표면 처리, 루팅 시멘트, 열순환이 PEEK–복합 결합 강도에 미치는 영향을 평가하는 표준화 프로토콜

요약

이 프로토콜은 표면 처리 프로토콜, 루팅 시멘트 선택, 열순환이 PEEK와 간접 복합 수지 간 전단 결합 강도에 미치는 영향을 평가하는 것을 목표로 합니다.

초록

폴리에테르케톤(PEEK)은 보철학에서 생체 소재로서 점점 더 주목받고 있습니다. 그러나 베니어링 복합재료의 화학적으로 불활성 구조 때문에 내구성 있는 접착력을 달성하는 것은 여전히 큰 도전 과제입니다. 본 연구는 다양한 표면 처리, 루팅 시멘트 및 열순환 조건 하에서 PEEK와 간접 복합 수지 간 전단 결합 강도(SBS)를 평가하기 위한 표준화되고 재현 가능한 프로토콜을 제시하고 검증합니다. 총 240개의 PEEK 디스크는 표면 처리, 모래블라스팅, 황산 부식, 레이저 조사 등 네 그룹으로 나뉘었습니다. 표면 형태는 원자력 현미경을 이용해 분석되었습니다. 각 그룹은 사용된 루팅 시멘트(산화아연 산화물, 비유제놀 시멘트 또는 자기 접착 수지 시멘트; n = 30)에 따라 세분화되었고, 열순환 그룹과 비열순환 그룹으로 다시 세분화되었습니다(n = 15). SBS는 범용 시험 기계를 사용해 측정되었고, 고장 상태는 입체현미경으로 분석되었습니다. 모든 실험군 중에서, 자기 접착성 수지 시멘트로 세척하고 열순환하지 않은 시료는 SBS 값이 가장 높았으며(25.134 ± 1.665 MPa), 아연산화물 비유제놀 시멘트로 주입하고 열순환을 한 시료는 가장 낮은 SBS 값(1.958 ± 0.345 MPa)을 보였습니다. 모든 표면 처리 프로토콜에서 자가 접착 수지 시멘트로 주입된 시료에서 SBS 값이 아연 산화물 비유제놀 시멘트보다 유의하게 높았다(p < 0.001). 열순환은 모든 그룹에서 SBS 값을 유의하게 감소시켰습니다(p < 0.001). 이 프로토콜은 표면 처리 선택과 시멘트 종류 등 접착 결과에 큰 영향을 미치는 중요한 절차적 단계를 강조합니다. 표준화된 워크플로우와 주요 단계의 시각적 시연은 PEEK–복합재 결합 평가를 재현 가능한 틀로 제공합니다.

서론

폴리에테르케톤(PEEK)은 우수한 기계적 특성, 화학적 안정성, 낮은 밀도, 그리고 치아 색상 ^1,2,3 덕분에 보철학에서 유망한 고성능 고분자로 부상했습니다. 티타늄과 같은 기존 소재와 비교할 때, PEEK은 의자 옆 개조의 용이성과 미적 타협 감소 등 장점을^{제공합니다.} 그러나 이러한 장점에도 불구하고, 임상 적용은 화학적으로 불활성 구조와 낮은 표면 에너지로 인해 수지 기반 재료에 대한 접착력이 떨어진다 ^5,6.

이전 연구들은 처리되지 않은 PEEK 표면이 복합 수지에 대한 접착이 부족함을 보여주며, 표면 변형이 임상적으로 허용되는 결합 강도를 달성하기 위한 중요한 단계임을 입증했습니다 ^6,7. 이 한계를 극복하기 위해 황산 식각 8,9,10,11,12,13,14, 알루미늄 산화 물 ^{6,8,9,10,11,12,13} 등 다양한 표면 처리 전략이 제안되었습니다 ^,14,15,16, 마찰화학 실리카 코팅 8,15,16,17,18,19, 플라즈마 처리 ^9,20,21,22, 레이저 방사선 ^{6,23,24,25,26, 27}. 그러나 이러한 접근법의 효과는 프로토콜 매개변수와 사용된 재료에 따라 크게 달라져 연구 간 결합 결과가 일관되지 않습니다¹⁷.

표면 처리 외에도, 루팅 시멘트의 종류는 결합 강도를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 임시 시멘트, 예를 들어 아연 산화물 비유제놀 제형은 임시 복원물에 흔히 사용되며, 자기 접착성 수지 시멘트는 미세기계적 및 잠재적 화학 상호작용을 통해 더 강한 접착력을 제공합니다²⁴. 더불어, 열순환은 구강 내 온도 변화를 시뮬레이션하고 결합된 계면의 내구성을 6^{, 17, 25}에 따라 평가하는 데 널리 사용됩니다. 이 변수들—표면 처리, 시멘트 종류, 열적 노화 등—은 개별적으로 조사되었으며; 그러나 이들의 결합된 효과는 종종 이질적인 방법론으로 평가됩니다.¹¹.

PEEK 본딩¹¹에 관한 문헌이 점점 늘어나고 있음에도 불구하고, 표면 처리, 시멘테이션, 열순환을 통합한 표준화되고 재현 가능한 실험 프로토콜은 현재 없습니다. 시료 준비, 표면 변형 매개변수, 시멘트 적용 절차, 노화 프로토콜의 차이는 결과의 비교 가능성을 제한하고 연구 간 재현성을 감소시킵니다. 더욱이, 중요한 절차적 절차의 시각적 시연 부족은 실험 결과의 변동성을 더욱 악화시킵니다. 따라서 본 연구의 목적은 통제된 표면 처리, 시멘테이션 및 열사이클링 조건에서 PEEK–복합재 결합을 평가하기 위한 표준화된 실험 프로토콜을 제시하고 검증하는 것입니다. 본 연구의 귀가설은 표면 처리 방법, 루팅 시멘트 종류, 열순환 절차가 PEEK와 간접 복합재료 간의 전단 결합 강도에 유의미한 영향을 미치지 않는다는 것입니다.

프로토콜

이 시험관 내 프로토콜은 실험실 기반 치과 연구를 위한 기관 지침을 따릅니다. 인간 참가자나 동물 조직이 포함되지 않았기 때문에 윤리적 승인은 필요하지 않았습니다. 이 연구에 사용된 모든 재료는 재료표에 설명되어 있습니다.

1. PEEK 표본 준비

1. 표준 실험실 조건 하에서 정밀 절단 장치를 사용해 직경 8mm, 두께 3mm의 240개의 원반형 폴리에테르케톤(PEEK) 시료를 제작합니다(그림 1A–C).
2. 각 표본의 한 면에 영구 마커를 사용해 결합하지 않는 면을 구분하세요. 이후 모든 절차의 접착 표면으로 표시되지 않은 표면을 지정하세요.
3. 각 시편의 접착면을 600방 실리콘 카바이드 연마지로 연마하여 연수식 하에 연마합니다.
4. 모든 표본을 증류수에 10분간 초음파로 세척하세요.
5. 표면 처리 전에 모든 표본을 완전히 자연 건조하세요.

2. PEEK의 표면 처리

주의: 적절한 개인 보호 장비를 착용한 채 화학 연기 후드에서 황산을 다룰 수 있습니다²⁸.

1. 표면 처리 프로토콜에 따라 시료를 무작위로 네 그룹으로 나눕히세요: 무처리 대조, 샌드블라스팅, 황산 식각, 레이저 조사(그림 2A–D).
2. 대조군은 탈이온수로 1분간 세척한 후 10초간 자연 건조합니다.
3. 샌드블라스팅 그룹의 경우, 110 μm 알루미늄 산화물 입자를 2바 압력에서 10초 동안 연마시키며, 10mm 거리와 45° 도포 각도를 유지합니다. 모든 표본에 대해 동일한 거리와 각도를 유지하여 일관된 적용을 보장하세요^15,16.
4. 산 식각군의 경우, 접합면에 98% 황산을 60초¹³분간 적용합니다.
5. 레이저 그룹의 경우, 2,940 nm, 펄스 에너지 150 mJ, 반복 속도 10 Hz, 평균 전력 1.5 W의 에르뮀 도핑 이트륨 알루미늄 가넷(Erbium 도핑 이트륨 알루미늄 가넷, Er:YAG) 레이저를 QSP 모드²³에서 조사합니다.
6. 0.9mm 크기의 비접촉식 손을 사용하고, 레이저 빔을 시료 표면에 수직으로 10mm 거리로 위치시킵니다. 표면을 가로질러 레이저를 스캔하는 동작으로 적용하고, 시료당 한 번씩 한 번 통과시켜 균일한 에너지 분포를 보장합니다.
7. 모든 표본을 탈이온수로 1분간 헹구어 표면 잔여물을 제거하세요.
8. 모든 표본을 10초 동안 자연 건조하세요.

3. 원자력현미경에 의한 표면 분석

1. 표면 분석을 위해 무작위로 60개의 PEEK 시본(표면 처리 그룹당 n = 15개)을 선정합니다.
2. 건조한 조건에서 탭핑 모드로 원자력 현미경(AFM)을 수행하여 표면 지형을 평가합니다(그림 3A–D).
3. 모든 측정에는 실리콘(Si) 프로브 팁을 사용하고, 제조사의 표준 교정 절차에 따라 장치를 작동하세요.
4. 각 시료를 캔틸레버 아래에 위치시키고 10 μm × 10 μm 스캔 영역에서 3차원 표면 이미지를 획득합니다.
5. 각 시료에 대해 서로 다른 위치에서 세 번의 측정을 수행하여 국소 표면 변동성을 최소화하고 평균 거칠기 값을 계산합니다.
6. 각 시료에 대해 평균 제곱근 거칠기(Sq)와 평균 거칠기(Sa) 값을 기록하세요.

4. 직접 복합 수지 디스크 준비

1. 직경 5mm, 두께 5mm의 원반형 복합 시편을 제작하기 위해 플렉시글라스 몰드를 제작합니다(그림 4A–B).
2. 간접 복합 수지 재료를 몰드 공동에 넣으면 직경 5mm, 두께 5mm의 원반형 시편을 얻습니다.
3. 제조사의 지침에 따라 실험실 광경화 장치를 사용해 복합 시료를 중합하여 모든 방향에서 균일한 빛 노출을 보장합니다.
4. 중합된 복합 디스크를 몰드에서 꺼내 탈이온수로 1분간 헹군습니다.
5. 표본을 10초 동안 자연 건조시켰습니다.
6. 각 복합 원반의 결합면을 110 μm 알루미늄 산화물 입자를 0.5 MPa 압력으로 15초간 마모시키며, 거리는 10 mm로 유지합니다.
7. 모든 표본에서 일정한 거리와 각도를 유지하여 적용 방식을 표준화하세요.
8. 모든 복합 디스크를 증류수에 초음파로 10분간 세척한 후 자연 건조시키세요.

5. 루팅 절차

1. 각 표면 처리 그룹을 사용한 루팅 시멘트에 따라 두 개의 하위 그룹(n = 30)으로 나누는데, 산화아연 산화물, 비유제놀 시멘트와 자가접착 수지 시멘트입니다.
2. 아연 산화물 비유제놀 시멘트의 경우, 같은 길이의 베이스와 촉매 페이스트를 믹싱 패드에 바르고 약 20초간 균질한 농도를 얻을 때까지 혼합합니다. 혼합된 시멘트를 처리된 PEEK 표면에 주걱으로 바르며, 공기 고입을 최소화하기 위해 부드러운 압력을 가하세요.
3. 자가 접착 수지 시멘트의 경우, 주사기에 자동 혼합 팁을 부착하고 적은 양을 먼저 투여하여 적절한 혼합을 보장합니다. 그 후 시멘트를 처리된 PEEK 표면에 직접 바르면서 팁을 접촉시켜 지속적인 흐름을 유지하고 공기 고집을 줄이고, 접착 부위 전체를 균일한 층으로 덮습니다.
4. 복합 디스크를 시멘트로 덮인 PEEK 표면 중앙에 시각적 정렬을 사용해 위치시키고, 표준화된 하중을 가하여 좌석과 시멘트 두께가 일정하도록 하여 좌석 중 측면 이동을 방지합니다.
5. 시멘트 두께를 표준화하고 균일한 적응을 보장하기 위해 500g의 일정한 수직 하중을 10초간 가하세요(그림 5).
6. 마이크로브러시로 여백의 과잉 시멘트를 제거하세요.
7. 산화아연 비유제놀 시멘트의 경우, 하중 하중 하중 하에서 6분의 설정 시간을 허용합니다.
8. 자가 접착 수지 시멘트의 경우, 광경화 장치를 사용해 광경화 장치를 사용해 총 80초 동안 5mm 거리에서 중합합니다.
9. 시술 내내 모든 표본의 위치와 정렬을 일정하게 유지하여 변동성을 최소화하세요.

6. 열순환

1. 각 시멘트 하위 그룹을 열순환 조건에 따라 두 개의 추가 하위 그룹(n = 15)으로 나누는데, 열순환이 있는 그룹과 그렇지 않은 그룹입니다.
2. 열순환 그룹의 피험자들은 열순환 장치 20,29,30(그림 6A–B)을 사용하여 5°C에서 555°C(±2 °C) 사이에서 5,500회 사이클을 측정했습니다(그림 6A–B).
3. 각 욕조에서의 체류 시간을 30초, 욕조 간 이동 시간을 2초로 설정하세요.
4. 시술 내내 모든 표본에 대해 일관된 사이클링 조건을 유지하세요.

7. 전단 결합 강도 시험

1. 각 시멘트 시료(PEEK–시멘트–복합 조립체)를 직경 15mm, 높이 15mm의 스테인리스 스틸 몰드를 사용해 자가 경화 아크릴 수지에 삽입합니다.
2. 각 시료를 맞춤형 지그를 사용해 범용 시험 기계에 장착하여 안정적인 위치 확보를 보장합니다.
3. 로딩 블레이드를 접착 인터페이스와 평행하게 정렬하고 가능한 한 인터페이스에 가깝게 배치하세요.
4. 파손이 발생할 때까지 분당 1 mm의 크로스헤드 속도로 전단력을 가합니다(그림 7).
5. 각 시범에 대해 최대 파손 하중(N)을 기록합니다.
6. 전단 결합 강도(SBS) 값을 메가파스칼(MPa) 단위로 계산하라: SBS (MPa) = 하중(N) / 접합면적(mm²)¹⁴.

8. 고장 모드 분석

1. 분리된 표본을 입체현미경으로 40배 확대로 검사합니다.
2. 문헌³¹에서 정의한 접착 실패, 혼합 실패, 응집성 실패로 분류하는 고장 모드를 분류합니다.
   1. PEEK와 루팅 시멘트 또는 시멘트와 간접 복합재 사이에서 접착 제거가 발생하며, 어느 기재에도 시멘트 잔여물이 관찰되지 않을 때 접착 파손을 식별합니다.
   2. PEEK 표면에 부분적인 시멘트 잔여물이 남아 있고 다른 기판 영역이 노출되어 있을 때 혼합 파손을 식별합니다.
   3. PEEK 기판 또는 간접 복합재 내에서 파손이 발생할 때 응집력 파손을 식별합니다.
3. 각 실험 그룹의 실패 모드 분포를 기록하세요.

9. 통계 분석

1. SPSS 소프트웨어를 사용하여 통계 분석을 수행합니다.
2. 표면 거칠기와 전단 결합 강도 데이터를 표준편차± 평균 값으로 표현하세요.
3. Shapiro–Wilk 검정을 사용하여 데이터 분포의 정규성을 평가합니다.
4. 레빈 검정을 사용하여 분산의 균질성을 평가합니다. 분산의 동질성 가정이 충족되었다(p > 0.05).
5. 데이터가 비정규분포일 때 표면 처리 프로토콜 간 차이를 비교하기 위해 Kruskal–Wallis 검정을 사용하여 표면 거칠기 데이터를 분석합니다.
6. 던의 사후 검정과 본페로니 조정을 사용하여 쌍별 비교를 수행한다.
7. 전단 결합 강도 데이터를 3자 ANOVA 분석을 통해 표면 처리 프로토콜, 루팅 시멘트 유형, 열순환의 주요 효과와 상호작용을 평가합니다.
8. 추정된 한계평균을 사용해 순차적 Bonferroni 조정을 사용하여 사후 쌍별 비교를 수행합니다.
9. 통계적 유의성 수준을 p < 0.05로 설정하세요.

결과

이 프로토콜은 표면 처리, 루팅 시멘트 종류, 열순환이 폴리에테르케톤(PEEK)과 간접 복합 수지 간 결합 성능에 미치는 영향을 재현 가능하게 평가할 수 있게 합니다. AFM은 적용된 표면 처리에 따라 뚜렷한 표면 지형을 드러냈습니다(표 1). 처리되지 않은 PEEK 표본은 비교적 매끄럽고 균질한 표면을 보이며 불규칙성이 거의 없었다. 샌드블라스트 시료는 불규칙한 봉우리와 골짜기로 인해 표면 거칠기가 증가한 반면, 황산 부식 시료는 균일하게 분포된 구덩이가 특징인 다공성 형태를 보였습니다. 레이저 방사선 시료는 얕고 규칙적인 표면 홈을 보여주었다. 정량적 거칠기 매개변수(Sa와 Sq)가 이러한 관찰을 확인했으며, 샌드블라스트된 시료에서 가장 높은 거칠기 값이 기록되었고, 처리되지 않은 대조군에서는 가장 낮은 값이 기록되었습니다. 이 결과는 표면 거칠기가 증가한다고 해서 모든 조건에서 결합 강도 증가가 반드시 증가하는 것은 아님을 시사합니다...

토론

본 연구는 표면 처리 프로토콜, 루팅 시멘트 선택, 열순환이 폴리에테르케톤(PEEK)과 간접 복합재 재료 간의 전단 결합 강도에 미치는 복합 효과를 평가하는 표준화된 시험관 프로토콜을 도입했습니다. 결과는 이러한 변수들이 결합 결과에 유의미하게 영향을 미쳐 귀가설을 기각함을 보여주었다. 표면 처리는 프로토콜의 핵심 구성 요소입니다. 이전 연구와 일치하게, 알루미늄 산화물 입자를 이용한 샌드블라스트는 가장 높은 표면 거칠기 값을 생성하여 PEEK 표면에서 미세기계적 유지 생성에 효과가^있음을 확인^{했습니다.} 특히 황산 식각을 포함한 화학적 표면 처리는 PEEK 표면 화학을 변화시키고 접

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
폴리에테르에테르케톤 (PEEK) 막대	미쓰비시 케미컬 그룹 (MCAM)	KETRON® CLASSIX LSG PEEK (흰색)	원형 시편 제조에 사용
정밀 절단 장치	Buehler	IsoMet 1000	PEEK 막대를 표준 원판으로 절단하는 데 사용
연마 장치	Buehler	Phoenix Beta	표준 표면 연마에 사용
실리콘 카바이드 연마지 (600그릿)	3M	01993 (Wetordry™ 샌드페이퍼 시트, 600그릿)	표면 연마를 위해 수냉 상태에서 사용
초음파 세정기	Tecno-Gaz	Astra S	시편 세정에 사용
알루미늄 산화물 입자 (110 µm)	—	—	공기 중 입자 연마에 사용
샌드블라스팅 장치	Danville Engineering	MicroEtcher ERC	표면 거칠기 처리에 사용
황산 (98%)	Sigma-Aldrich (Merck)	258105	주의: 부식성; 적절한 보호 장비로 취급
Er:YAG 레이저 시스템	Hoya ConBio	—	PEEK의 레이저 표면 처리에 사용
원자력 현미경	Quesant Instrument Corporation, USA	—	표면 지형 분석에 사용
간접 복합 레진	GC Corporation	Gradia Indirect	복합 원판 제조에 사용
아연 산화물 비유젠놀 시멘트	Kerr	TempBond NE	임시 시멘트
자체 접착 레진 시멘트	3M ESPE	RelyX U200 Automix	레진 시멘트
광경화 장치	Kerr	Optilux	레진 시멘트 중합에 사용
열 사이클러	Salubris Technica	Dentester	인공 노화에 사용
자체 경화 아크릴 레진	Bayer Dental Ltd.	Meliodent	시편 임베딩에 사용
범용 시험 기계	Instron	3345	전단 결합 강도 테스트에 사용
스테레오 현미경	Nikon	SMZ 800	파손 모드 분석에 사용