Comparison of the mechanical properties of 3D‐printed, milled, and conventional denture base resin materials

Abstract

Objectives: This study aimed to evaluate the mechanical properties of three-dimensional (3D)-printed resin materials for denture bases by conducting a comparative analysis with dental resin materials for denture bases separately fabricated using conventional methods and computer-aided design/computer-aided manufacturing milling. Methods: Sixty rectangular specimens were fabricated and divided into before and after thermocycling groups for a three-point flexural test. Single rectangular and single disc specimens from each group were fabricated for dynamic mechanical analysis (DMA) and nanoindentation experiments, respectively. Results: Regardless of thermocycling, the 3D-printed denture base resin group exhibited a significantly higher flexural strength (p < 0.05). Before thermocycling, the flexural modulus of the 3D-printed and milled denture base resin group were significantly higher than that of the conventional denture base resin group (p < 0.05). After thermocycling, the 3D-printed denture base resin group exhibited the highest flexural modulus, followed by the milled denture base resin group, and then the conventional denture base resin group. Significant differences were observed between the groups (p < 0.05). The 3D-printed denture base resin group exhibited a higher storage modulus than the other groups in the DMA at 0.1 Hz. The 3D-printed denture base resin group exhibited a higher resistance to nanoindentation deformation and better ability to recover its original shape after the applied force was removed than the other groups. Conclusion: Regardless of thermocycling, the 3D-printed denture base resin group exhibited higher flexural strength and modulus than the groups fabricated using the other methods, demonstrating excellent mechanical properties. In addition to the flexural test, the 3D-printed denture base resin group also demonstrated superior mechanical properties in all other tests. The 3D-printed denture base resin group exhibited suitable mechanical properties for use in hard denture applications. PMMA 재료는 경제성, 물리화학적 특성, 심미성과 같은 부분에서 여러 장점을 가지고 있어 1930 년대부터 의치 제작에 활발히 사용되어 왔다. 그러나 기존의 전통적인 가공방식의 PMMA 는 중합 수축에 따른 변형이나 파절에 대한 부족한 저항성, 복잡한 기공과정 등의 개선해야 할 점들이 있다. Digital Dentistry 영역의 발전으로, 디지털 기술을 이용한 의치 제작이 활용 되고 있으며, 이는 기존의 방식을 대체하여 중합 수축의 단점을 줄이고 비교적 우수한 물성을 가지게 한다. 또한 노동력과 작업시간을 줄이고 간편화된 기공과정으로 기공 정확도를 향상 시키는 장점을 가지고 있다. 이에 본 연구는 3D 프린팅 의치상 레진과 기존의 전통적인 방식의 의치상 레진 및 CAD/CAM 절삭가공 의치상 레진의 기계적 물성을 장기간 구강 내의 환경을 재현하는 방식의 Thermocycling 전과 후로 나누어 비교 분석해 3D 프린팅 의치상 레진의 기계적 물성을검증하고자 한다. 열중합 의치상 레진 시편 제작을 위해, 규격 모형의 왁스를 석고로 플라스킹 후, 왁스를 완전히 소환하고 만들어진 주조모형에 분리재(Separating Fluid, Ivoclar Vivadent AG)를 도포하였다. 레진 캡슐(SR Ivocap High Impact; Ivoclar Vivadent AG)을 Cap vibrator (Ivoclar Vivadent AG)를 이용하여 주입 전 5 분간 믹스하였고, 6bar 의 압력으로 주입을 시행하였다. SR Ivocap 을 100 °C 에서 35 분간 중합을 시행한 이후, 30 분간 찬 물에 보관하였다. 시편을 플라스크에서 분리하고 제조사의 지시대로 polishing 하였다. CAD/CAM 밀링 블록은 automated cutting machine (Okamoto Slicer; Japan) equipped with a diamond blade (SD400, Noritake; Japan)를 이용하여 기준 규격의 모양에 맞게 절삭하였다. 3D 모델링 소프트웨어를 이용하여, 3D 프린팅 샘플을 디자인하였다. 디자인 파일은 Standard Tessellation Language(STL)로 저장하고, 의치상 레진을 제작하였다. 시편은 3D 프린터 (Sprint Ray Pro95, Sprint Ray)를 이용하여 DLP (digital light processing) 기법으로 제조사의 지시에 맞게 출력하였다. 출력된 시편은 초음파 수조 (UCS-20, Lab Companion, Billerica, MA) 와 isopropanol (IPA, Samchun Pure Chemical, Gyeonggido, South Korea)을 이용해 세척하였고, 20 분동안 curing machine (Cure-M 102H, Grapy, Korea)를 이용해 제조사의 지시에 맞게 중합 하였다 3 점 굽힘 시험을 위해 각 그룹별로 20 개씩 총 60 개의 시편을 국제 표준규격 ISO 20795-1: 2013 기준에 맞추어 길이 64 mm, 너비 10(±0.2) mm, 높이 3.3(±0.2) mm 로 준비하였고, 각 그룹에서 절반의 시편은 37 °C 수조에서 50 ± 2 시간을 보관하였고, 다른 절반의 시편은 5 °C 와 55 °C 사이에서 10,000 회의 thermal cycles 을 시행하였다. (70 s per cycle; dwelling time: 30 s, transfer time: 5 s). Dynamic Mechanical Analysis 를 위해 길이 30 mm, 너비 12.5 mm, 높이 3.3 mm 의 1 개의 시편을 제작하였다. Nanoindentation 실험을 위해 직경 20mm, 높이 2mm 의 디스크 형태의 각 그룹별로 1 개의 시편을 제작하였다. 열처리 여부와 관계없이 3D 프린팅 의치상 레진이 유의하게 높은 굴곡강도를 보였다 (p < 0.05). 3D 프린팅 의치상 레진과 CAD/CAM 절삭가공 의치상 레진이 열중합 의치상 레진에 비해 열처리 전 유의하게 높은 굴곡계수를 보였고 (p<0.05), 열처리 이후 3D-printed group 이 가장 높은 굴곡계수를 나타내면서, CAD/CAM 절삭가공 의치상 레진과 열중합 의치상 레진이 뒤를 이었다. 각각의 그룹은 유의한 차이를 보였다 (p<0.05). 3D 프린팅 의치상 레진이 다른 그룹들에 비해 0.1Hz 에서 높은 저장탄성률을 보였으며, Nanoindentation deformation에 우수한 저항능력과 복원능력을 나타냈다. 열처리 여부와 관계없이 다른 제작 방식에 의한 의치상 재료들에 비해 3D 프린팅 의치상 레진이 높은 굴곡 강도 및 굴곡계수를 보였다. 굽힘 실험 외에도, 다른 실험에서도 동일하게 3D 프린팅 의치상 레진이 우수한 기계적 물성을 나타냈다. 3D 프린팅 의치상 레진은 Hard denture 용 재료로 사용하기에 적합하다고 사료된다.