6장 세라믹과 생체재료
세라믹은 금속과 비금속 원소가 결합한 무기 재료다. 구조가 이미 산화된 상태라 더 녹슬지 않고 몸에도 순하지만, 힘을 받으면 늘어나지 못하고 그대로 부러진다. 이 장은 세라믹이 왜 약한지, 그 약점을 어떻게 보완하는지를 먼저 보고, 이어서 임플란트의 표면과 뼈 이식재를 다룬다.
시험이 되풀이해 묻는 것은 이렇다. 유리질이 많을 때와 다결정일 때 투명도, 장석계(feldspathic) 도재(porcelain)에서 유리 조절제(glass modifier)와 백류석(leucite)이 하는 일, 도재 열팽창계수(coefficient of thermal expansion)를 금속보다 약간 작게 하는 이유, 이온교환(ion exchange)에서 바뀌는 이온, 지르코니아의 상변태와 부피 팽창, 이트리아 함량과 투명도의 관계, 임플란트 표면처리 세 가지, 이식재별 골형성 기전이다.
세라믹의 굴곡강도(flexural strength)와 시멘트 선택은 치과보철학 2장에, 불산(hydrofluoric acid)·실란·MDP 처리는 치과보존학 3장에, 임플란트의 골유착은 치과보철학 5장에, 골이식의 원칙과 술식은 구강악안면외과학 7장에 있다. 젖음성(wettability)과 접촉각(contact angle)은 1장에서 이어진다.
6.1 세라믹의 구조와 물성
치과용 세라믹은 유리질과 결정이 섞인 구조다. 유리질이 많으면 빛이 잘 통하고, 결정만 있으면 빛이 흩어진다. 압축에는 강하나 인장에 약하고, 소성변형(plastic deformation) 없이 부서진다.
| 성질 | 내용 |
|---|---|
| 광투과율 | 유리질 구조가 풍부할수록 빛의 산란이 적어 반투명도(translucency)가 높다. 지르코니아 같은 다결정 세라믹은 결정립계에서 빛이 흩어져 낮다 |
| 응력stress | 압축응력에는 강하지만 인장응력(tensile stress)에 가장 취약하다. 소성변형 없이 급히 부서지는 취성파괴를 한다 |
| 파괴인성 | 균열 전파에 저항하는 능력. 금속보다 낮아 표면과 내부의 미세 결함에서 균열이 급히 자란다 |
| 화학적 안정성 | 완전한 산화물 구조라 침에 녹거나 부식되지 않는다. 주변 연조직 반응도 거의 없다 |
함정 세라믹이 가장 약한 응력은 압축이 아니라 인장이다. 그래서 세라믹 강화 방법은 대부분 표면에 압축응력을 만들거나 균열을 막는 것이다(도재의 강화기전).
6.2 장석계 도재의 조성 최고 빈출
장석계(feldspathic) 도재(porcelain)는 실리카의 그물망(유리)에 알칼리 산화물과 백류석(leucite) 결정을 섞은 것이다. 그물을 끊는 알칼리 산화물은 굽는 온도를 낮추고, 백류석은 열팽창계수(coefficient of thermal expansion)와 강도를 올린다.
구성
| 성분 | 역할 |
|---|---|
| 실리카(SiO₂) | 가장 많은 성분(약 60–65%). 규소를 산소 4개가 둘러싼 SiO₄ 4면체가 꼭짓점 산소를 공유해 3차원 망상구조의 뼈대가 된다 |
| 알루미나(Al₂O₃) | 실리카 다음으로 많다 |
| 알칼리·알칼리토금속 산화물(K₂O, Na₂O, CaO) | 유리 조절제(glass modifier). Si-O 망을 끊어 비가교 산소를 만든다 |
| 백류석leucite | 소성 때 장석이 녹아 생긴 비정질(amorphous) 유리상 속에 분포하는 결정상 |
유리 조절제와 백류석의 효과
| 성분 | 효과 |
|---|---|
| 유리 조절제glass modifier | 소성·연화온도와 점도를 낮춘다. 열팽창계수를 높이고 화학적 내구성을 떨어뜨린다. 금속-도재 수복물에서는 이 성질로 도재의 열팽창계수를 금속에 맞춘다 |
| 백류석leucite | 열팽창계수가 높은 결정상이라 도재의 열팽창계수를 금속 합금과 비슷하게 올려 냉각 때 파절을 막는다. 유리 기질 속에서 균열의 진행을 막는 분산강화(dispersion strengthening)로 강도도 올린다 |
장석계 도재는 소성 중 기공이 없어지면서 부피가 약 30–40%, 길이가 약 10–15% 줄어든다.
내면은 유리질이라 불산(hydrofluoric acid)으로 유리상을 녹여 요철을 만들고 실란을 발라 레진시멘트와 붙인다.
암기 유리 조절제는 소성온도를 내리고, 백류석은 열팽창과 강도를 올린다. 둘 다 열팽창계수를 올리는 쪽이다.
6.3 도재의 강화기전
세라믹은 인장에 약하므로 표면에 미리 압축응력을 넣어 두면 인장이 걸려도 이를 먼저 상쇄해야 한다. 균열이 자라는 길을 막는 것이 두 번째 방법이다.
| 기전 | 원리 | 비고 |
|---|---|---|
| 열팽창 정합 | 금속-도재(porcelain) 수복물에서 도재의 열팽창계수(coefficient of thermal expansion)가 금속 코핑보다 약간 작아야 한다(약 0.5–1.0 × 10⁻⁶/°C). 소성 뒤 식을 때 금속이 더 줄어들어 도재가 잔류 압축응력을 받는다 | 도재가 금속보다 크면 도재에 인장응력(tensile stress)이 생겨 파절한다 |
| 이온교환(화학 강화)ion exchange | 작은 Na⁺를 큰 K⁺로 바꿔 끼운다(채워 넣는 효과). 표층에 높은 압축응력이 생긴다 | 용융염에 담그며 온도는 유리전이온도(glass transition temperature) 이하여야 한다. 넘으면 점성 유동으로 응력(stress)이 풀린다 |
| 열 템퍼링 | 표면을 급랭해 표층에 압축응력을 만든다 | 미세 균열 전파를 막는다 |
| 분산강화dispersion strengthening | 유리 기질에 알루미나, 류사이트 같은 단단한 결정을 흩어 놓는다 | 균열이 결정에 막히거나 우회해 파절 저항이 커진다 |
| 글레이즈 | 표면의 미세 균열을 유리질 피막으로 메운다 | 표면 결함을 줄인다 |
| 상변태 강화transformation toughening | 지르코니아의 정방정(tetragonal)이 단사정(monoclinic)으로 바뀌며 부피가 늘어 균열 끝을 조인다 | 지르코니아 참고 |
함정 이온교환은 작은 이온을 큰 이온으로 바꾼다. 나트륨이 칼륨으로 바뀐다. 반대로 하면 압축응력이 생기지 않는다.
6.4 지르코니아와 글라스세라믹 최고 빈출
지르코니아는 유리가 없는 다결정 세라믹(polycrystalline ceramic)이다. 온도에 따라 결정형이 바뀌는데, 이트리아를 넣어 상온에서도 정방정(tetragonal)으로 남겨 두면 균열이 생길 때 단사정(monoclinic)으로 바뀌며 균열을 막는다.
지르코니아의 결정형과 변태강화
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 결정형 | 단사정(상온), 정방정(1170 °C 이상), 입방정(cubic)(2370 °C 이상) |
| 이트리아 | 순수 지르코니아는 식을 때 정방정이 단사정으로 바뀌며 균열이 생긴다. Y₂O₃ 3–5 mol%를 넣으면 상온에서 준안정 정방정 상태를 유지한다(Y-TZP, 부분안정화 지르코니아) |
| 변태강화transformation toughening | 균열 선단의 응력(stress)으로 정방정이 단사정으로 변태하며 부피가 약 3–5% 늘어 균열 둘레에 압축응력이 생기고 균열이 멈춘다 |
| 이트리아가 많아지면 | 입방정 비율이 늘고 입방정은 광학적 등방성이라 결정립계 산란이 적어 투명도가 오른다(4Y, 5Y). 변태강화 효과가 줄어 굴곡강도(flexural strength)와 파괴인성은 떨어진다 |
| 생체 반응성 | 생체불활성(bioinert) |
함정 투명도와 강도는 서로 반대로 간다. 이트리아가 많은 지르코니아는 더 투명하고 더 약하다.
접착과 다른 세라믹
| 세라믹 | 구조와 강화 | 내면 처리 |
|---|---|---|
| 지르코니아 | 다결정, 유리 기질 없음. 상변태 강화 | 알루미나 샌드블라스팅(약 50 µm)과 10-MDP 프라이머. 불산(hydrofluoric acid)은 듣지 않는다 |
| 리튬 디실리케이트 | 판상·침상 결정이 서로 얽혀 균열을 비껴가게(편향) 하고 갈라지게(분기) 한다 | 불산 + 실란 |
| 글라스침투 알루미나 | 다공성(porosity) 알루미나 골격에 용융한 란탄 글라스를 모세관 현상으로 스며들게 한다. 기공이 없어져 굴곡강도와 파괴인성이 크게 오른다 | 알루미나는 다결정이라 불산이 듣지 않아 샌드블라스팅으로 처리한다 |
| 알루미나-지르코니아 복합(ZTA, ATZ) | 알루미나의 높은 경도·탄성계수(elastic modulus)에 지르코니아의 상변태 강화를 더해 강도와 인성(toughness)이 단일 재료보다 좋다 | 치밀하게 소결한 것은 유리 기질이 없어 불산이 듣지 않는다 |
세라믹별 굴곡강도와 시멘트 선택은 치과보철학 2장에 있다.
6.5 임플란트 표면처리
티타늄은 공기나 물에 닿으면 곧 산화티타늄(TiO₂) 부동태 피막(passive film)을 만들어 부식과 금속 이온 용출을 막는다. 임플란트는 이 표면을 거칠게 하고 친수성(hydrophilic)으로 만들어 초기 골유착을 앞당긴다.
| 처리 | 방법 | 효과 |
|---|---|---|
| RBM | 표면에 생체흡수성 인산칼슘 입자를 분사해 거칠게 한다 | 남은 입자는 산으로 씻어 용해하므로 표면에 이물질이 없다 |
| SLA | 큰 알루미나(또는 산화티타늄) 입자로 샌드블라스팅 한 뒤 강산(HCl, H₂SO₄)으로 산부식(acid etching) | 샌드블라스팅이 거대 거칠기를, 산부식이 미세 거칠기를 만들어 두 크기가 겹친다 |
| 저온 플라즈마 | 표면에 플라즈마를 쪼인다 | 표면에너지(surface energy)가 올라 접촉각(contact angle)이 줄어 젖음성(wettability)이 크게 좋아진다. 보관 중 흡착된 탄화수소를 없애 생물학적 노화(biological aging)를 되돌린다. 친수성 수산기(-OH)가 생겨 혈액 젖음성과 단백질 흡착이 늘고 초기 골유착이 좋아진다 |
초기 골유착에 유리한 표면은 높은 친수성과 적절한 거칠기다. 거칠기는 조골세포(osteoblast)가 붙고 기계적으로 물리는 것을 돕고, 친수성은 혈액과 단백질이 달라붙게 한다.
함정 플라즈마 처리는 거칠기를 바꾸는 방법이 아니다. 표면에너지를 올려 접촉각을 줄이고 오염물을 벗겨 친수성을 회복시킨다.
6.6 골이식재 최고 빈출
이식재는 출처로 네 가지다. 자기 뼈(자가골), 같은 종의 다른 사람 뼈(동종골), 다른 종의 뼈(이종골), 사람이 만든 재료(합성골). 새 뼈가 생기는 길(골형성, 골유도, 골전도)은 자가골(autogenous bone)만 셋을 모두 가진다. 나머지는 주로 새 뼈가 자라는 틀 역할(골전도)을 한다.
이식재의 비교
| 이식재 | 출처 | 재생 능력 |
|---|---|---|
| 자가골autogenous bone | 환자 본인(하악지, 이부, 상악결절, 장골) | 골형성, 골유도(osteoinduction), 골전도(osteoconduction) 모두. 가장 이상적인 표준이다 |
| 동종골allograft | 같은 종의 다른 개체 | 비탈회 동결건조동종골(FDBA)은 탈회(demineralization)하지 않아 골유도능이 없고 골전도만 있다. 탈회동결건조동종골(demineralized freeze-dried bone allograft)(DFDBA)은 탈회 중 골기질의 BMP가 드러나 골유도와 골전도 |
| 이종골xenograft | 소나 돼지 | 골전도만. 가공 중 세포와 유기물이 제거되어 골형성·골유도는 없다 |
| 합성골alloplast | 인공 재료(수산화인회석, 삼인산칼슘) | 골전도만. 살아 있는 세포나 골유도 인자가 없다 |
자가골은 환자 본인의 조직이라 면역 거부와 감염 전파가 없다. 이종골은 다른 종의 단백질에 의한 면역 거부와 인수공통 감염병(소해면상뇌증)의 위험이 있다. 그래서 고온 열처리나 화학적 탈단백으로 유기물을 엄격하게 없앤다.
합성골의 성질
| 수산화인회석(HA)hydroxyapatite | 삼인산칼슘(TCP) | |
|---|---|---|
| 칼슘/인 몰비 | 1.67 | 약 1.50 |
| 흡수 | 난용성이라 매우 느리다. 오래 공간을 유지한다 | 용해도와 흡수율이 높아 빠르게 흡수되고 신생골로 대체된다 |
골 이식재의 입자가 작으면 비표면적(specific surface area)이 커져 분해 속도가 빨라지고, 입자가 크면 공간 유지력이 좋다.
함정 이종골과 합성골은 골전도만 있고, 골유도는 탈회한 동종골(DFDBA)과 자가골에만 있다. 골형성은 살아 있는 세포가 있는 자가골뿐이다.
골이식의 성공 조건, 공여부, 블록골과 입자형 이식은 구강악안면외과학 7장에 있다.
복습
헷갈리는 쌍
| 쌍 | 가르는 기준 |
|---|---|
| 유리질 세라믹 vs 다결정 세라믹polycrystalline ceramic | 광투과율이 높다 vs 결정립계에서 빛이 흩어져 낮다 |
| 인장응력 vs 압축응력tensile stress | 세라믹이 약한 쪽 vs 강한 쪽 |
| 유리 조절제 vs 백류석glass modifier · leucite | 소성온도를 내림 vs 열팽창계수(coefficient of thermal expansion)와 강도를 올림 |
| 도재 열팽창계수 < 금속 vs 도재 > 금속porcelain · coefficient of thermal expansion | 도재에 압축응력, 파절 저항 vs 도재에 인장응력, 파절 |
| 이온교환 vs 열 템퍼링ion exchange | Na⁺를 K⁺로 바꿔 끼움 vs 표면 급랭 |
| 분산강화 vs 상변태 강화dispersion strengthening · transformation toughening | 결정이 균열을 막음 vs 정방정(tetragonal)이 단사정(monoclinic)으로 바뀌며 부피가 늘어 균열을 조임 |
| 정방정 vs 단사정tetragonal · monoclinic | 이트리아로 유지한 준안정 상 vs 상온의 안정한 상, 부피가 큼 |
| 이트리아 많음 vs 적음 | 입방정(cubic)이 늘어 투명하고 약함 vs 정방정이 많아 불투명하고 강함 |
| 지르코니아 vs 리튬 디실리케이트 | 샌드블라스팅 + 10-MDP vs 불산(hydrofluoric acid) + 실란 |
| 리튬 디실리케이트 vs 글라스침투 알루미나 | 판상 결정이 얽혀 균열을 비낌 vs 알루미나 골격에 란탄 글라스를 침투 |
| RBM vs SLA | 인산칼슘 입자 분사, 산으로 용해 vs 알루미나 분사 후 강산 부식 |
| 플라즈마 처리 vs 산부식acid etching | 표면에너지(surface energy), 친수성(hydrophilic), 탄화수소 제거 vs 미세 거칠기 |
| DFDBA vs FDBA | 골유도(osteoinduction)와 골전도(osteoconduction) vs 골전도만 |
| 자가골 vs 이종골autogenous bone · xenograft | 골형성·골유도·골전도 vs 골전도만 |
| HA vs β-TCP | Ca/P 1.67, 매우 느린 흡수 vs Ca/P 1.50, 빠른 흡수 |
확인 문제
세라믹의 광투과율을 높이는 미세구조는?
풍부한 유리질
세라믹이 가장 약한 응력은?
인장응력
장석계 도재의 가장 많은 성분은?
실리카
도재의 유리 조절제가 낮추는 것은?
소성온도
장석계 도재의 백류석이 올리는 열팽창과 기계적 성질은?
열팽창계수, 강도
금속도재관의 도재가 금속보다 열팽창계수가 약간 작아야 하는 이유는?
냉각 때 도재에 잔류 압축응력
이온교환 강화에서 나트륨이 바뀌는 이온은?
칼륨
이온교환을 하는 온도 조건은?
유리전이온도 이하
분산강화 세라믹이 강해지는 원리는?
결정이 균열의 진행을 막음
지르코니아의 세 결정형은?
단사정, 정방정, 입방정
상온에서 정방정을 유지하게 하는 첨가물은?
이트리아(3–5 mol%)
지르코니아 변태강화 때 부피 변화는?
정방정이 단사정으로, 약 3–5% 팽창
이트리아가 늘어 투명도가 오르는 이유는?
입방정 비율 증가
지르코니아 내면 접착 처리는?
알루미나 샌드블라스팅과 10-MDP 프라이머
글라스침투 알루미나에 스며드는 유리는?
란탄 글라스
RBM 표면처리에 분사하는 입자는?
생체흡수성 인산칼슘
SLA의 두 단계는?
샌드블라스팅과 산부식
플라즈마 처리로 티타늄에서 제거되는 오염물은?
탄화수소(유기화합물)
세 가지 골 재생 기전을 모두 가진 이식재는?
자가골
Ca/P 몰비가 1.67인 합성골은?
수산화인회석
이 장은 치과의사 감수를 받는 중입니다. 틀린 곳이 보이면 아래 메일로 알려 주세요.