠한 응력의 변화를 가져오는지를 살펴보았으며 저작 하중에 의한 수복물의 영향을 보다 효과적으로 알아보고자 5급 와동 병소 중에서 abfraction 병소가 있는 치아를 재현하였다. Abfraction 병소가 있을 때 이 병소 부위는 치아의 휘어짐으로 인한 심한 응력이 발생하고 있는 상태라는 것을 알 수 있으며 이를 복합레진으로 수복하는 경우에는 다른 5급 와동 병소를 수복할 때보다도 많은 응력이 상아질 접착제나 복합레진에 가해지는 상황이므로 수복이 성공할 가능성이 낮다. 복합레진을 이용한 수복 시 비교적 두꺼운 두께의 상아질접착제를 사용하여 탄성율을 낮추는 것은 중합수축의 보상을 위해 처음으로 소개되었다. 중합수축이 일어나 치아가 휘어질 때 상아질 접착제가 대신 변형이 일어나면서 치질과의 결합이 파괴되는 것을 막을 수 있으며 상아질 접착제의 두께가 충분히 두꺼울수록 이러한 보상을 더 많이 기대할 수 있다는 것이 보고되어 왔으며 본 실험에서는 저작 하중에 의해 치아가 휘어질 때도 마찬가지로 상아질 접착제의 두께가 두꺼운 것이 상아질 접착제에 발생하는 응력을 감소시켜 치질과의 결합에 이득이 되는 지를 알아보고자 하였다. 그 결과 협측 교두의 협측에서 저작 하중을 적용했을때, 상아질 접착제의 두께가 두꺼울수록 상아질 접착제에 발생하는 응력이 줄어드는 경향을 보이는 것을 관찰할 수 있었다. 따라서 abfraction처럼 저작 하중으로 인한 치경부에 응력이 심하게 발생하는 상황에서는 상아질 접착제를 비교적 두껍게 도포하는 것이 성공적인 수복을 위한 한 방법이다. 또한 상아질 접착의 두께가 두꺼워짐으로 얻을 수 있는 응력 감소의 정도는 Tetric Flow보다 Z100에서 더 큼을 알 수 있었다. 이는 탄성계수 값이 큰 복합레진을 사용하는 경우 특히 상아질 접착제의 두께를 두껍게 해주는 것이 유리하다는 것을 의미한다. Moon 등은 2차원 유한요소법을 이용한 5급 와동의 복합레진 수복에 상아질 접착제의 두께가 미치는 영향을 연구한 결과 상아질 접착제가 두꺼울수록 접착제 내에 발생할 수 있는 응력도 줄어드는 것을 관찰하였다. 그들은 상아질접착제의 두께가 0μm, 125μm, 250μm, 500μm인 네 가지 경우를 비교하여 500μm 일 때 가장 적은 응력이 발생하는 것을 알 수 있었으나 125μm를 적절한 두께로 추천하였다. 왜냐하면 125μm일 때 두께 대비로 얻을 수 있는 응력의 감소의 폭이 가장 컸기 때문이었다. 한편 Choi 등은 실제 치아에서 tensilometer를 이용해서 상아질 접착제의 두께에 따라 발생되는 응력을 분석한 결과 100μm 이상일 경우 효과적인 응력 감소를 기대할 수 있다고 하였다. 이번 실험에서는 상아질 접착제의 두께를 50μm, 100μm, 150μm으로 다르게 하였는데 50μm를 최저 두께로 설정한 것은 그 이하로 설정하였을 때 제작된 유한요소모델의 크기에 비하여 너무 작은 요소 값을 가져 일관성 없는 결과를 나타냈기 때문이었다. 실험 결과는 위의 연구자들과 일치하는 경향을 보여주었다. 상아질 접착제의 두께가 두꺼울수록 응력이 적게 발생하여 150μm 일 때 가장 적은 응력이 발생하는 것을 관찰할 수 있었으나 두꺼울수록 응력 감소의 폭은 줄어드는 경향을 보여 응력 감소의 효율 면에서는 두꺼운 두께가 바람직하지는 않다는 것을 알 수 있었다. 한편 임상적으로 도포할 수 있는 상아질 접착제의 두께에 대하여Peter 등은 제품마다 달라서 1회 도포 시 3 48μm 정도라고 하였으며 Choi 등은 실험에서 100μm의 두께로 도포하기 위하여 2회의 도포를 시행했다고 하였다. 또한 탄성율을 낮출 수 있는 또 다른 방법으로는 낮은 탄성계수를 가진 상아질 접착제를 사용하는 것도 고려해 볼 수 있으나 이번 연구에서는 재현하지 않았다. 왜냐하면 이번 연구의 유한요소분석 모델 상에서는 상아질 접착제의 탄성계수 값이 치아나 복합레진의 탄성계수 값에 비하여 너무 작은 값을 가져 실험 결과에 영향을 줄 정도의 차이만큼 실제 상아질 접착제 간의 탄성계수가 다르지는 않기 때문이다. Van Meerbeek은 상아질 접착제가 두꺼워짐으로 얻을수 있는 추가적인 장점으로 온도 차이나 수분 흡수 등에 의해 일어날 수 있는 응력에 대한 보상 작용을 들었다. 그러나 수복부위가 Class I, II cavity인 경우에 저작 하중을 직접받을 수 있는 경계에 상아질 접착제를 두껍게 도포하는 것은 그 부분의 마모 저항성을 낮출 수 있으므로 이러한 술식은 교합력이 직접 적용되지 않는 부위의 수복에사용하는 것이 좋을 것으로 사료된다. 또한 상아질 접착제가 방사선 투과성일 경우 방사선 사진을 판독할 때 잘못된 해석을 할 가능성도 주의해야 할 사항으로 간주된다. 비교적 낮은 탄성계수를 가진 복합레진을 사용해서 수복물의 탄성율를 낮추는 것도 또 다른 응력 해소의 방법이 될수 있다. 일반적으로 hybrid type의 복합레진에 비하여 microfilled type의 복합레진이 낮은 탄성계수를 갖는다. 이번 연구에서는 탄성율의 차이를 보다 많이 비교하기 위하여 15.3 GPa의 탄성계수를 갖는 Z100과 5.3 GPa의 탄성계수를 갖는 Tetric Flow를 이용하였다. 그 결과 같은 두께의 상아질 접착제에서는 Tetric Flow를 사용한 경우가Z100을 사용할 때 보다 적은 응력이 발생함이 관찰되었다. 또한 발생된 응력의 크기를 비교해 보면 상아질 접착제의 두께차이에 의한 응력 해소 폭보다 복합레진의 탄성계수 차이에 의한 응력 해소 폭에 더 큰 경향을 관찰할 수 있었다. 따라서 이 실험 결과에 의하면 상아질 접착제를 두껍게 바르는 것보다 낮은 탄성계수를 가진 복합레진을 선택하는 것이 더 효과적이며 임상적으로는 이것이 더 편한 방법이 될 수 있겠다. 그러나 Yaman 등은 유한요소법을 이용하여 5급 와동병소를 재현한 상악 중절치의 모델에서 다양한 탄성계수를 갖는 복합 레진의 수복 시 저작 하중에 대한 응력 분석을 시행한 그 결과 탄성계수가 클수록 복합 레진에 가해지는 vonMises 응력은 작아지는 것을 보고하였다. 이것은 이번 연구결과와는 반대의 결과로 이렇게 서로 다른 결과가 도출된 점에 대하여 다양한 원인을 고려해 볼 수 있다. 일반적으로 유한요소법으로 치아 및 수복물의 응력을 분석하는 연구에서 비슷한 실험 방법을 설계했음에도 불구하고 결과가 다르게 나타날 수 있게 하는 원인으로는 재현한 실험모델의 차이나 하중의 조건 및 해석 방법의 차이 등을 들 수 있겠다. Yaman의 연구에서 저작 하중의 방향은 치아 장축에 26도의 각도로 상악 중절치의 구개측에 전달되었고 상아질 접착제를 재현하지 않았다. 또한 모델 상에서 치조골에 치아를 움직이지 않도록 고정하였으며 치아 및 복합레진을 모두 변위를 허용하지 않는 견고한 물질로 재현하였다. 따라서 저작 하중이 치아를 통해 어떠한 응력 감소의 여지없이 압축 응력의 형태로 복합레진에 도달되는 설정이었다. 그렇기 때문에 탄성율이 높은 복합레진 즉 단단한 복합레진이 더 파절에 강하다는 결과가 나온 것으로 생각된다. 한편 이번연구에서는 저작 하중이 하악 제 1소구치의 협측 교두의 협측으로 가해졌다. 이 방향으로 저작 하중이 가해질 때 하악제 1소구치의 협측 치경부에 전단 혹은 인장 응력이 주로 발생하여 치질의 손실이 발생할 수 있기 때문이다. 또한 이번 연구에서는 모델 상의 치조골을 하단부만 구속하고 치조골, 치아 및 복합레진, 상아질 접착제의 변위를 허용하여 실제 구강 내의 상황과 비슷하게 재현하고 저작 하중의 응력감소 과정을 분석하려고 하였다. 그 결과 탄성율이 낮은 복합레진이 변위가 일어나며 응력 감소가 일어나 적은 vonMises 응력을 나타냈다고 생각된다. 그러므로 Yaman의 연구 결과는 5급 와동 병소의 복합레진 수복 시 특히 abfraction처럼 치아나 수복물의 변위가 많을 것으로 예상되는 경우에 적용하기보다 1급이나 2급 와동 병소를 가진 치아를 수복할 때처럼 저작 하중에 의해 수복물에는 압축응력이 주로 작용하며 변위도 심하지 않아 응력 감소가 거의 없을 것으로 예상되는 경우의 복합레진 수복에 적용하는것이 더 나을 것으로 생각된다. 환자의 구강 내에서 하악 제 1소구치에는 협측 교두의 협측으로만 저작 하중이 전달되는 것은 아니기 때문에 저작하중을 설측에서 가한 후 복합레진과 상아질 접착제 사이에서 발생하는 응력을 분석해 보았다. 이 때도역시 협측에서 저작 하중을 가했을 때의 결과와 거의 일치하는 결과를 보여주었다. 유한요소법을 이용한 abfraction의 연구 시 저작 하중의 크기에 대하여 많은 연구자마다 각기 다른 크기의 하중을 사용해 왔으며 Rees는 정상 저작 하중에서도 abfraction이 일어날 수 있음을 보여주었다. 또한 저작 운동에 따른 상아질 접착제의 접착 파괴는 상아질 접착제의 탄성 한계를 넘어 파단 강도에 이르러 발생하는 파괴라기보다는 탄성한계 내에서 저작 운동에 따른 반복 하중에 의한 파괴 현상으로 볼 수 있으므로 이번 연구에서는 정상 하중을 치아에 적용하고자 하였다. Widmalm과 Ericsson의 보고에 의하면 소구치 부위의 최대저작하중은 47.5Kg에 해당된다고 하였고, Gibbs 등은 정상적인 저작 하중은 최대저작압의 36.2%에 해당한다고 하여 본 연구에서는 170N의 저작하중을 가하였다. 이번 연구에서 관찰한 von Mises 응력은 유한요소법을 이용하여 응력을 분석할 때 가장 많이 이용되는 응력이다. Von Mises 응력은 구조물의 탄성한계와 관계가 있는 응력의 대표값으로 이 값이 클수록 구조물의 파절가능성이 크다고 할 수 있다. 그러나 von Mises 응력은 스칼라량으로 계산되기 때문에 발생되는 응력의 크기는 알 수 있으나 응력의 방향은 알 수 없게 된다. 응력의 방향을 알아보기 위하여 결과를 벡터량으로 나타낼 수 있는 주응력을 관찰하였다. 주응력이란 모델을 구성하는 임의의 요소에서 발생하는 수직 응력과 수평 응력즉, 각각의 축방향으로 물체에 가해질 수 있는 최대 응력을 의미한다. 따라서 이번 연구에서는 상아질 접착제의 임의의 위치에서의 측정한 주응력을 벡터량으로 나타내어 분석해보았다. 협측에서 저작 하중을 전달했을 경우 인장방향의 응력이 가장 많이 발생하고 표면에서 심부로 갈수록 상대적으로 인장방향의 응력은 크기가 줄어들고 전단방향의 응력은 크기가 늘어나는 것을 확인할 수 있었다. 설측에서 저작 하중을 전달했을 경우에는 압축방향의 응력이 전반적으로 고르게 발생하였고 전단방향의 응력은 병소의 심부에서 치근쪽 경계에 이르는 부위에만 약하게 나타났다. 특히 저작 하중을 가했을 때 치근쪽 경계의 상아질 접착제에서는 von Mises 응력과 주응력이 모두 다른 부위에 비하여 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 더구나 치근 경계는 상아질과 결합하므로 상아질 접착제의 접착력도 법랑질에 비해 약하기 때문에 응력에 더 취약한 부분이라고 할 수 있다. 그러므로 발생하는 응력의 크기나 접착력을 고려했을때 치근 경계에서 더 많은 접착의 실패가 있을 것이라고 예상된다. 이번 연구로 abfraction 병소를 수복할 경우 낮은 탄성계수를 가진 복합레진을 선택하거나 두꺼운 두께의 상아질 접착제를 도포하여 수복재의 탄성율을 낮추어주는 것이 치아와 상아질 접착제의 접착면에 발생하는 응력을 감소시키는 경향을 나타낸다는 것을 알 수 있었다. 따라서 이를 임상에서 적용 시 성공적인 복합레진 수복에 도움을 줄 수 있을 것으로 생각된다. 유한요소법을 이용하여 abfraction을 재현한 하악 제1소구치 협측 치경부에 상아질 접착제를 이용한 복합 레진을 수복하여 협측 및 설측에서 저작 하중을 가하여 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 상아질 접착제의 두께가 두꺼울수록 치아와의 접착면에 작용하는 응력은 감소하는 경향이 관찰되었다. 낮은 탄성계수 값을 가진 복합레진에서 치아와 상아질접착제 사이의 접착면에 작용하는 응력이 감소하였다. 상아질 접착제의 치근쪽 접착 면에서 법랑질쪽 접착 면보다 더 큰 응력이 발생하였다. 저작 하중을 협측에서 전달 시 상아질 접착제에는 전단방향의 응력이 설측에서 전달 시 압축방향의 응력이 우세하게 나타났다. 이상의 결론을 통하여 5급 와동 병소 특히 abfraction 같은 심한 응력이 가해지는 것이 예상되는 부위의 수복 시에는 저작 하중에 의해 발생할 수 있는 응력을 감소하기 위하여 비교적 두꺼운 두께의 상아질 접착제의 사용과 낮은 탄성계수 값을 가진 복합 레진을 이용하는 것이 바람직하다고 볼 수 있다.