Evaluation of the Accuracy and Fit of 3D-Printed Indirect Bonding Trays Fabricated with Six Different Photopolymer Resins

Abstract

디지털 간접부착 시스템에서는 3D 프린터나 프린팅 레진의 물성에 따라 각각 다른 출력 오차가 발생할 수 있다. 또한 브라켓의 위치오차는 출력된 간접 부착 트레이의 구강내 시적 시 치열 적합성의 오차와 교정용 브라켓을 트레이에 삽입했을 때의 오차가 더해져 발생하게 된다. 따라서 본 연구의 목적은 현재 시판 중인 다양한 물성의 레진과 3차원 프린터를 이용하여 제작한 교정용 단일 간접 부착 트레이의 출력 정확성과 모델상에서의 적합도를 비교하고, 전달 오차(transfer error)를 계측하기 위해 설정한 임의의 브라켓 형태의 직육면체 구조물(arbitrary bracket configurations)의 위치 오차를 평가하는 것이다. 비교 평가를 위하여 표준 상악 치아모형을 석고로 제작하고 이를 바탕으로 디지털 스캔 파일과 석고 복제 모형을 제작했다. 간접 부착 트레이는 표준 치아 모형을 기준으로 각 치아에 임의의 브라켓 형태의 구조물을 설정하고, 5종류의 3D 프린터와 6개의 광중합형 프린트 레진,(Amber(AB), TC85DAC(TC) Orthoflex(OF), IBT(IT), IDB2(ID), MED625FLX(MD)으로 레진 소재 별 10개씩 총 60개의 트레이를 출력하였다. 기준 CAD 트레이를 장착한 치아모델 파일과 출력된 간접부착 트레이를 장착한 복제한 석고모형의 스캔 파일을 중첩하여 간접부착 트레이의 인공 브라켓의 3개의 선형 오차와 3개의 각도 오차를 리버스 엔지니어링 검사 프로그램을 이용하여 계측하였다. 또한 각 선형 차원에서 출력된 트레이 별, 2점의 거리를 계측함으로써 정밀도 (precision)을 평가하였다. 트레이의 출력 정확성은 출력된 트레이의 치수(dimension)와 임의로 설정한 브라켓 형상 구조에서의 두께와 트레이 본체 두께를 측정하였고, 이를 기준 CAD 트레이와 정합한 후 비교하여 치수와 두께 오차를 계측함으로써 평가하였다. 트레이 적합성은 핏-체커를 이용하여 치아 모형과 출력된 간접부착 트레이 사이의 공간 부피 (gap volume)로 평가하였다. 3D 프린트된 IDB 트레이의 전달 오차는 선형 오차에서 트레이 그룹 간 유의적인 차이를 보였으며 (P <0.001), 그 중에서도 수직 오차가 가장 컸다. 트레이의 전달 정확도 (transfer accuracy)의 정확도 (trueness)와 정밀도 (precision)에서 경질 (hard type) 트레이인 AB, TC 그룹이 연질 (soft type) 트레이 IT, ID, MD 그룹에 비하여 일관적이고 안정적인 오차 평균 결과를 보여주었다. 단, 경질 트레이 범주 내에서 OF 그룹은 수직 및 협설 방향의 오차, 정밀도 (precision ) 계측에서 모두 높은 유의성을 보였다 (P <0.001). 트레이 두께는 OF 그룹을 제외한 다른 모든 트레이 그룹에서 두께의 확장 경향을 보였고 그 중 MD 그룹은 유의적으로 큰 두께 확장 출력 경향이 나타났다. 공간 부피는 MD그룹이 가장 작았으며, AB 그룹이 가장 컸다 (P <0.001). 연질 트레이인 IT, ID, MD 그룹이 경질 트레이인 AB, TC, OF 그룹과 비교하여 비교적 낮은 공간 부피를 보였다. 실험에 사용한 6 종류의 트레이 중에서 90.1%와 68.8%가 각각 <0.25 mm 및 1°의 보수적으로 설정한 임상적으로 허용 가능한 선형 및 각도 오류 범위 안에 포함되었다. 선형 오차, 특히 수직 오차가 각도 오차보다 재료에 대한 영향을 더 크게 받았다. 트레이와 치아 모형간 공간 부피만으로는 간접부착 트레이 성능의 정확한 예측이 어려웠다. 따라서 최적의 적합성과 정확한 브라켓 위치 설정의 가능성을 높이기 위해서는 재료에 따른 간접부착 트레이의 설계와 맞춤화가 필요하다.

In digital indirect bonding (IDB) systems, IDB trays, utilizing three-dimensional (3D) printing, can introduce output errors due to printer and resin material characteristics. The accuracy of bracket placement in digital indirect bonding systems depends on the fit error associated with the IDB tray and the error that arises when the bracket is inserted into the tray. The purpose of this study is to assess the accuracy and fit of 3D-printed IDB trays fabricated using various photopolymer resin materials. A reference maxillary plaster model was fabricated, and 60 plaster replicas model using agar impression material were prepared and digitized into standard tessellation language (STL) files with model scanner. An IDB tray with artificial brackets was designed and then 3D printed in 10 identical pieces using six different photopolymer resin: Amber (AB), TC85DAC (TC), Orthoflex (OF), IBT (IT), MED625FLX (MD), and IDB2 (ID). To evaluate the 3D printed IDB tray, a reference plaster model with a computer-aided design (CAD) designed IDB tray (M1), was superimposed with plaster replicas fitted with 3D-printed trays (M2). Changes in the position of artificial bracket were then measured in both linear and angular dimensions using 3D reverse engineering software program. The precision of M2 in three linear dimensions was also evaluated. To assess the accuracy of the printed trays, the CAD-designed IDB tray was superimposed with the printed tray. The dimensions of the printed trays were measured, and the thickness at both the arbitrary bracket configurations (ABCs) and the tray body was compared. IDB Tray fit was evaluated by gap volume between the tooth and the tray using the fit-checker. IDB trays exhibited significant differences in linear errors, with vertical errors being particularly prominent. Conversely, no significant discrepancies were observed in angular errors across the groups. Precision (linear) was the highest in AB and IT, followed by TC and MD, then ID and OF (P < 0.05). Of all tray groups, 90.1% and 68.8% met clinically acceptable linear and angular errors, i.e., < 0.25 mm and 1°. Printing accuracy with different resins depends on tray dimension, thickness error, and gap volume. However, the gap volume was not directly related to the mean tray thickness error or dimensional accuracy. Linear errors, particularly vertical errors, are more material-dependent than angular errors. Gap volume alone was not a reliable predictor of IDB tray accuracy. Therefore, material-specific designs are needed to control optimal fit and facilitate precise bracket placement.