KR20200134391A

KR20200134391A - 심미성 임플란트용 당일보철 완소결 지르코니아 블록

Info

Publication number: KR20200134391A
Application number: KR1020190059759A
Authority: KR
Inventors: 김대준
Original assignee: 주식회사 바텍에큐세라
Priority date: 2019-05-21
Filing date: 2019-05-21
Publication date: 2020-12-02
Also published as: KR102251422B1

Abstract

본 발명은 내부에는 어버트먼트에 해당하는 불투광성 제1 지르코니아 고용체가 위치하고 외부에는 크라운에 해당하는 반투광성 제2 지르코니아 고용체가 배치되어 어버트먼트와 크라운이 일체화된 완소결 지르코니아 블록으로서, 상기 제1 지르코니아 고용체는 89.8 - 91.0 mol% ZrO₂, 5.0 - 5.4 mol% Y₂O₃, 4.0 - 4.8 mol% Nb₂O₅ 또는 Ta₂O₅ 조성으로 형성되고 0.1 - 30 vol%의 Al₂O₃ 을 추가로 포함하며, 상기 제2 지르코니아 고용체는 86.4 - 89.7 mol% ZrO₂, 5.5 - 7.4 mol% Y₂O₃, 4.8 - 6.2 mol% Nb₂O₅ 또는 Ta₂O₅ 조성으로 형성되고 Fe₂O₃, Er₂O₃, Pr₆O₁₁, TiO₂, Co₂O₃ 중에서 선택되는 첨가물이 0.01 - 5.0 wt% 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는 심미성 임플란트용 당일보철 완소결 지르코니아 블록을 제공한다.

Description

심미성 임플란트용 당일보철 완소결 지르코니아 블록 {Fully sintered esthetic zirconia blocks for chair-side implant crowns}

본 발명은 임플란트용 지르코니아 블록에 관한 것으로서, 상세하게는 이종의 지르코니아 고용체로 크라운과 어버트먼트를 일체화시킨 새로운 완소결 지르코니아 블록을 제안한다.

치과 임플란트 분야는 지금까지 괄목할 만한 성장을 거듭해 왔다. 자연 치아를 대체하는 인공 치아 재료로서 기존에는 금속을 주로 사용하였으나, 최근에는 심미성이 뛰어나 자연 치아와 유사한 색상을 발현할 수 있는 세라믹 보철물이 많이 이용되고 있다.

전세계의 임플란트 시장은 계속해서 규모가 커지고 있으며 2020년에는 40억 달러를 능가할 것으로 예상되고 있다. 이러한 임플란트 시장 규모의 확대 배경의 하나는 디지털치의학 기반 CAD/CAM (Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) 기술이 보급되고 기술 수준이 지속적으로 발전하기 때문으로 평가되고 있다. CAD/CAM 기술의 발전은 환자의 구강해부학에 따라 임플란트를 맞춤화하고 소침습(less invasive) 수술을 위한 임플란트의 정확한 식립위치를 확정하여 조기 수술회복을 가능케 할 전망이다. 특히 디지털치의학 기반 임플란트술식은 '당일' 보철을 지향하는 chair-side CAD/CAM과 연동되어 임플란트 상부 구조물과 그 위에 결합되는 크라운이 실시간으로 제작될 것을 요구하고 있다.

현재 chair-side CAD/CAM에 의한 치아수복용 소재는 가공이 용이한 장석계 도재나 글래스 세라믹들이 주를 이루고 있으나, 이들 소재의 위약한 기계적 물성으로 인하여 임플란트 보다는 자연치의 라미네이트나 인레이 등의 수복치료에 국한되고 있는 실정이다. 한편, 지르코니아는 치아색과 유사하여 심미성이 높고, 강도가 매우 커서 자연치아가 깨질 정도의 충격에도 견디며, 특히 인체친화적인 재질로 알러지 반응이 없다는 장점이 있다. 그러나 지르코니아 소재의 경우 먼저 반소결체 지르코니아를 사용하여 보철물을 가공한 후 추가적으로 완소결 공정을 거쳐야 하기 때문에 chair-side CAD/CAM 보철에 활용되기에는 아직까지 한계가 있다.

당일 보철에 지르코니아 소재가 사용되기 위해서는 기본적으로 반소결, 가공, 완소결의 단계를 거치는 보철물 제작과정이 아닌 완소결체로 한 번의 가공만으로 보철물이 완성되어야 한다. 즉 가공 후 추가적인 소결 과정이 없어야 한다. 문제는 고강도 지르코니아 소재가 완소결 상태에서의 높은 경도로 인해 당일 보철을 위한 CAD/CAM 가공에 어려움이 있다는 것이다. 또한, 임플란트 구조물이 통상적으로 인공치근에 해당하는 픽스쳐와 지대주인 어버트먼트 및 최종 수복물인 크라운으로 구분되는데, 환자의 턱뼈에 픽스쳐가 식립된 상태에서 어버트먼트를 픽스쳐에 고정한 후 그 위에 크라운을 수복하는 2단계의 시술 대신 한 번에 어버트먼트와 크라운이 결합된 소재로 시술하는 것이 당일 보철에 더 효과적일 것이다. 이를 구현하기 위해, 심미적 목적의 임플란트의 경우 어버트먼트는 기계적 물성이 요구될 뿐만 아니라 티타늄 연결부나 고정체의 금속 색상을 차단해야 하기 때문에 불투광성이어야 하고, 반면 크라운은 치아 색상을 구현하기 위해 반투광성이어야 한다.

등록특허 10-0912271호에 따르면, 크라운과 지대주가 일체로 형성된 세라믹 재질의 크라운 일체형 지대주 및 그 제조방법이 제안된 바 있다. 이 기술은 지르코니아와 같은 세라믹 소재로 제조된 블록을 가공하여 제1 예비 블록체를 제작하는 단계, 치아를 3D 모델링하는 단계, 상기 치아 3D 모델에서 임플란트 고정체에 결합될 코어부와 상기 코어부 외부에서 인공치아의 외관을 형성하는 포셀린부를 각각 모델링하는 단계, 상기 코어부 모델을 이용하여 제1 예비 블록체를 가공 소결하여 코어부를 형성하는 단계, 상기 포셀린부 모델을 이용하여 포셀린부 블록체를 형성하는 단계 및 상기 코어부와 상기 포셀린부 블록체를 결합하고 상기 포셀린부 블록체에 포셀린을 인젝션하여 크라운 일체형 지대주를 형성하는 단계를 포함하고 있다.

이와 같은 종래의 크라운 일체형 지대주는 지대주의 구조를 단순화시키고, 크라운과 지대주를 각각 제작한 후 결합시키는 기존 방법과 대비하여 보았을 때 50% 이상 시간과 비용을 줄일 수 있다고 언급하고 있으나, 지르코니아 지대주(어버트먼트)에 포셀린 크라운용 쉘을 결합한 후 포셀린을 쉘 내부에 주입하여 포셀린 크라운과 지르코니아 지대주가 결합된 구조를 완성하고 있으며, 지대주는 반소결 후 가공하여 완소결 과정을 거치고 있어 당일 보철용 소재로 적용하기엔 여전히 한계가 있다.

본 발명은 전술한 기술적 배경하에서 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 어버트먼트와 크라운이 일체화된 심미성 임플란트용 지르코니아 블록을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 반소결 후 가공하여 완소결을 거치는 기존 지르코니아 블록 대신 완소결 상태로 가공하여 당일 보철이 가능한 새로운 지르코니아 블록을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 임플란트용 지르코니아 블록으로서 어버트먼트는 높은 강도와 불투광성을 가지는 반면, 크라운은 높은 가공성과 반투광성을 갖도록 이종 소재를 일체화한 완소결체 지르코니아 블록을 제공하는 것이다.

기타, 본 발명의 또 다른 목적 및 기술적 특징은 이하의 상세한 설명에서 보다 구체적으로 제시될 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 내부에는 어버트먼트에 해당하는 불투광성 제1 지르코니아 고용체가 위치하고 외부에는 크라운에 해당하는 반투광성 제2 지르코니아가 배치되어 어버트먼트와 크라운이 일체화된 완소결 지르코니아 블록으로서, 상기 제1 지르코니아 고용체는 89.8 - 91.0 mol% ZrO₂, 5.0 - 5.4 mol% Y₂O₃, 4.0 - 4.8 mol% Nb₂O₅ 또는 Ta₂O₅ 조성으로 형성되고 0.1 - 30 vol%의 Al₂O₃ 을 추가로 포함하며, 상기 제2 지르코니아 고용체는 86.4 - 89.7 mol% ZrO₂, 5.5 - 7.4 mol% Y₂O₃, 4.8 - 6.2 mol% Nb₂O₅ 또는 Ta₂O₅ 조성으로 형성되고 Fe₂O₃, Er₂O₃, Pr₆O₁₁, TiO₂, Co₂O₃ 중에서 선택되는 첨가물이 0.01 - 5.0 wt% 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는 심미성 임플란트용 당일 보철 완소결 지르코니아 블록을 제공한다.

본 발명에서 상기 지르코니아 블록은 대기압하에서 1400 - 1700℃ 범위의 온도로 1 - 5 시간 동안 소결하여 얻어질 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서, 상기 지르코니아 블록은 대기압 소결 후 냉각한 다음, 1400 - 1600℃ 온도에서 5000 - 30,000 psi의 압력하에 1 - 3시간 동안 추가적인 소결을 진행할 수 있다.

본 발명의 지르코니아 블록에서 어버트먼트는 크라운 내부에 위치하면서 블록 상단에서 하단까지 배치될 수 있으며, 또한 어버트먼트 내부에 픽스쳐 고정용 볼트 삽입 홀이 형성될 수 있다.

본 발명은 또한, 89.8 - 91.0 mol% ZrO₂, 5.0 - 5.4 mol% Y₂O₃, 4.0 - 4.8 mol% Nb₂O₅ 또는 Ta₂O₅및 조성의 제1 지르코니아 및 0.1 - 30 vol%의 Al₂O₃ 을 추가로 포함하여 형성되는 불투광성 어버트먼트 블록; 및 86.4 - 89.7 mol% ZrO₂, 5.5 - 7.4 mol% Y₂O₃, 4.8 - 6.2 mol% Nb₂O₅ 또는 Ta₂O₅ 조성의 제2 지르코니아 및 Fe₂O₃, Er₂O₃, Pr₆O₁₁, TiO₂, Co₂O₃ 중에서 선택되는 첨가물이 0.01 - 5.0 wt% 범위로 포함하여 형성되고, 내부에 삽입 공간이 마련되어 있는 반투광성 크라운 블록;으로 구성되며, 상기 어버트먼트 블록과 크라운 블록을 각각 소결한 후, 크라운 블록의 내부 삽입 공간에 어버트먼트 블록을 결합하여 일체화시킨 것을 특징으로 하는 심미성 임플란트용 당일보철 완소결 지르코니아 블록을 제공한다.

본 발명에 따르면, 이종 조성의 어버트먼트와 크라운을 일체화시킨 심미성 임플란트용 당일보철 완소결 지르코니아 블록을 제공한다.

본 발명의 지르코니아 블록은 크라운용 블록의 경우 경도가 낮고 인성이 높아 크라운의 가공성이 우수하여 짧은 시간에 CAD/CAM 가공이 가능하다. 한편, 어버트먼트용 블록은 강도와 인성 등의 물성이 우수하여 금속 고정체에 물리적으로 안정적인 부착이 가능하다. 또한 어버트먼트용 블록은 불투광성으로 내부 금속 고정체의 금속색을 완전히 차단하며 그 위에 결합되는 크라운의 반투광성 내지 투광성으로 인해 전체적인 임플란트 수복물의 심미성이 우수하다

본 발명의 완소결 지르코니아 이중 블록은 기존에 치과병원에서 사용중인 각각의 반소결 지르코니아 블록과 지대주용 티타늄을 동시에 대체할 수 있다.

반소결 지르코니아의 경우 가공 후 소결 및 착색공정을 위해 하루 이상의 제작시간이 필요하고, 장석계 지대주용 블록은 가공성은 우수하나 가공 후 1 시간 이상의 결정화를 위한 열처리 공정이 필요할 뿐만 아니라 낮은 기계적 물성으로 일체화 블록의 응용에 문제가 있다. 이에 반하여, 크라운과 어버트먼트가 일체화된 완소결 지르코니아 블록은 30분 정도의 가공으로만 제작이 완료될 수 있어 제작시간의 획기적 단축으로 당일 보철이 가능해지며 이에 따른 비용 및 시간이 절감되고, 전세계 임플란트 시장에 큰 수요를 창출할 것으로 기대된다.

도 1은 Y₂O₃와 Nb₂O₅ 첨가에 따른 지르코니아의 강도 변화를 보인 그래프
도 2는 Y₂O₃와 Nb₂O₅ 첨가에 따른 지르코니아의 파괴인성을 보인 그래프
도 3은 Y₂O₃와 Nb₂O₅ 첨가에 따른 지르코니아의 경도 변화를 보인 그래프
도 4는 Y₂O₃와 Ta₂O₅ 첨가에 따른 지르코니아 블록의 강도 변화를 보인 그래프
도 5는 Y₂O₃와 Ta₂O₅ 첨가에 따른 지르코니아의 파괴인성을 보인 그래프
도 6은 Y₂O₃와 Ta₂O₅ 첨가에 따른 지르코니아의 경도 변화를 보인 그래프
도 7은 Al₂O₃ 첨가에 따른 지르코니아의 강도 변화를 보인 그래프
도 8은 Al₂O₃ 첨가에 따른 지르코니아의 파괴인성을 보인 그래프
도 9a 내지 9d는 본 발명의 지르코니아 블록의 성형 공정 및 성형체를 보인 모식도
도 10은 알루미나 첨가에 따른 지르코니아 분말의 입경 변화를 보인 그래프
도 11은 HIP 온도에 따른 지르코니아의 강도 변화를 보인 그래프
도 12a 및 12b는 상압 소결과 HIP 처리 후의 지르코니아 SEM 사진

본 발명은 이종 조성의 어버트먼트와 크라운을 일체화시킨 심미성 임플란트용 당일보철 완소결 지르코니아 블록을 제안한다.

임플란트 구조물에서 크라운용 소재로 사용되는 Y₂O₃ 첨가 안정화한 반소결 지르코니아(Y-TZP) 블록 및 금속 어버트먼트를 사용하는 종래의 임플란트 시술과는 달리, 디지털치의학 시대에 적합한 당일 보철을 구현하기 위해서는 새로운 패러다임의 지르코니아 블록이 요구된다.

크라운과 어버트먼트가 일체화된 심미성 완소결 지르코니아 블록은 1회 가공만으로 후속 소결 공정없이 임플란트용 수복물을 완성할 수 있다. 이러한 임플란트용 완소결 지르코니아 블록에서 어버트먼트용 지르코니아는 높은 강도가 요구되고 크라운용 지르코니아는 완소결된 상태에서도 가공성이 우수해야 한다. 또한, 심미성이 강조되는 치과용 임플란트의 특성상 어버트먼트는 기계적 물성뿐만 아니라, 티타늄재질의 연결부나 고정체의 금속 색상을 차단해야 하기 때문에 불투광성이어야 하고 크라운은 치아 색상을 구현하기 위해 투광성 내지 반투광성이 요구된다.

이와 같이 크라운과 어버트먼트가 일체화되면서도 각각의 물성을 만족시키기 위해서 본 발명은 이종의 지르코니아 각각의 조성을 특화시키는 한편, 임플란트 구조물에 적합하도록 성형하고 각 부분의 물성이 유지되도록 소결 공정을 제어한다.

산화물 고용 함량에 따른 지르코니아 물성 변화

본 발명은 이종의 소재가 일체화된 심미성 임플란트용 블록을 제조하기 위해 ZrO₂에 3가 산화물과 5가 산화물 조성을 달리하여 고용화시킨 소재를 사용한다. 구체적으로, 본 발명은 어버트먼트와 크라운이 각각 이종의 지르코니아 소재로 구현되도록 ZrO₂-Y₂O₃-Nb(또는 Ta)₂O₅의 삼성분계 지르코니아 고용체를 기본으로 하면서 Y₂O₃와 Nb(또는 Ta)₂O₅의 첨가량 조절을 통해 어버트먼트와 크라운의 강도, 인성, 경도, 투광도를 각각 다르게 조절한다. 고강도/불투광성 조성의 지르코니아 고용체를 어버트먼트용으로 블록 내부에 위치시키고 고인성/투광성 조성의 지르코니아 고용체를 크라운용으로 블록 외부에 위치시킴으로써 전체 임플란트 구조물의 기계적 물성과 심미성을 동시에 확보한다.

ZrO₂에 3가 산화물의 고용 함량이 증가함에 따라 일반적으로 파괴인성과 탄성계수는 감소하고 경도와 투광도는 증가한다. 한편 5가 산화물의 증가는 파괴인성, 경도, 탄성계수, 투광도 모두 감소시키는 경향이 있다. 이들 산화물들이 강도에 미치는 영향은 일정한 경향성이 없이 각 산화물들의 첨가량에 비례하여 증가하면서 최대치를 보이다가 감소하는 거동을 보인다.

도 1 내지 3은 Y₂O₃와 Nb₂O₅첨가량에 따른 지르코니아 블록의 기계적 특성을 평가한 결과이다. Nb₂O₅를 첨가하였을 때 블록의 최고 강도는 800MPa이나 이는 기존 3Y-TZP보다 낮은 값이며, ZrO₂에 5.5mol% Y₂O₃와 4.9mol% Nb₂O₅을 첨가한 경우는 약 500MPa로 급격히 감소하였다. 블록의 최고 인성의 경우 10 MPaㆍm^1/ ² 로 측정되었으며, 이 경우 3Y-TZP의 6 MPaㆍm^1/2에 비해 우수하였다.

경도는 9 - 10.5 GPa의 분포를 보였고, Nb₂O₅의 첨가량이 증가할수록 감소하며, Y₂O₃는 첨가량에 비례하는 것으로 관찰되었다. 이들 경도값은 3Y-TZP의 12GPa에 비하여 낮은 값으로 이들 시편의 가공성은 3Y-TZP에 비해 우수하였다.

도 4 내지 6은 Y₂O₃와 Ta₂O₅ 첨가량을 달리한 시편들의 기계적 특성을 평가한 결과이다. Ta₂O₅ 첨가량이 증가할수록 소결체의 기계적 특성은 Nb₂O₅와 유사한 경향성을 보여 강도는 감소하고 인성은 증가하였다. 그러나 Ta₂O₅를 첨가한 시편에서 파괴인성은 급격한 변화를 보여 5.5 MPaㆍm^1/2에서 최대 8.2 MPaㆍm^1/2까지 향상되었다. 경도는 최대 11 GPa로 최대값은 Nb₂O₅에 비해 높은 값을 보였다.

조성변화에 따라 강도, 인성, 경도의 변화는 직선적이지 않고 최대값을 가진 후 감소하는 경향을 보인 것을 확인할 수 있다. 이러한 특성에 기반하여 본 발명은 크라운용 지르코니아의 조성 범위를 결정하였다.

지르코니아에 알루미나를 첨가하면 강도 및 인성이 증가하는 것으로 알려져있다. 알루미나는 지르코니아에 미세량만 고용되며 대부분 2차상으로 존재하여 외부 응력에 대한 파괴 발생 시 이차상의 알루미나 입자가 크랙의 전이를 막아 강도가 증가의 원인이 된다. 지르코니아 분말에 알루미나를 부피비로 첨가한 복합분말을 2축 가압 및 CIP 하고 1600℃에서 2시간 소결하여 첨가량에 따른 물성 변화를 도 7 및 도 8에 나타내었다. 알루미나 첨가량에 따른 강도는 40 vol%와 60 vol%에서 가장 높은 양봉형 그래프 형태를 보였으며 파괴인성은 80 vol% 첨가량에서 가장 높았다.

본 발명에서는 어버트먼트용 지르코니아 분말에 상용 알루미나를 첨가하여 물리적 특성과 투광도를 변화시키는 한편, 후술하는 바와 같이 소결 거동을 제어한다.

완소결 지르코니아 블록의 조성

첨가 산화물들이 ZrO₂ 고용체의 물리적 특성에 미치는 영향을 고려하여, 어버트먼트용 제1 지르코니아 고용체는 89.8 - 91.0 mol% ZrO₂, 5.0 - 5.4 mol% Y₂O₃, 4.0 - 4.8 mol% Nb₂O₅ (또는 Ta₂O₅)의 조성을 갖는다. 또한, 크라운용 제2 지르코니아 고용체는 86.4 - 89.7 mol% ZrO₂, 5.5 - 7.4 mol% Y₂O₃, 4.8 - 6.2 mol% Nb₂O₅ (또는 Ta₂O₅)의 조성을 갖는다.

제1 지르코니아 고용체와 제2 지르코니아 고용체는 각각 동일한 성분이면서 3가 산화물과 5가 산화물의 첨가량을 달리하여 임플란트용 어버트먼트와 크라운의 조건에 적합한 물성을 확보하게 된다. 또한, 제1 지르코니아 고용체와 제2 지르코니아 고용체에서 3가 산화물과 5가 산화물의 첨가량의 차이를 크게 하지 않음으로써 소결 과정에서 이종 조성간의 소결 거동 차이를 최소화하고 최종 완소결 블록의 품질을 향상시킬 수 있다.

완성된 심미성 지르코니아 이종접합 블록은 가공을 거쳐 구강 내 장착시 주변 치아와 자연스럽게 어울리는 한편, 내부 금속 고정체의 색상이 외부에 드러나지 않도록 각 고용체에 다른 성분을 더 포함할 수 있다. 제1 지르코니아 고용체는 0.1 - 30 vol%의 Al₂O₃ 을 추가로 포함하여 불투광성이 확보되도록 하며, 제2 지르코니아 고용체는 Fe₂O₃, Er₂O₃, Pr₆O₁₁, TiO₂, Co₂O₃ 중에서 선택되는 첨가물을 0.01 - 5.0 wt% 범위로 포함하여 크라운이 자연 치아에 가깝도록 색상을 부여한다. 임플란트 블록 제조 시 크라운용 제2 지르코니아 고용체는 심미성의 최적화를 위해 블록의 상단에서 하단으로 가면서 투광도를 단계적으로 감소시키도록 첨가물의 양을 제어할 수도 있다.

조성을 달리한 지르코니아 고용체가 임플란트용 어버트먼트와 크라운으로서 일체화시킨 구조물로 사용될 수 있는지 여부를 확인하기 위하여, 어버트먼트용 지르코니아로서 90.6 mol% ZrO₂, 5.3 mol% Y₂O₃, 4.1 mol% Nb₂O₅, 조성물을 준비하고, 추가로 20vol% 의 Al₂O₃ 을 더 포함하여 블록을 제작하였다. 또한, 크라운용 지르코니아로서 89.7 mol% ZrO₂, 5.5 mol% Y₂O₃-4.8 mol% Nb₂O₅ 조성물을 준비하여 블록을 제작하였다. 제작된 각각의 블록의 물성을 측정한 결과를 표 1에 나타내었다.

	어버트먼트	크라운
강도	1067 MPa	740 MPa
파괴인성	10.01 MPam^1/2	7.9 MPam^1/2
경도	10.2 GPa	8.4 GPa
투광도	-	43%

어버트먼트는 상대적으로 높은 강도와 파괴인성 및 경도로 기계적 물성이 우수하면서 Al₂O₃ 를 첨가하여 불투광성을 보이고 있고, 반면 크라운은 상대적으로 낮은 경도로 인해 가공이 용이하면서 43%의 투광도를 보이고 있다.

이와 같이 조성을 달리하여 얻어진 물성 결과로부터, 파괴인성이 우수하면서도 경도가 낮아야 완소결 상태에서도 가공이 용이하며 투광성이 있는 조성의 지르코니아 소재를 외곽에 배치하여 크라운으로 이용하고, 크라운의 기능과 수명이 확보될 수 있도록 강도와 인성이 높은 반면 투광성이 없는 조성의 지르코니아 소재를 임플란트 픽스쳐와 결합되는 내부에 배치하여 어버트먼트로 이용할 수 있음을 알 수 있다.

임플란트용 이중 구조의 지르코니아 블록 성형

조성이 다른 이종 지르코니아 소재를 일체화시켜 이중 구조의 임플란트용 지르코니아 블록을 제조하기 위해서는 종래의 3Y-TZP와 같은 단일 조성의 지르코니아 블록과는 다른 성형 방법이 요구된다.

블록 내부에는 어버트먼트에 해당하는 불투광성 제1 지르코니아 고용체가 위치하고 외부에는 크라운에 해당하는 반투광성 제2 지르코니아 고용체가 배치되어 어버트먼트와 크라운이 일체화된 블록을 제작하기 위해 본 발명은 내부는 임플란트 지대주용 소재, 외부는 크라운용 소재로 2단계 성형을 진행한다. 예를 들어 크라운용 금형의 중심부에 어버트먼트용 분말 투입을 위한 별도의 실린더 또는 유사한 형태의 금형을 위치시켜서 먼저 어버트먼트용 분말을 장입하고 그 외부에 크라운용 분말을 투입시킨 후 내부 금형을 제거한 상태에서 압력을 가해 성형체를 얻을 수 있다. 도 9a 내지 9d는 예시적인 지르코니아 블록의 성형 공정 및 성형체를 보인 모식도이다.

도 9a에 도시한 바와 같이, 성형 베이스(10)의 상단 홈에 어버트먼트용 제1몰드(110)를 삽입하고, 제1몰드 외주와 이격되도록 성형 베이스에 크라운용 제2몰드(120)를 삽입한다. 제1몰드는 내부가 비어 있고 직경은 3 ~ 12mm의 원통형 재질로 형성한다. 제2몰드는 내부가 비어 있는 원통형 구조물로 형성할 수 있으며, 필요에 따라 내부를 사각 기둥 구조로 형성하는 것도 가능하다. 두 몰드가 성형 베이스에 결합된 상태에서 제1몰드 내부에 어버트먼트용 지르코니아 분말을 채우고, 제1몰드 외곽의 제2몰드 내부에 크라운용 지르코니아 분말을 채운다. 분말을 모두 채운 후 제1몰드를 제거한다. 가압 펀치(20)를 제2몰드 상부로부터 내부로 삽입하면서 성형 베이스와 제2몰드 내부에 채워진 어버트먼트용 분말 및 크라운 분말에 압력을 가한다.

가압 펀치를 제거하고 성형 베이스에서 제2몰드를 분리한 후 내부에는 어버트먼트(A)가 배치되고 그 외면에는 크라운(C)이 일체화되어 있는 이중 구조의 성형체를 완성한다(도 9b). 크라운용 제2몰드의 내부 구조에 따라 성형체의 외부 형태가 육면체가 되도록 형성할 수도 있다(도 9c 참조). 지르코니아 블록에서 어버트먼트는 크라운 내부에 위치하면서 블록 상단에서 하단까지 배치될 수 있다.

또한, 어버트먼트용 제1몰드의 형태를 변화시켜, 이중 구조의 지르코니아 블록의 어버트먼트 내부에 픽스쳐 고정용 볼트 삽입 홀(h)을 형성할 수도 있다. 성형의 편의성을 고려하여, 삽입 홀이 어버트먼트 내부에 어버트먼트 전체 높이의 약 80 ~ 90% 정도 높이로만 형성되도록 하고, 소결을 거친 지르코니아 블록을 어버트먼트 삽입 홀이 노출되는 지점(t)까지 가공을 통해 절단하는 것도 가능하다.

전술한 이중성형방법과는 달리, 어버트먼트가 삽입될 수 있는 내부 공간을 확보한 86.4 - 89.7 mol% ZrO₂, 5.5 - 7.4 mol% Y₂O₃, 4.8 - 6.2 mol% Nb₂O₅ (또는 Ta₂O₅)의 조성에 Fe₂O₃, Er₂O₃, Pr₆O₁₁, TiO₂, Co₂O₃ 중에서 선택되는 첨가물이 0.01 - 5.0 wt% 범위로 포함한 크라운 블록 및 크라운의 내부 공간에 삽입 가능한 형태로 89.8 - 91.0 mol% ZrO₂, 5.0 - 5.4 mol% Y₂O₃, 4.0 - 4.8 mol% Nb₂O₅ (또는 Ta₂O₅)의 조성에 0.1 - 30 vol%의 Al₂O₃ 을 추가로 포함하여 형성되는 불투광성 어버트먼트용 블록을 각각 성형하고, 개별적으로 소결 단계를 거친 후 치과용 시멘트로 두 블록을 결합하여 도 9b와 같은 하나의 일체화된 완소결 지르코니아 블록을 완성할 수도 있다. 개별 성형 및 소결 단계를 거쳐 제조된 지르코니아 블록은 추가 소결이 없이 1회 가공만으로 당일 임플란트 보철이 가능하다.

이중 소재 지르코니아 블록의 소결

이중 구조의 임플란트용 지르코니아 블록을 완성하기 위해서는 전술한 이중 성형 이외에 이종 소재에 대해 동일한 조건의 열처리로 소결을 완결하는 공정이 필요하다. 본 발명의 발명자는 치과용 지르코니아에 대한 연구를 통해 크라운용 소재의 강도, 투명도와 가공성을 고려하여 최적화된 소결온도 조건은 1450~1700℃ 이고, 어버트먼트용 지르코니아의 경우 1400-1450℃임을 확인한 바 있다.

크라운용 소재와 어버트먼트용 소재의 소결 온도가 상이하기 때문에 이중 구조의 완소결 지르코니아 블록을 제조하기 위해서는 어버트먼트용 소재의 소결온도를 크라운용 소재의 소결온도와 일치한 조건으로 복합 블록을 개발하는 것이 중요하다. 이종 소재의 열팽창계수 차이를 최소화할 수 있도록 조성을 조절하는 한편, 소결 분위기와 승온 속도 및 유지시간의 최적화도 요구된다.

본 발명에서는 성형된 이중 구조의 지르코니아 블록을 대기압 하에서 1400 - 1700℃ 범위의 온도로 1 - 5 시간 동안 소결한다(상압 소결). 크라운용 지르코니아(제2 지르코니아 고용체)의 조성과 어버트먼트용 지르코니아(제1 지르코니아 고용체)의 조성간 차이를 크지 않도록 함과 더불어, 어버트먼트에는 Al₂O₃ 를 어버트먼트의 지르코니아 조성에 대해 0.1 ~ 30 vol%의 범위로 첨가함으로써 투광도 조절(불투명)은 물론, 크라운용 지르코니아 조성과 어버트먼트용 지르코니아 조성 사이의 열팽창 계수 차이에 따른 소결 거동의 문제점을 해소할 수 있다. 도 10은 알루미나 함량에 따른 지르코니아의 입경 변화를 보인 것으로, 어버트먼트 분말 중 알루미나 함량의 조절을 통해 입경을 조절함으로 어버트먼트와 크라운 소재와의 열팽창차이를 제어할 수 있음을 확인할 수 있다.

크라운과 어버트먼트를 각각 성형한 후 크라운의 내부 공간에 어버트먼트를 결합하여 일체화된 지르코니아 블록을 제조하는 경우에도 성형된 크라운과 어버트먼트를 전술한 소결 조건 하에서 동시에 소결을 진행한 후 두 소결체를 결합하여 일체화된 지르코니아 블록을 완성할 수 있다. 또한, 개별적으로 성형된 크라운 블록과 어버트먼트 블록을 서로 다른 조건에서 각각 소결한 후, 치과용 시멘트로 두 블록을 결합하여 일체화시키는 것도 가능하다.

본 발명의 지르코니아 블록은 대기압 소결 후 냉각한 다음, 필요에 따라 물리적 특성의 향상을 위해 1400 - 1600℃ 온도에서 5000 - 30,000 psi의 압력하에 1 - 3시간 동안 추가 소결을 진행할 수도 있다(고온가압소결 :HIP).

HIP 처리가 어버트먼트용 복합체의 강도에 미치는 영향을 도 11에 나타내었다. HIP 이전 소결체의 2축강도는 751 MPa이었으나 1500^oC에서 HIP 처리를 함으로 824 MPa로 증가한 것을 알 수 있다. 이러한 강도 증가는 도 12a 및 12b의 SEM 사진으로부터 알 수 있는 바와 같이 상압 소결체의 HIP 처리로 기공감소가 일어난 것에 기인한다. 전자흡수계수의 차이에 의해 검은색으로 보이는 Al₂O₃의 입경 크기에는 영향이 없음을 확인할 수 있다.

이상에서 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 예시적으로 설명하였으나, 본 발명은 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명에서 제시한 기술적 사상, 구체적으로는 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있을 것이다.

10:성형 베이스 20:가압 펀치
110:제1몰드 120:제2몰드

Claims

내부에는 어버트먼트에 해당하는 불투광성 제1 지르코니아 고용체가 위치하고 외부에는 크라운에 해당하는 반투광성 제2 지르코니아 고용체가 배치되어 어버트먼트와 크라운이 일체화된 완소결 지르코니아 블록으로서,
상기 제1 지르코니아 고용체는 89.8 - 91.0 mol% ZrO₂, 5.0 - 5.4 mol% Y₂O₃, 4.0 - 4.8 mol% Nb₂O₅ 또는 Ta₂O₅ 조성으로 형성되고, 0.1 - 30 vol%의 Al₂O₃ 을 추가로 포함하며,
상기 제2 지르코니아 고용체는 86.4 - 89.7 mol% ZrO₂, 5.5 - 7.4 mol% Y₂O₃, 4.8 - 6.2 mol% Nb₂O₅ 또는 Ta₂O₅ 조성으로 형성되고, Fe₂O₃, Er₂O₃, Pr₆O₁₁, TiO₂, Co₂O₃ 중에서 선택되는 첨가물이 0.01 - 5.0 wt% 범위로 포함되는 것을 특징으로 하는
심미성 임플란트용 당일보철 완소결 지르코니아 블록.
제1항에 있어서,
상기 지르코니아 블록은 대기압 하에서 1400 - 1700℃ 범위의 온도로 1 - 5 시간 동안 소결하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 심미성 임플란트용 당일보철 완소결 지르코니아 블록.
제2항에 있어서,
상기 지르코니아 블록은 대기압 소결 후 냉각한 다음, 1400 - 1600℃ 온도에서 5000 - 30,000 psi의 압력하에 1 - 3시간 동안 추가 소결을 진행하여 얻어지는 것을 특징으로 하는 심미성 임플란트용 당일보철 완소결 지르코니아 블록.
제1항에 있어서,
상기 지르코니아 블록에서 어버트먼트는 크라운 내부에 위치하면서 블록 상단에서 하단까지 배치되고, 어버트먼트 내부에 픽스쳐 고정용 볼트 삽입 홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 심미성 임플란트용 당일보철 완소결 지르코니아 블록.
89.8 - 91.0 mol% ZrO₂, 5.0 - 5.4 mol% Y₂O₃, 4.0 - 4.8 mol% Nb₂O₅ 또는 Ta₂O₅및 조성의 제1 지르코니아 및 0.1 - 30 vol%의 Al₂O₃ 을 추가로 포함하여 형성되는 불투광성 어버트먼트 블록; 및
86.4 - 89.7 mol% ZrO₂, 5.5 - 7.4 mol% Y₂O₃, 4.8 - 6.2 mol% Nb₂O₅ 또는 Ta₂O₅ 조성의 제2 지르코니아 및 Fe₂O₃, Er₂O₃, Pr₆O₁₁, TiO₂, Co₂O₃ 중에서 선택되는 첨가물이 0.01 - 5.0 wt% 범위로 포함하여 형성되고, 내부에 삽입 공간이 마련되어 있는 반투광성 크라운 블록;으로 구성되며
상기 어버트먼트 블록과 크라운 블록을 각각 소결한 후, 크라운 블록의 내부 삽입 공간에 어버트먼트 블록을 결합하여 일체화시킨 것을 특징으로 하는
심미성 임플란트용 당일보철 완소결 지르코니아 블록.