치과의료기술의 급속한 발달로 치과치료용 새로운 소재들도 속속들이 개발되고 있다. 특히, 보철기공물의 소재도 기존 금속에서 일반세라믹으로, 일반세라믹에서 생체용 지르코니아로 변화되고 있다.
본 보에서는 미래형 치과생체용 신소재 '지르코니아'란 무엇이며, 지르코니아를 이용한 보철물 제작 및 임상 적용시 나서는 과제들을 2회에 걸쳐 짚어본다.
편집자

목차
1. 미래형 치과신소재 지르코니아란?
2. 지르코니아의 임상적 적용시 과제

 

김현이(서울대 재료공학부 교수, (주)아덴스 고문)

 

생체용 세라믹스 ‘생체재료’란?

생체용 세라믹스 ‘생체재료’란 좁게는 의약품을 제외한 인공 또는 천연 재료로서, 생체의 기능을 치료하거나 보완 또는 대체하기 위해 생체 내에 이식될 수 있는 재료를 의미한다.
보다 넓은 의미로는 생체 안팎에서 혈액, 체액 또는 생체조직과 접촉시 의도된 기능을 수행할 수 있는 의료용구에 사용되는 모든 재료를 의미하나, 생체재료라 하면 일반적으로 전자를 의미하는 경우가 대부분이다.

18세기 후반부터 골절된 뼈를 연결, 고정시키기 위한 수단으로 금속재료가 사용됐으며, 1940년대 초 합성고분자인 PMMA(polymethyl-methacrylate)가 인체 내에서 심한 부작용 없이 오랜 기간 사용될 수 있음이 발견됨으로써 인공생체 재료개발의 주요한 전기가 마련됐다.

금속과 고분자 재료는 각각 경조직과 연조직용 생체재료로써의 적합한 특성을 가지고 있어 현재도 널리 응용되고 있으나 아직 해결해야 하는 많은 문제점을 안고 있다.

근본적인 이유는 지구상에는 극히 일부를 제외하고 대부분의 물질이 산소와 반응을 함으로써 안정해지기 때문이다. 철과 같은 금속이 녹이 스는 것은 산소와 서서히 반응을 하는 것이고, 나무나 석유와 같은 유기재료들이 연소되는 것은 산소와 빠른 속도로 결합을 하기 때문이다.

즉, 반응 속도만 차이가 날 뿐 결국은 동일한 산화반응인 것이다. 따라서 이러한 재료가 인체 내에 사용되면 몸 속의 산소나 수분과 반응을 하게 마련이다. 이 반응 속도는 매우 느릴지 모르지만, 생체재료는 그 특성상 몇 달이나 몇 년을 사용하고 마는 것이 아니라, 어떤 경우에는 수 십 년을 사용해야 하므로 문제가 될 수 있다.

반면 세라믹은 이미 산화되어 안정화 돼있는 물질이므로 공기 중에서나 인체 내에서 더 이상 반응이 일어나지 않는다는 장점이 있다. 이러한 생체불활성(Bio-inertness)을 이용하는 세라믹 재료로는 Al2O3나 ZrO2 등이 대표적인데, 이들은 생체에 대해서 매우 안정할 뿐만 아니라 강도 및 경도가 높아 내마모용 인공관절 등에 주로 이용되고 있다.

 

치과용 세라믹스

치과용 세라믹스의 대표적인 용도는 인공치근과 인공치관을 들 수 있다. 잘 알려진 바와 같이 인공치근 재질로는 기계적 강도와 생체 특성이 비교적 우수한 티타늄이 주로 사용되고 있으나, 최근 세라믹의 강도가 괄목할 만하게 증가됨에 따라 생체 특성이 우수한 세라믹스를 사용하려는 시도가 국내외에서 활발하게 진행되고 있다.

인공치관은 전통적으로 금, 은, 백금을 포함하는 합금 위에 세라믹 도재를 용융시킨 금속 도재관(Porcelain Fused to Metal: PFM)이 주류를 이루고 있었으나, 90년대에 들어 심미성에 대한 강한 욕구와 금속에 의한 체내 부작용 및 과민반응을 줄이고자 금속을 제외시킨 전도재 치관(All Ceramic Jacket Crown)의 수요가 크게 증가하고 있다.

이러한 치관을 제조하려면 두 가지 문제를 해결해야만 한다.

첫 번째는 세라믹의 강도가 파절이 일어나지 않을 정도로 충분히 높아야 한다는 것이고, 두 번째는 정확한 모양으로 제조해야 한다는 점이다.

이 요건들을 만족시키기 위하여 유리를 부숴서 분말로 만든 후 이를 주조하거나 성형하는 방식(In-Ceram, Empress)이나 일차 소결된 다공성 세라믹에 용융 유리를 침투시키는 방식(Vita-Cera)이 현재 사용되고 있다.

하지만 이러한 방식은 근본적으로 유리의 결합력에 의해 강도가 결정되므로 강도가 금속에 비하여 현저히 낮을 수밖에 없다. 이러한 강도 문제를 완벽하게 해결할 수 있는 세라믹 재료가 바로 지르코니아(ZrO2) 이다.

순수한 지르코니아는 용융점으로부터 온도가 감소함에 따라 상이 육방정(Cubic)에서 정방정(Tetragonal), 그리고 단사정 (Monoclonic)으로 변하고 그에 따라 부피가 줄었다가 다시 증가한다.

따라서 소결 후 냉각과정에서 많은 균열이 발생하고 그에 따른 강도 저하로 그 자체로는 사용이 거의 불가능하다. 하지만 여기에 CaO나 Y2O3와 같은 안정화제를 다량 첨가하면 이러한 상변태가 억제되어 고온 상인 큐빅 상태가 유지된다.

이와 같이 안정화제를 다량 첨가해 녹인 후 이를 천천히 냉각시키면 단결정의 큐빅 지르코니아가 생성된다. 이것이 일반적으로 그냥 큐빅이라고 불리는 소위 가짜 다이아몬드로써 색과 모양은 다이아몬드와 비슷하지만 가격은 수천 분의 일에 불과한 것으로 대부분의 사람들이 쇼핑센터에서 본적이 있으리라 생각된다.

이렇게 안정화제를 다량 첨가한 것을 안정화-지르코니아 (Fully Stabilized ZrO2)라고 부르는데 반하여, 안정화제를 ‘조금만’ 첨가하여 부분적으로만 안정화시킨 것을 부분안정화-지르코니아(Partially Stabilized ZrO2; PSZ)라고 부르는데, 이것이 우리가 일반적으로 일컫는 강도가 높은 지르코니아다.

부분안정화 지르코니아는 준 안정상인 정방정상이 상온에서도 유지되어 균열이 없을뿐더러, 외부에서 하중이 가해질 때 정방정에서 단사정으로 상전이를 하여 부피를 팽창시킴으로써 외부의 충격을 효과적으로 흡수한다. 따라서 이 부분안정화 지르코니아의 강도는 철강에 버금 갈 정도로 매우 높을 뿐만 아니라, 경도가 높고 고온에도 견딜 수 있어 현재 산업계에서 널리 응용되고 있다. 한동안 국내외에서 개발하려고 노력하던 세라믹 엔진의 주요재료 중의 하나가 바로 이 부분안정화 지르코니아이다.

이를 다결정으로 만들 경우 단결정과 같은 투명성(Transparency)은 없지만, 산란광을 통과시키는 투광성(Transluscency)은 있으므로 치아와 유사한 색을 내는데 매우 유리하다. 더구나, 극미량(0.1% 이내)의 Fe, Bi, Ce 등을 첨가해 색깔을 다양하게 바꿀 수 있으므로 자연치아와 거의 같은 색깔의 인공치아를 용이하게 만들 수 있다.

따라서 지르코니아의 강도와 심미성을 이용해 치아의 심미 수복을 하고자 하는 연구가 유럽과 미국에서도 활발하게 이뤄지고 있어 이의 폭넓은 치과응용은 시간문제라 판단된다.