Physical and Mechanical Properties of Dental Ceramic Fabricated by Additive Manufacturing in Accordance with Varying Amounts of Zirconia in Slurry

Abstract

Zirconia is attracting attention in many studies due to its high mechanical properties, excellent ion conductivity, and outstanding biocompatibility. Recently, it has gained significant research and interest in the dental field, especially in combination with 3D printing. Among those studies, it is being widely used in combination with Digital Light Processing (DLP) technology, which offers advantages such as shortened manufacturing time and lower costs. To print ceramic 3D parts using DLP technology, various prerequisites are necessary. Among them, sufficient solid loading in the slurry is required for the densification and excellent mechanical performance of ceramics. However, most current research focuses on the dispersion of ceramic particles within the slurry. Furthermore, there is a lack of research on the physical and mechanical properties depending on the solid loading in zirconia slurries. Therefore, the purpose of this study is to investigate the effects of different solid loadings in zirconia slurries on their mechanical and physical properties. In this study, slurries with different zirconia loading were prepared and compared. Zirconia slurries with solid loadings of 45 vol%, 50 vol%, and 55 vol% were prepared. The name of each group is expressed by converting wt% into vol% calculated based on the density value presented by the manufacturer. In addition, all group consists of 3 mol% yttria-partially stabilized zirconia, monomer, photoinhibitor, and dispersant. Firstly, rheological analysis, polymerization analysis, thermal analysis, and density were conducted to evaluate the characteristics of the zirconia slurries with different solid loadings. The physical properties were evaluated through linear shrinkage and microstructure analysis. Additionally, the mechanical properties were assessed through hardness and biaxial flexural strength. In all evaluations, commercial zirconia slurries were set as the control group for comparison. In rheological analysis, the control group and 45 vol% and 50 vol% exhibited viscosities below 3 Pa·s at 30 s-1. Therefore, 55 vol% was excluded from in this study. Polymerization analysis confirmed successful polymerization for all three groups. Thermal analysis confirmed the solid loading of the control group (approximately 45 - 47 vol%) and optimized post-processing cycle for prepared slurry, and a highly densified density was obtained through this cycle. The linear shrinkage rates decreased with increasing solid loading. The microstructure analysis revealed dense grain distribution and fine grains with increasing solid loading. In terms of hardness, there was no significant difference between the control group and 45 vol% (p > 0.05), but both groups were significantly different from 50 vol% (p < 0.05). In the biaxial bending strength, there was no significant difference between 45 vol% and 50 vol% (p > 0.05). However, both groups were significantly different compare to the control group (p < 0.05). When compared numerically, the control group showed the highest value, followed by 50 vol%. Weibull analysis indicated higher reliability for slurry with higher zirconia loading, excluding the control group. This study successfully prepared zirconia slurries with a viscosity below 3 Pa·s at 30 s-1. In terms of physical properties, an increase in solid loading led to increased hardness depth, lower linear shrinkage rates, and had dense grain distribution and fine grains. In mechanical properties, higher hardness and the reliability for strength were observed with increasing solid loading. Consequently, a foundation for preparing zirconia slurries for DLP has been established. Furthermore, by providing physical and mechanical properties based on solid loading, the application scope of zirconia in the field of 3D printing has been expanded. However, further research is needed to improve dispersion stability and minimize defects occurred in both surface and interior.

지르코니아는 높은 기계적 특성, 우수한 이온 전도도 및 우수한 생체 적합성의 특성을 보유하고 있어 많은 연구에서 주목받고 있다. 최근에는 치과분야에서 3D 프린팅과 결합되어 많은 연구와 관심을 받고 있다. 그 중에서도 제조 시간의 단축 및 저렴한 비용의 장점을 가지고 있는 Digital light processing (이하 DLP) 기술과 결합되어 많은 연구에 사용되고 있다. DLP 기술로 세라믹 부품을 출력하기 위해서는 다양한 전제조건이 필요하다. 그 중에서 세라믹의 치밀화와 훌륭한 기계적 성능을 위해서는 슬러리 내에 충분한 고체 함량을 필요로 한다. 그러나 현재 대부분의 연구는 슬러리 내의 세라믹 입자의 분산에 대한 연구가 많다. 더욱이, 지르코니아 슬러리의 고체 함량에 따른 물리적 및 기계적 특성에 대한 연구는 부족하다. 따라서 본 연구의 목적은 지르코니아 슬러리에서 서로 다른 고체 함량이 기계적, 물리적 특성에 미치는 영향에 대해 확인하는 것이다. 본 연구에서는 서로 다른 지르코니아 함량을 갖는 슬러리를 제작하여 비교하고자 하였다. 지르코니아 함량이 45 vol%, 50 vol%, 55 vol%인 지르코니아 슬러리를 제작하였다. 각 그룹의 이름은 제조사에서 제시한 밀도 값을 기준으로 wt%를 vol%로 환산하여 나타냈다. 또한 모든 그룹은 3 mol% 이트리아 부분 안정화 지르코니아, 모노머, 광개시제, 분산제로 구성되어 있다. 먼저, 제작된 서로 다른 고체 함량을 갖는 지르코니아 슬러리의 특성을 평가하기 위해 유변학적 분석, 중합 분석, 열 분석 및 밀도 실험을 진행하였다. 물리적 특성은 소결된 시편의 소결수축률 및 미세구조를 통해 평가하였다. 또한 기계적 성질은 경도와 굴곡 강도를 통해 평가하였다. 모든 평가에서 상업용 지르코니아 슬러리를 대조군으로 설정하여 비교하였다. 유변학적 분석에서 대조군, 45 및 50 vol%만 30 s-1에서 3 Pa·s 이하의 점도를 나타냈다. 따라서 55 vol%는 모든 실험에서 제외되었다. 광중합 분석을 통해 세 그룹 모두 중합이 잘 이루어지는 것을 확인하였다. 열 분석을 통해 대조군의 고체 함량(대략 45 - 47 vol%)을 확인 및 지르코니아 슬러리에 대한 후처리 과정을 최적화하였으며, 해당 과정을 통해 고치밀화된 밀도를 얻었다. 소결수축률에서는 고체 함량이 증가함에 따라 낮은 수축률을 나타냈다. 미세구조에서는 고체 함량이 증가함에 따라 조밀한 grain 분포와 미세한 입자를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 경도에서는 대조군과 45 vol%는 유의한 차이가 없었으나(p > 0.05), 50 vol%와는 유의한 차이를 나타냈다(p < 0.05). 이축 굽힘강도에서 45 vol%와 50 vol%는 유의한 차이가 없었다(p > 0.05). 그러나 두 그룹과 대조군 사이에는 유의한 차이가 있었다(p < 0.05). 수치적으로 비교하였을 때, 대조군이 가장 큰 값을 나타냈고, 50 vol%가 그 뒤를 이었다. Weibull 분석에서 대조군을 제외한 지르코니아 함량이 높은 슬러리의 신뢰성이 더 높은 것을 확인할 수 있었다. 본 연구는 30 s-1에서 3 Pa·s 미만의 점도를 갖는 지르코니아 슬러리를 제작하는데 성공하였다. 물리적 특성에서 고체 함량이 증가할수록 낮은 소결수축률를 나타냈으며, 조밀한 입자(grain) 분포와 미세한 입자(grain)를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 기계적 특성에서는 고체 함량이 증가할수록 높은 경도와 강도에 대한 신뢰성을 확인할 수 있었다. 이에 따라, DLP용 지르코니아 슬러리 제조를 위한 기초를 마련하였으며, 고체 함량에 따른 물리적 및 기계적 특성을 제공함으로써 3D 프린팅 분야에서의 지르코니아 적용 범위를 확대하였다. 그러나 분산 안정성을 향상시키고, 표면 및 내부에 존재하는 결함을 최소화하기 위해서는 추가 연구가 필요하다.