Fit analysis of the stereolithography-manufacturing three-unit resin prosthesis with various 3D-printing build orientations and layer thicknesses

Abstract

목 적 : 본 연구의 목적은 stereolithography (SLA) 방식의 3D 프린팅으로 제작한 3본 레진 보철물에서 적층 방향과 두께에 따른 적합도를 분석하는 것이다.

방 법 : 3본 고정성 레진 보철물을 장착할 수 있는 주모형을 5축 밀링 기계 (IDC MILL 5X; Amann girrbach AG, Koblach, Austria)로 절삭하여 제작하였다. 모델 스캐너 (T500; Medit, Seoul, Korea)로 주모형을 스캔한 후 상부 보철물을 CAD 소프트웨어 (Exocad Dental CAD; Exocad GmbH, Darmstadt, Germany)로 디자인하였다. 지대치의 장축과 제작 방향이 이루는 각도를 적층 방향으로 명명하였다. SLA 3D 프린터 (Zenith U; Dentis, Daegu, Korea)를 사용하여 다섯 가지 적층 방향 (0°, 30°, 45°, 60°, 90°)에 대해 두 가지 적층 두께 (50 µm, 100 µm)로 열 개 군, PMMA 레진 블록을 5축 밀링하여 (Arum DEG-5X100; Doowon, Seoul, Korea) 한 개 군의 보철물을 제작하였다. 총 11개 군에서 그룹 당 열 개씩 제작하였고 시편을 주모형에 적합 시킨 후 Micro-CT (Skyscan 1172; Bruker micro-CT, Kontich, Belgium)를 이용하여 스캔하였다. 정량적 분석을 위해 변연과 내면 적합도는 imageJ 소프트웨어 (ImageJ 1.52 version; NIH, Bethesda, MD, USA)를 사용하여 측정하였다. 변연 적합도는 절대 변연 차이 (AMD), 변연 갭 (MG) 두 가지로 측정하였고 내면 적합도는 치경부 (CE), 축벽 중앙 (AX), 선각 (LA), 교합면 (OC) 부위에서 측정하였다. 축벽 중앙 (AX)은 보다 정확한 평가를 위해 내측/외측/협측/설측으로도 나누어 분석하였다. 내면 갭 부피 (IGV)는 CTAn 소프트웨어 (CTAn 1.17.7.2 version; Bruker micro-CT, Kontich, Belgium)로 측정하였다. 통계 분석으로 이원 분산 분석 및 T-검정을 시행하였고 신뢰수준은 95%로 하였다. 정성적 분석을 위해 각 시편의 관상면, 시상면, 수평면의 CT 단면을 조사하여 그룹 간 특징적인 차이를 비교하였다. 시편의 내면을 주사 전자 현미경 (Apreo S LoVac; Thermo Fisher Scientific, Brno, Czech)으로 촬영하여 미세구조적 특징을 비교 분석하였다.

결 과 : 절대 변연 차이 (AMD)는 가장 작은 값이 71.9 ± 8.3 µm (50 µm, 45°) 였고 가장 큰 값은 121.6 ± 12.5 µm (50 µm, 90°) 였다. 변연 갭 (MG)은 가장 작은 값이 41.6 ± 7.2 µm (50 µm, 45°) 였고 가장 큰 값은 84.4 ± 12.3 µm (50 µm, 90°) 였다. 모든 적층 두께에서 적층 방향 30°와 45°그룹이 보다 좋은 변연 적합도를 나타냈다. 가장 작은 치경부 (CE)갭은 67.1 ± 8.4 µm (50 µm, 60°) 였고 가장 큰 값은 122.1 ± 9.2 µm (50 µm, 0°) 였다. 가장 작은 축벽 중앙 (AX)갭은 79.0 ± 8.2 µm (50 µm, 60°) 였고 가장 큰 값은 115.0 ± 11.3 µm (50 µm, 0°) 였다. 모든 적층 두께에서 적층 방향 60°그룹이 가장 작은 CE 및 AX 값을 나타냈다. 또한, 모든 프린팅 그룹에서 내측 축벽 중앙 갭이 외측 축벽 중앙 갭보다 항상 컸다 (p < 0.001). 시상면 축벽 중앙 갭은 적층 방향이 0°에서 60°까지 증가함에 따라 작아지나 90°로 증가할 때는 커졌다. 가장 작은 선각 (LA)갭은 65.7 ± 6.5 µm (100 µm, 90°) 였고 가장 큰 값은 102.3 ± 8.0 µm (100 µm, 30°) 였다. 가장 작은 교합면 (OC)갭은 97.4 ± 25.5 µm (50 µm, 30°) 였고 가장 큰 값은 206.0 ± 16.7 µm (100 µm, 0°) 였다. 가장 작은 내면 갭 부피 (IGV)는 20.2 ± 1.2 mm3 (50 µm, 60°) 였고 가장 큰 부피는 25.5 ± 1.3 mm3 (100 µm, 30°) 였다. 내면 갭 부피는 적층 두께에 상관없이 60°의 적층 방향에서 가장 작은 값을 나타냈다. 적층 방향 0°를 제외하면 적층 두께 50 µm 그룹에서 100 µm 그룹에 비해 작은 내면 갭 부피를 보였다. 바람직한 프린팅 조건에서 (50 µm, 45°와 60°) AMD와 CE는 프린팅 그룹이 밀링 그룹에 비해 작은 값을 나타냈다. 그러나 MG와 LA는 프린팅 그룹이 밀링 그룹에 비해 큰 값을 나타냈다. 모든 프린팅 그룹의 CT 단면에서 계단 모양의 형태가 관찰되었고 이는 100 µm 적층 두께 그룹에서 50 µm 적층 두께 그룹에 비해 더 뚜렷하게 보였다. 또한, 밀링 그룹이 프린팅 그룹에 비해 평활한 표면을 보여주었다. 모든 프린팅 그룹의 수평면 CT 단면에서 내측 축벽 중앙 갭은 외측 축벽 중앙 갭 보다 크게 관찰되었다. 시상면 CT 단면에서 0°적층 방향 그룹에서는 불균일한 교합면 내면이 관찰되었고 90°적층 방향 그룹에서는 협측 내면에 큰 물결 모양의 고르지 않은 표면 형태가 관찰되었다. 주사 전자 현미경 사진에서는 0°적층 방향 그룹의 교합면 내면에서 빈 공간이 관찰되었고 90°적층 방향 그룹의 협측 내면에서도 빈 공간이 관찰되었다. 또한, 90°적층 방향 그룹의 교합면 내면에서 수직적인 선과 빈 공간이 관찰되었다. 빈 공간의 크기는 100 µm 적층 두께 그룹에서 50 µm 적층 두께 그룹에 비해 더 크게 나타났다.

결 론 : SLA 3D 프린팅 레진 보철물에서 적층 방향과 두께에 따른 적합도 차이가 발생하였다. 변연 적합도와 내면 적합도를 고려할 때, 바람직한 적층 방향은 45°와 60°였으며 적층 두께는 50 µm였다. 주사 전자 현미경 분석에서도 0°와 90°적층 방향의 경우 내면의 의도치 않은 빈 공간이 형성되므로 동일한 결론이 도출된다. 적절한 적층 방향과 두께로 제작된 SLA 3D 프린팅 보철물은 밀링 보철물과 유사한 적합도를 보였다. 3D 프린팅 및 밀링 제작 보철물의 적합도는 모두 임상적으로 허용 가능한 범위 안에 있었다.

Purpose: The purpose of this study was to analyze the fit according to the build orientations and layer thicknesses in stereolithography (SLA) manufactured three-unit resin prostheses.

Materials and methods: A master model was fabricated with 5-axis milling machine (IDC MILL 5X; Amann girrbach AG, Koblach, Austria) for the three-unit resin fixed partial denture. After scanning (T500; Medit, Seoul, Korea) the master model, prosthesis design was proceeded using CAD software (Exocad Dental CAD; Exocad GmbH, Darmstadt, Germany), and then 3D printed prostheses were produced using a stereolithography (SLA) 3D printer (Zenith U; Dentis, Daegu, Korea). The angle formed between the long axis of the abutment and build direction was defined as the build orientation. The prostheses were produced in five build orientations (0°, 30°, 45°, 60° and 90°) and two-layer thicknesses (50 µm and 100 µm) (n=10 for each group). For milled group, ten specimens were produced with the same CAD design using a 5-axis milling machine (Arum DEG-5X100; Doowon, Seoul, Korea). The prostheses were mounted on the master model, and CT scan was done using a micro-CT scanner (Skyscan 1172; Bruker micro-CT, Kontich, Belgium). For quantitative analysis, marginal and internal fits were measured using imageJ software (ImageJ 1.52 version; NIH, Bethesda, MD, USA). Marginal fits were measured as the absolute marginal discrepancy (AMD) and marginal gap (MG). Internal fits were measured as the cervical area (CE), mid axial wall area (AX), line-angle area (LA) and occlusal area (OC). AX was divided into inner/outer/buccal/lingual AX for more precise evaluation. Internal gap volume (IGV) was measured using CTAn software (CTAn 1.17.7.2 version; Bruker micro-CT, Kontich, Belgium). For statistical analysis, two-way ANOVA and independent T-test were used. The confidence level was set to a value of 95% for all statistical analysis. For qualitative analysis, coronal, sagittal and horizontal CT cross sections were examined and characteristic differences among the groups were compared. Internal surface of each specimen was imaged with SEM (Apreo S LoVac; Thermo Fisher Scientific, Brno, Czech) and microstructural characteristics were analyzed.

Results: The smallest AMD was 71.9 ± 8.3 µm (50 µm, 45°) and the largest value was 121.6 ± 12.5 µm (50 µm, 90°). The smallest MG was 41.6 ± 7.2 µm (50 µm, 45°) and the largest value was 84.4 ± 12.3 µm (50 µm, 90°). The build orientation 30° and 45° groups presented preferable marginal fits than other build orientations for both layer thicknesses. The smallest CE was 67.1 ± 8.4 µm (50 µm, 60°) and the largest value was 122.1 ± 9.2 µm (50 µm, 0°). The smallest AX was 79.0 ± 8.2 µm (50 µm, 60°) and the largest value was 115.0 ± 11.3 µm (50 µm, 0°). The build orientation 60° groups presented smaller CE and AX values than other build orientations for both layer thicknesses. Furthermore, inner AX (141.9 ± 23.7 µm for 50 µm, 172.3 ± 23.2 µm for 100 µm) was larger than the outer AX (92.7 ± 17.8 µm for 50 µm, 74.0 ± 16.6 µm for 100 µm) for printed groups (p < 0.001). Sagittal AX values decreased with build orientation increase from 0° to 60° but increased in 90° build orientation. The smallest LA was 65.7 ± 6.5 µm (100 µm, 90°) and the largest value was 102.3 ± 8.0 µm (100 µm, 30°). The smallest OC was 97.4 ± 25.5 µm (50 µm, 30°) and the largest value was 206.0 ± 16.7 µm (100 µm, 0°). The smallest IGV was 20.2 ± 1.2 mm3 (50 µm, 60°) and the largest volume was 25.5 ± 1.3 mm3 (100 µm, 30°). IGV was smallest with 60° build orientation regardless of the layer thickness. Except for the 0° build orientation, 50 µm groups showed smaller IGV values than the 100 µm groups for each build orientation. The AMD and CE of 3D printed groups with desirable conditions (50 µm, 45° and 60°) were significantly smaller than those of milled group. However, the MG and LA of 3D printed groups were significantly larger than those of milled group. A stair-shaped appearance was observed for all printed groups. This shape appeared more prominently in 100 µm groups than 50 µm groups. Surface smoothness was better for milled specimens compared to printed specimens. From the horizontal CT section, the inner AX was larger than the outer AX in the printed groups. In sagittal CT section, irregular inner occlusal surface was observed in 0° groups and large wavy, uneven surface patterns on the inner buccal surface was observed in 90° groups. From the SEM photographs, voids on the inner occlusal surface were observed in 0° groups and large voids on the inner buccal surface were observed in 90° groups. Additionally, 90° specimens presented the vertical lines and flaws parallel to the build direction on the inner occlusal surface. The size of the void was larger in 100 µm layer thickness groups compared to the 50 µm groups.

Conclusions: For SLA 3D printed resin prostheses, a difference in fit occurred based on the printing conditions. The desired printing conditions considering the marginal and internal fit were a 50 µm layer thickness with 45° and 60° build orientations. The same conclusion can be drawn with the SEM analysis because unintentional voids were created on the inner surface for 0° and 90° groups. When the SLA 3D printed prosthesis is manufactured with proper conditions, it is possible to obtain a comparable fit to the milled prosthesis. The fitness of both 3D printed and milled prostheses showed a clinically acceptable fit.