Comparison of mechanical properties, marginal adaptation and surface roughness of 3D printed provisional crown by printing angle

Abstract

As dental procedures increasingly adopt digital workflows, provisional prostheses are now being fabricated using three-dimensional (3D) printing. Among the different types of 3D printers, LCD 3D printers have recently begun to appear in clinical use due to their low cost and acceptable performance. However, the mechanical and surface properties of printed objects can be influenced by the printing angle. This study aimed to evaluate the influence of various printing angles on the fracture strength, marginal adaptation, and surface roughness of a single provisional crown fabricated using an LCD 3D printer. The master model was prepared by clinically preparing a phantom tooth and duplicating it in cobalt-chromium. Two types of specimens, a provisional crown and a disc, were designed. Each was printed at four angles (0°, 15°, 30°, and 45°) using a urethane dimethacrylate (UDMA) based resin. A total of 76 specimens were fabricated, with 19 for each angle in each test. A universal testing machine was employed for fracture testing. The crosshead was set to move at a speed of 1 mm/min during load application. Marginal adaptation was evaluated through the silicone replica technique (SRT), with measurements taken at the buccal, mesial, distal, and lingual surfaces. Surface roughness was measured at nine points on each disc using a confocal laser scanning microscope. The average of these values was used for each specimen, and group means and standard deviations were compared by angle. The Shapiro–Wilk test was first conducted to assess normality. When normality was satisfied, one-way ANOVA was applied. In cases where this assumption was not fulfilled, the Kruskal–Wallis test was performed instead. Bonferroni post-hoc comparisons were carried out following the primary tests to assess differences between individual groups. The analysis revealed statistically significant differences according to the printing angle in all three test parameters (p < 0.05). Specimens printed at 0° and 15° exhibited higher fracture strength compared to those printed at 30° and 45°, and all groups exceeded the average maximum occlusal force. The smallest mean and standard deviation of marginal gap were observed in the 30° group, and all groups met the clinically acceptable threshold of less than 120 µm. Surface roughness increased in the order of 0°, 45°, 30°, and 15°. Except for the 0° group, higher printing angles resulted in narrower stair-step spacing and lower surface roughness. The conclusion of this study is that the printing angle affects the properties of objects fabricated using an LCD printer. However, no single angle demonstrated superiority in all aspects. Therefore, the printing angle should be selected based on specific clinical situations. Based on the results of this study, the use of 0° and 30° printing angles can be recommended.

치과의 전반적인 과정이 디지털 워크플로우로 진행됨에 따라 3D 프린팅을 이용한 임시 보철물 제작이 이루어지고 있다. 특히, 3D 프린터 중 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD) 방식의 3D 프린터는 저렴한 가격과 임상적으로 허용가능한 성능으로 인해 쉽게 보급되고 있다. 그러나 3D 프린팅은 출력 각도에 따라 출력 결과의 기계적 및 표면 특성에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 본 연구의 목적은 LCD 3D 프린터를 사용하여 제작된 단일 임시 크라운의 파절 강도, 마진 적합도 그리고 표면 거칠기에 미치는 다양한 출력 각도의 영향을 평가하는 것이다. 마스터 모형은 팬텀 치아를 임상적 기반으로 prep한 후 코발트-크롬으로 복제되었다. 시험에 사용된 시편은 임시 크라운과 디스크 두가지 형태로 설계되었다. 각 시편은 우레탄 디메타크릴레이트(urethane dimethacrylate, UDMA) 기반 3D 프린팅 레진을 사용하여 0°, 15°, 30°, 45°의 네 가지 다른 출력 각도로 프린팅 되었다. 각 시험 마다 4가지 각도로 19개씩, 총 76개의 시편을 제작했다. 파괴 시험에는 만능재료시험기를 사용했다. 하중을 가하는 동안 크로스헤드는 1 mm/min의 속도로 이동하도록 설정하였다. 마진 적합도는 실리콘 복제 기술(silicone replica technique, SRT)을 통해 평가되었으며, 협측, 근심측, 원심측 및 설측 표면에서 측정되었다. 표면 거칠기는 공초점 레이저 주사 현미경을 사용하여 디스크의 9개 지점을 측정하였다. 이 측정값들은 평균을 내어 한 개의 시편 결과값을 얻고, 각도별로 시편의 평균과 표준편차를 내어 비교하였다. Shapiro-Wilk 검정은 정규성을 평가하는 데 사용되었다. 정규성이 충족되면 일원 분산 분석(one-way ANOVA)을 적용했다. 이 가정이 어긋나는 경우에는 Kruskal-Wallis 검정을 대신 수행하였다. 개별 집단 간의 차이를 평가하기 위해 1차 검정 후 Bonferroni 사후 비교를 수행하였다. 분석 결과는 세 가지 시험 항목 모두에서 출력 각도에 따른 통계적으로 유의미한 차이를 나타냈다(p < 0.05). 0° 및 15° 로 인쇄된 군이 30° 및 45°로 인쇄된 군보다 더 높은 파절 강도를 보였으며, 모든 각도에서 평균 최대 교합력을 초과했다. 마진 간극은 30° 그룹에서 가장 작은 평균 및 표준편차로 나타났으며, 모든 각도에서 임상적 허용 값인 120 µm 미만을 충족하였다. 표면 거칠기는 0°, 45°, 30°, 15° 순서로 증가했다. 0° 그룹을 제외하고 인쇄 각도가 증가할수록 층간 간격이 좁아지고 표면 거칠기가 감소했다. 본 연구의 결론은 LCD 프린터를 사용하여 제작된 출력물의 특성에 인쇄 각도가 영향을 미친다는 것이다. 그러나 모든 측면에서 단일 각도가 우월성을 보인 것은 아니다. 따라서 특정 임상 상황에 따라 인쇄 각도를 선택해야 한다. 본 연구를 바탕으로 0°와 30° 인쇄 각도 사용을 추천할 수 있다.