Spatio-temporal analysis of shrinkage vectors during photo-polymerization of resin composite

Abstract

1. 목적 본 연구의 목적은 컴퓨터 시각과 입자 추적 방법을 이용하여 광중합 중 복합레진의 수축 벡터를 측정하는 새로운 방법을 개발하고, 경계 조건과 와동의 기하학적 형태에 따른 수축 벡터의 차이를 시공간적으로 비교 분석하여 이 방법의 유용성을 평가하기 위함이다.

2. 재료 및 방법 컴퓨터 시각과 입자 추적 방법을 이용하여 개발한 새로운 광학 장비는 CCD 컬러 카메라, 렌즈, 필터, 다수의 입자를 추적할 수 있는 소프트웨어로 구성되었다. 혼합형 복합레진 Z250을 이용하여 얇은 원반 형태, 또는 한쪽 면이 접착된 얇은 반구 형태의 시편을 제작하였다. 건전한 25개의 대구치에 1급, 2급, 5급 와동을 형성하고 수평 혹은 수직 방향으로 절단하여 얇은 판상의 치아 시편을 제작하였다. 와동을 산부식하여 수세 건조 후 접착제를 적용하고 슬라이드 글라스에 고정하여 복합레진으로 충전하였다. 광조사 전 복합레진의 표면에 마이크로브러시를 이용하여 형광입자를 도포하였다. 형광입자의 움직임은 광중합 개시부터 600초 동안 촬영하여 컴퓨터 비전을 이용하여 추적하였고, 시간과 위치에 따른 중합수축 벡터를 분석하였다. 비교를 위해 복합레진의 체적 수축을 측정하였다.

3. 결과 600초 동안 복합레진 Z250의 선형수축은 0.75 (0.12)%, 체적수축은 2.26 (0.18)%였다. 접착하지 않은 상태의 복합레진 시편에서는 수축 벡터가 시편의 중심을 향하며 모든 방향으로 등방적이었으나, 한쪽 면이 고정된 복합레진 시편에서는 수축 벡터가 접착면을 향하며 비등방적으로 관찰되었다. 치아 와동에 충전된 복합레진의 국소적인 수축 벡터는 와동의 기하학적 형태, 위치, 깊이와 시간에 따라 다르게 관찰되었다.

4. 결론 복합레진의 국소적인 수축 벡터는 복합레진의 경계 조건, 와동의 기하학적 형태와 시간에 따라 다양하게 관찰되었다. 본 연구에서 고안된 새로운 방법은 광중합 중 복합레진 시편 전체에서 국소적인 선형 수축 벡터를 측정하고 시공간적으로 분석할 수 있는 유용한 방법이었다.

Objectives. The purpose of this study was to validate a new method to investigate the polymerization shrinkage vectors of resin composite during light curing and to evaluate the overall utility and significance of the technique.

Methods. An optical instrument was developed to measure the location and direction of the polymerization shrinkage strain vectors of dental composite during light curing using a particle tracking method with computer vision. The measurement system consisted of a CCD color camera, a lens, a red filter, three green laser diodes and software for multi-particle tracking. A universal hybrid composite (Z250, 3M ESPE, St. Paul MN, USA) was molded into thin disc-shaped specimens (un-bonded or bonded) or filled into a cavity within a tooth slab (bonded). Tooth slabs have various geometry with class I, II and V cavity configuration and sectioned horizontally or longitudinally. The composite surface was coated with fluorescent particles prior to light curing. The images of the fluorescent particles were stored at 2 frames/s for 10 min, and the movements of the particles on the composite surface were tracked with computer vision during curing. The polymerization shrinkage strain vectors as a function of time and location were analyzed. The volume shrinkage of the composite was also measured for comparison.

Results. The linear and volume shrinkage of the composite at 10 min were 0.75 (0.12)% and 2.26 (0.18)%, respectively. The polymerization shrinkage vectors were directed toward the center of the specimen and were isotropic in all directions when the composite was allowed to shrink freely without bonding. In contrast, the shrinkage vectors were directed toward the bonding surface and were anisotropic when the composite was bonded to a fixed wall. The regional displacement vectors of composite in a tooth cavity were dependent on the cavity geometry, location, depth and time.

Significance. The new instrument was able to measure the regional linear shrinkage strain vectors over an entire surface of a composite specimen as a function of time and location. Therefore, this instrument can be used to characterize the shrinkage behaviors for a wide range of commercial and experimental visible-light-cure materials in relation to the composition, boundary condition and cavity geometry.