Preclinical comparative evaluation of zirconia crowns based on manufacturing methods and materials

Abstract

Purpose. This study aimed to comparatively analyze several single-unit zirconia prostheses fabricated using various manufacturing methods and materials with the intaglio surface trueness, antagonists wear volume loss, and fracture resistance at the preclinical stage.

Materials and methods. A total of 7 experimental groups was included: Two additive manufacturing zirconia groups with different stereolithography (SLA) and digital light processing (DLP) printers, a fully sintered zirconia ((Y, Nb)-stabilized zirconia) group, and four groups of 4 or 5 mol% yttria-stabilized partially sintered zirconia by conventional or speed sintering. For each group, 14 monolithic zirconia crowns were made. Using 3D inspection software, the intaglio surface trueness was assessed at the inner surface, occlusal, margin, and axial areas after the specimen had been scanned with an intraoral scanner. Half of the specimens were aged for 120,000 cycles in the chewing simulator with human molars as antagonists. Each antagonist was digitized by a laboratory scanner before and after the chewing cycle. Volume loss was calculated by superimposing each pair of scan data using 3D inspection software. For all specimens, the load value at the time of fracture was evaluated using a universal testing machine. The trueness values were assessed with Welch's ANOVA, and the wear volume loss was assessed with the Kruskal–Wallis tests. The effect of the zirconia group and aging on fracture resistance of crowns was investigated using two-way ANOVA. The one-way ANOVA was used to assess the difference between groups in fracture load values before and after aging, respectively. A paired t-test was used to investigate the effect of aging on the fracture load for each group.

Results. There were significant differences in trueness between the groups, but the variations in mean of root mean square were within 5.25 μm. The two additive manufactured groups showed high trueness and low variations in the axial and occlusal areas but low trueness in the marginal area. The intaglio surface of the FSZ group was more reproducible than the partially sintered zirconia group but showed lower trueness in the occlusal and marginal areas. The partially sintered zirconia groups had low trueness in the axial area. There was no significant difference due to speed sintering on identical partially sintered zirconia blocks. No zirconia fractures were observed in any group during the artificial aging, and the amount of zirconia wear could not be detected. In wear volume loss of antagonists, there were no substantial variations among the (p = 0.808). Both zirconia groups and artificial aging had statistically significant effects on fracture load (both, p < 0.001), but no interaction between groups and aging was found (p = 0.301). The ADZ and FSZ groups had significantly higher fracture load values than others both before and after aging. Due to aging, only the fracture load values of the S4Z, C4Z, and C5Z groups decreased significantly.

Conclusion. Full-contour crowns made of additive manufactured zirconia, fully sintered zirconia, and partially sintered zirconia are clinically acceptable, with showing satisfactory results in intaglio surface trueness, antagonists wear volume loss, and fracture resistance after artificial aging.

1. 목 적 보철물 내면 적합도, 대합치 마모 및 파절 저항성을 비교하여 다양한 방식 및 재료로 제작된 지르코니아 크라운을 임상 적용 가능성을 확인하고자 한다.

2. 방 법 다음의 총 7개의 그룹에 대하여 그룹별로 14개씩 단일 구조 지르코니아 크라운 제작하였다. DLP와 SLA 방식의 서로 다른 3D printer로 적층 제작한 2 그룹(ADZ, ASZ), 완소결 지르코니아 블록 ((Y, Nb)-stabilized zirconia)을 절삭 가공하여 제작한 그룹(FSZ), 4 혹은 5 mol% yttria 안정화 반소결 지르코니아를 절삭 가공한 뒤 기존의 소성 혹은 고속 소성한 4 그룹(C4Z, S4Z, C5Z, S5Z)으로 총 7개의 그룹을 실험군으로 하였다. 각 그룹에 대하여 14개의 단일 구조 지르코니아 크라운 제작하였고, 이를 구강 스캐너로 스캔하였다. 3D inspection software을 이용하여 내면 전체, 교합면, 변연, 축면 4가지 영역에서 내면 적합도를 측정하였다. 각 그룹 별로 시편의 절반을 저작 시험기로 120,000 cycle의 저작 시험 시행하였고, 사람의 상악 대구치를 대합치로 이용하였다. 저작 시험 전, 후에 대합치를 모델 스캐너로 스캔한 뒤, 3D inspection software를 이용하여 마모된 부피를 측정하였다. 모든 시편을 universal testing machine을 이용하여 파절 시의 하중값을 측정하였다. 통계 분석을 위해 내면 적합도는 Welch's ANOVA, 대합치 마모량은 Kruskal-Wallis test, 그룹 및 aging의 영향은 two-way ANOVA를 통하여 분석하였다. 추가로 one-way ANOVA를 이용하여 aging 전과 후의 그룹간의 파절 하중의 차이를 분석하였고, paired t-test를 통해 각 그룹마다 파절 하중에 aging이 미치는 영향을 분석하였다.

3. 결 과 내면 전체에 대한 적합도는 그룹 간의 유의미한 차이가 있었으나 평균 RMS 값의 차이가 5.25 μm 이내였다. 적층 가공을 이용한 그룹들은 축과 교합면에서 높은 적합도와 낮은 편차를 보였으나, 변연부에서는 낮은 적합도를 보였다. 변연에서 낮은 적합도를 보였고, 반소결 지르코니아를 이용한 그룹들은 축면에서 낮은 적합도를 보였다. 완소결 지르코니아 그룹의 내면 재현성은 전반적으로 부분적으로 소결된 지르코니아 그룹보다 높았으나, 교합면과 변연에서 낮은 적합도를 보였다. 부분적으로 소결된 지르코니아 그룹은 축면에서 낮은 적합도를 보이고, 동일한 부분적으로 소결된 지르코니아 블록에서 고속 소성으로 인한 적합도의 유의미한 차이는 없었다. 저작 시험 동안 지르코니아 파절은 관찰되지 않았고, 지르코니아의 마모량은 매우 적었다. 대합되는 자연치의 마모량은 Kruskal–Wallis test를 통해 그룹 간 유의한 차이가 없다고 밝혀졌다. (p = 0.808). 파절 하중값을 보면, Two-way ANOVA를 통해 그룹과 aging이 하중값에 유의미한 영향을 미치는 것을 알 수 있었고 (both, p < 0.001), 서로 간의 상호작용은 없었다. (p = 0.301). One-way ANOVA는 ADZ, FSZ 그룹이 다른 그룹에 비해 파절 하중값이 aging 전과 후에 모두 유의미하게 큰 값을 가짐을 나타냈고, paired t-test에서는 S4Z, C4Z, C5Z 그룹은 aging으로 인해 유의미한 감소를 보였다.

4. 결 론 적층 가공, 완소결 블록, 고속 소성을 이용하여 제작한 지르코니아 보철물은 기존 방식으로 제작된 보철물과 비교하여, 내면 적합도, 대합치 마모량, 파절 저항성 측면에서 임상에 적용 가능할 정도의 결과를 보였다.