Mechanical properties and crown adaptation accuracy of additively manufactured zirconia restorations

Abstract

We evaluated the mechanical properties of zirconia restorations produced via additive manufacturing (AM) and the clinical applicability of zirconia crowns. Zirconia disks, bars, and crowns were manufactured via subtractive (CNC group) and additive manufacturing (AM group) techniques. Disk-shaped specimens in each group were autoclaved at 134 °C and 216 kPa for 5, 10, and 24 h. The phases of the specimens were analyzed using an X-ray diffractometer. The flexural strengths were measured via biaxial flexural tests. The morphologies were examined using a scanning electron microscope. The correlation between the m-phase fraction and biaxial flexural strength by autoclave time in each group was analyzed via linear mixed model and Pearson’s correlation analysis. For each group, crown specimens were used to assess the marginal and internal gaps using the replica technique. Buccolingual and mesiodistal cross-sections were measured, and non-inferiority trials and repeated measures one-way ANOVA were performed. Linear mixed model analysis indicated that for both groups, with an increase in the autoclave time, the flexural strength decreased, whereas the m-phase fraction increased. Pearson’s correlation analysis revealed no correlation between the m-phase fraction and flexural strength for either group. The non-inferiority trials on instrumented sections (buccal, lingual, mesial, and distal) indicated that the gap of the AM group was inferior to that of the CNC group in all sections, except for the distal occlusal section (lower limit confidence interval < −33). A repeated measures one-way ANOVA was conducted on instrumented sections (buccal, lingual, mesial, and distal), revealing that the marginal and internal gaps of AM-produced zirconia crowns was less accurate than CNC-produced zirconia crowns. These findings suggest that additively produced zirconia restorations have mechanical properties comparable to those of conventionally produced ceramics and may be suitable for clinical applications.

치과영역에서의 지르코니아는 우수한 물리적 특성과 생체적합성 및 적절한 광학적 성질을 가진 재료로 최근 CAD/CAM 기술의 발전과 함께 수복 재료로서 그 응용 범위가 넓어지고 있다. 최근 3D 프린팅 기술의 발전과 더불어 적층 가공 방식으로 지르코니아 세라믹 수복물을 제작하려는 시도가 있다. 따라서 본 연구는 적층 가공 방식으로 제작된 지르코니아 수복물의 기계적 특성과 지르코니아 크라운의 정확도를 비교하여 임상적 적용 가능성을 평가하고자 하였다. 절삭 가공 방식 (CNC group)과 적층 가공 방식 (AM group)으로 지르코니아 시편을 각 그룹 당 원판형 40개, 막대형 10개, 그리고 10개의 크라운을 제작하였다. 이축 굴곡 강도와 3점 굴곡 강도 측정을 위해 막대형 시편이 사용되었고, 각 그룹의 원판형 시편을 134℃, 215kPa 에서 5, 10, 24 시간 동안 열순환 처리를 시행하였으며, X-선 회절 분석을 통해 단사정상 분율과 이축 굴곡 강도 분석 후 통계 분석을 시행하였다. 제작된 크라운의 변연 및 내면 간격을 평가하기 위해 레플리카 기법이 사용되었다. 협설 및 근원심 단면의 변연, 축벽, 선각, 교합에서의 간격을 측정한 후 통계 분석을 시행하였다. 열순환 처리를 하지 않은 이축 굴곡 강도와 3점 굴곡 강도는 두 그룹 모두에서 유의한 차이가 없었다 (p > 0.05). 열순환 처리를 시행한 각 그룹에서 단사정상 분율과 이축 굴곡 강도 간의 상관관계를 분석한 결과, 두 그룹 모두 열순환 처리 시간이 증가함에 따라 이축 굴곡 강도는 감소한 반면, 단사정상 분율은 증가한 것으로 나타났다. 하지만 두 그룹 모두 단사정상 분율과 이축 굴곡 강도 사이에 통계학적으로 유의한 상관관계는 없는 것으로 나타났다. 제작된 크라운의 두 그룹 간 변연 및 내면 간격을 비교한 Shapiro-Wilk test 결과 AM group 의 변연 간격에서만 유의한 차이가 있었지만, 전반적인 분포를 보았을 때 모든 계측점에서 두 그룹 사이에 유의한 차이가 없는 것으로 간주할 수 있었다. 계측 단면 별 (협측, 설측, 근심 및 원심)로 시행한 비열등성 시험 결과 AM group 의 교합 (원심) 부위를 제외한 (lower limit confidence interval > −33) 모든 계측 단면에서 CNC group에 비해 열등하였다. 또한 계측 단면 별 (협측, 설측, 근심 및 원심)로 시행한 일원 반복 측정 분산 분석에서 AM group 의 모든 계측 단면에서 CNC group에 대해 유의한 차이가 있었다 (p < 0.05). 이 연구의 한계 내에서, 적층 가공 방식으로 제작된 지르코니아 수복물은 절삭 가공 방식으로 제작된 것과 유사한 기계적 특성을 가지고, 크라운의 정확도는 절삭 가공 방식으로 제작된 것보다 열등하지만, 그 차이가 임상적으로 허용되는 범위에 속하므로, 임상적 적용이 가능할 수 있다는 것을 시사한다.