Efficiency of Uncured Monomer Removal from Clear Aligners in Accordance with Centrifugation Time and Temperature in 3D-Printing Post-Processing

Abstract

The advancement of three-dimensional (3D)-printing technology has enabled the direct production of customized clear aligners from transparent resin materials based on dental computer-aided design. To manufacture 3D-printed clear aligners, the patient's dentition is 3D-scanned, target models for each orthodontic stage are designed, and then printed. After printing, the aligners are separated from the platform and undergo a series of post-processing steps, among which the cleaning stage for removing uncured monomers is crucial for accurate fabrication and achieving appropriate physical properties. With the drawbacks of the conventional chemical cleaning method using isopropyl alcohol (IPA) being highlighted, the non-chemical centrifugal cleaning method has recently gained attention. This study investigated the influence of time and temperature of the centrifugal cleaning method on the removal of uncured monomers from 3D-printed clear aligners. The cleaning temperature was controlled using a heating wire installed inside the centrifuge. The 3D-printed clear aligners were cleaned with IPA or centrifuge (g-force 27.95 g) cleaning 2, 4, and 6 mins at 23 ± 2 °C (RT) or 55± 2 °C (HT) respectively, and rheological analysis, weight measurement, transparency evaluation, surface analysis, 3D data comparison, stress relaxation characteristics, and cytotoxicity evaluation were performed to evaluate the effect. The results showed that viscosity decreased by 2.34 times at HT compared to RT, and the weight of clear aligners decreased with increasing centrifugation cleaning time and temperature (p < 0.05). The transmittance value measured by UV-vis spectrophotometer to determine transparency was highest in the NT group, and the transmittance value tended to decrease as temperature and washing time increased. The IPA group showed significantly lower transparency than other groups (p < 0.05). However, when visually observing the transparency of clear aligner specimens, there was no difference between groups except for the IPA group. Scanning electron microscopy revealed that the surface of the IPA group was the roughest. Internal fit evaluation through 3D scanning of plaster models showed that the centrifugation groups exhibited relatively good precision. The non-treated group had a high Root Mean Square value (p < 0.05) and showed positive (+) deviations in the incisal region. Stress relaxation tests showed that the shape of the aligners recovered over time, with all groups exhibiting over 95 % recovery after 60 minutes, and there was no significant difference based on the cleaning method (p < 0.05). Cytotoxicity results showed that all groups met the ISO standard criteria. In conclusion, while there were significant differences in uncured monomer removal efficiency and some physical properties depending on time and temperature, there was no substantial impact on cytotoxicity and stress relaxation behavior. Notably, centrifugal cleaning at HT for 2 minutes effectively removed uncured monomers while maintaining the physical properties (weight, transparency, surface characteristics, dimensional stability and shape recovery ratio) of clear aligners. Therefore, centrifugation at HT for 2 minutes is considered an appropriate clinical cleaning method that minimizes working time and effectively removes uncured monomers without significantly affecting the physical properties of clear aligners.

3D 프린팅 기술의 발전으로 치과용 CAD 설계로부터 투명한 레진 재료를 사용하여 직접 맞춤형 투명 교정 장치의 제작이 가능해졌다. 이러한 3D 프린팅 투명 교정 장치를 제작하기 위해서는 환자의 치열을 3D 스캔하고, 각 교정 단계별 목표 모델을 설계한 뒤 프린터로 인쇄한다. 인쇄가 완료된 투명 교정 장치는 플랫폼에서 분리되어 일련의 후처리 과정을 거치게 되는데, 이 중 미경화 단량체를 제거하는 세척 단계는 정확한 교정 장치의 제작과 적절한 물성을 확보하는데 있어 매우 중요하다. 기존에 이소프로필 알코올(이하 IPA)을 사용한 화학적 세척법의 단점이 대두되며 최근 비화학적 세척법인 원심분리 세척법이 주목받고 있다. 본 연구에서는 3D 프린팅 투명 교정 장치에서 미경화 단량체를 제거하는 데 있어 원심분리 세척방법의 온도와 시간이 미치는 영향을 조사하였다. 세척 온도 환경은 원심분리기 안쪽에 설치한 열선을 통해 제어되었다. 3D 프린팅 투명 교정 장치를 IPA 또는 각각 23 ± 2 °C (이하 RT) 와 55± 2 °C (이하 HT)에서 2, 4, 6분 동안 원심분리(중력가속도 27.95 g)로 세척한 후 유동학, 무게 측정, 투명도 평가, 표면 분석, 3D 데이터 비교, 응력 이완 특성 및 세포독성 평가를 수행하였다. 그 결과, HT 에서 RT 보다 점도가 2.34배 감소하였고, 원심분리 세척 온도와 시간이 증가할수록 투명 교정 장치의 무게가 감소하는 것으로 나타났다(p < 0.05). 투명도를 결정하기 위해 자외선 가시 분광 광도계로 측정한 투과도 값은 IPA 그룹에서 가장 낮았고, 온도와 시간이 증가할수록 투과도 값이 낮아지는 경향을 보였다. IPA 그룹은 다른 그룹들과 유의하게 낮은 투명도를 보였다(p < 0.05). 투명 교정 장치 시편의 투명도를 육안으로 관찰하였을 때는 IPA 그룹을 제외한 나머지 그룹은 차이가 없었다. 주사전자현미경으로 표면을 관찰한 결과 IPA 그룹의 표면이 가장 거칠게 관찰되었다. 투명 교정 장치의 내부 적합도를 측정하고자 제작한 석고 모델의 3D 스캔을 통한내면 적합도 평가 결과, 원심분리 세척을 진행한 그룹은 비교적 우수한 정밀도를 나타냈다. 세척하지 않은 그룹은 Root Mean Square값이 높았을 뿐만 아니라(p < 0.05) 절단 부위가 붉게 나타나 양(+)의 편차를 보였다. 형상 기억 특성을 확인하기 위해 수행한 응력 이완 시험 결과, 시간이 지남에 따라 교정 장치의 형태가 회복되었으며, 60 분 경과 후에는 모든 그룹이 95 % 이상 회복률을 보였고, 세척 방법에 따른 유의한 차이는 없었다(p > 0.05). 실험 그룹간 세포독성은 유의한 차이가 없었고, 모든 값이 ISO에 따른 세포독성 평가 기준을 충족하였다. 이상의 결과를 종합해 볼 때, 온도와 시간에 따른 미경화 단량체 제거 효율 및 일부 물성에는 유의한 차이가 나타났으나, 세포독성과 응력 이완 거동에는 큰 영향이 없었다. 특히, HT에서 2분간 원심분리 세척을 적용하였을 때 미경화 단량체가 효과적으로 제거하면서도 장치의 물리적 특성 (무게, 투명도, 표면 특성, 치수 안정성 및 형상 회복률)이 잘 유지되었다. 따라서 HT에서 2분간 원심분리를 진행하는 것이 작업시간을 최소화하며, 미경화 단량체를 효과적으로 제거하면서도 투명 교정 장치의 물리적 특성에 큰 영향을 미치지 않아 적절한 임상적 세척 방법이라고 사료된다.