졸−겔 법에 의한 실리카 코팅이 지르코니아−포세린 결합에 미치는 영향
Effect of Silica Coating by Sol−Gel Process on Zirconia-Porcelain Bonding
- 주제(키워드) 도움말 zirconia , porcelain , sol−gel , silica coating , bond strength , flexural strength
- 발행기관 국립강릉원주대학교 일반대학원
- 지도교수 도움말 홍민호
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 치의학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/kangnung/000000012335
- UCI I804:42001-000000012335
- 본문언어 한국어
초록/요약 도움말
Abstract Effect of Silica Coating by Sol−Gel Process on Zirconia−Porcelain Bonding Sim Jae Hoon Departmant of Biomaterials Graduate School GangneungWonju National University Summary Introduction: Zirconia, a chemically stable oxide-based ceramic, is now widely employed as a core material in all-ceramic restorations. With recent advancements in CAD/CAM technology, the clinical applications of zirconia have expanded significantly, leading to notable improvements in the overall success rates of restorations. However, due to its inherent opacity, zirconia presents limitations in achieving optimal esthetics, particularly when mimicking the natural translucency of teeth. To overcome this drawback, veneering porcelain over the zirconia core has become a common approach, allowing for improved esthetic outcomes in prosthetic applications. Nevertheless, the interface between zirconia and porcelain—materials with distinct physical and chemical properties—remains a point of concern. Frequent reports of delamination and fractures at this interface highlight potential compromises in clinical durability and long-term success. Therefore, the present study aims to systematically investigate the effect of silica coating via the sol–gel method on the interfacial bonding characteristics between zirconia and veneering porcelain. Materials and methods: Two types of zirconia blocks were utilized: IPS e.max ZirCAD LT and IPS e.max ZirCAD MT (Ivoclar Vivadent, Liechtenstein). Specimens were prepared through precision machining in accordance with the international standard ISO 9693:2019 — Dentistry: Compatibility testing for metal–ceramic and ceramic–ceramic systems. The specimens were categorized into five groups: untreated control, alumina sandblasted groups (50 µm SB and 110 µm SB), and sol–gel groups with varying concentrations (0.25 mol% SG and 0.5 mol% SG). The control group underwent only polishing, while the sandblasted groups were surface-treated using aluminum oxide particles. For the sol–gel groups, specimens were immersed in designated test solutions, followed by drying and sintering according to the manufacturer's protocol. After sintering, the specimens were polished, and porcelain was layered onto the zirconia surfaces using a custom mold and subsequently fired in accordance with the manufacturer’s instructions. Fractured specimens were analyzed using three-point flexural testing, scanning electron microscopy (SEM), backscattered electron detection (BSD), and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS). Surface wettability and hydrophilicity/hydrophobicity were evaluated using confocal laser scanning microscopy (CLSM) for surface roughness and contact angle measurements. The reliability of flexural strength was assessed through Weibull analysis. Statistical significance was evaluated at a confidence level of p < 0.05 using one-way ANOVA and Tukey’s post hoc test, conducted with IBM SPSS Statistics software. Results and discussion: Bond strength was assessed by measuring the stress at which porcelain delamination occurred from zirconia specimens across different treatment groups. In the LT group, both the L0.25SG and L0.5SG subgroups demonstrated significantly higher bond strength compared to the LCTRL and SB groups. While zirconia inherently lacks silica, the nano-sized silica protrusions introduced via the sol–gel technique penetrated the surface, thereby substantially enhancing chemical bonding with porcelain. In the SB group, increased surface roughness promoted mechanical interlocking, also contributing to improved bond strength. In contrast, within the MT group, the bond strength of the M0.25SG and M0.5SG subgroups was lower than that of the MCTRL and SB groups. This phenomenon is attributed to the denser crystalline structure of the high-yttria-content MT zirconia, which likely hindered the infiltration of silica particles compared to the LT zirconia. Notably, the M110SB group exhibited the highest bond strength within the MT group, presumably due to the formation of surface roughness across both the upper and middle layers of its multilayered structure, induced by alumina particle blasting, thus enhancing mechanical interlocking similarly to the LT group. The flexural strength of the LT group aligned closely with the manufacturer's specified value (1200 MPa), with the sol–gel-treated subgroups exhibiting the highest flexural strength. This suggests that the silica coating contributed positively to the structural stability of zirconia. Conversely, the MT group exhibited lower flexural strength than the manufacturer’s specification. This reduction may be associated with its multilayered configuration (enamel-like and dentin-like structures) and the differences in yttria content, which collectively result in lower intrinsic strength compared to LT zirconia. Fractographic analyses (SEM, EDS, BSD) of the fractured LT specimens revealed uniform infiltration of silica throughout the interface via the sol–gel process. This silica incorporation effectively increased the interfacial contact area, leading to the formation of a continuous and extensive chemical bonding layer in the SG-treated subgroups. CLSM analysis further confirmed a significant decrease in surface roughness parameters (Ra and Rz) following silica coating, creating a smoother surface ideal for porcelain bonding. Additionally, a marked reduction in contact angle indicated simultaneous improvements in surface energy and hydrophilicity. Mechanical testing revealed that the SG subgroups exhibited statistically significant enhancements in both bond strength and flexural strength compared to LCTRL and SB (p < 0.05). Weibull analysis supported these findings, indicating higher minimum strength and improved reliability, thereby validating the robustness of sol–gel-derived silica coatings. These results underscore the dual benefit of chemical and mechanical reinforcement provided by the sol–gel coating in LT zirconia. On the other hand, SEM, EDS, and BSD observations of the MT group specimens showed limited and non-uniform silica infiltration at the interface when sol–gel coatings were applied. This is likely due to the dense crystal matrix and multilayered nature of MT zirconia, which restrict effective silica diffusion. Consequently, only a partial chemical bonding layer was formed in the SG subgroups, and sufficient interfacial roughness for mechanical reinforcement was not achieved. CLSM results showed no consistent reduction in Ra and Rz values, and contact angles even increased, suggesting elevated surface resistance due to incomplete silica penetration. Mechanical testing also showed that the bond and flexural strengths of the SG-treated MT subgroups were lower than those of MCTRL and SB, with no statistically significant differences (p > 0.05). Additionally, Weibull analysis revealed a lower reliability index for the SG subgroups compared to other treatments, indicating that sol–gel coatings did not confer consistent benefits in MT zirconia. These findings highlight the critical role of microstructural characteristics in limiting the efficacy of chemical bonding via sol–gel silica coatings. In conclusion, sol–gel-derived silica coatings significantly enhanced both the bonding efficacy and structural integrity of LT zirconia, validating its suitability as a robust framework material for full-coverage porcelain restorations. In contrast, MT zirconia exhibited restricted silica infiltration due to its structural characteristics, resulting in limited improvement in both chemical and mechanical bonding. These outcomes suggest that the effectiveness of surface treatments is highly dependent on the microstructural properties of the zirconia type. Moreover, in both LT and MT groups, sandblasting effectively improved bond strength through the creation of mechanical surface irregularities. Collectively, these findings emphasize the necessity of adopting tailored surface treatment protocols based on the intrinsic properties of zirconia materials to optimize their clinical performance in dental applications.
more초록/요약 도움말
초 록 졸−겔 법에 의한 실리카 코팅이 지르코니아−포세린 결합에 미치는 영향 심 재 훈 국립강릉원주대학교 대학원 치의학과 치과생체재료학 서론 지르코니아는 화학적으로 매우 안정적인 산화물계 세라믹으로, 현재 올−세라믹 수복물의 코어 재료로 광범위하게 사용되고 있다. 최근 CAD/CAM 기술의 발전으로 임상 적용 범위가 점차 확대되고 있으며, 이에 따라 수복물의 전반적인 성공률 또한 현저히 향상되고 있는 추세이다. 그러나 고유의 불투명성으로 인해 심미적인 측면에서 한계를 가지며, 이로 인해 자연 치아와 유사한 외관을 재현하는데 어려움이 따른다. 이러한 단점을 보완하고자 지르코니아 코어 위에 포세린을 전장하는 방식이 도입되어, 심미성을 향상시킨 보철물의 적용이 증가하고 있다. 그러나 지르코니아와 포세린이라는 상이한 물성을 지닌 두 재료의 계면에서는 파절 및 박리 현상이 반복적으로 보고되고 있으며, 이는 임상적 안정성과 수명에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 이에 본 연구에서는 졸−겔 법을 이용한 실리카 코팅 처리가 지르코니아와 포세린 간의 계면 결합 특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석하고자 한다. 재료 및 방법 두 종류의 지르코니아 블록(IPS E−max ZirCAD LT, IPS E−max ZirCAD MT, Ivoclar Vivadent, Liechtenstein)을 사용하였으며, 국제표준(ISO 9693:2019 – Dentistry ― Compatibility testing for metal−ceramic and ceramic–ceramic systems)에 따라 정밀 기계 가공을 통해 시편을 제작하였다. 시편은 미처리 그룹(Control), 알루미나 샌드블라스트 그룹(50 µm SB, 110 µm SB), 그리고 농도에 따른 졸−겔 그룹(0.5 mol% SG, 0.25 mol% SG)으로 분류하였다. 미처리 그룹은 연마만을 수행하였으며, 샌드블라스트 그룹은 산화알루미늄을 이용하여 표면 처리를 실시하였다. 졸−겔 그룹은 전용 시험 수용액에 함침 및 건조 과정을 거친 후, 제조사의 지침에 따라 소결하였다. 소결된 시편은 연마 후 전용 몰드를 사용하여 지르코니아 시편 위에 포세린을 축성하고, 제조사의 지시에 따라 소성하였다. 파절된 시편은 3점 굽힘 시험 및 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM), 역 산란전자(Backscattered Electron Detector, BSD)분석, 에너지 분산형 분광분석기(Energy Dispersive X−ray Spectroscopy, EDS)를 이용하여 관찰하였으며, 표면 거칠기(Confocal Laser Scanning Microscope, CLSM) 측정 및 접촉각(Contact Angle) 실험을 통해 젖음성 및 친/소수성을 평가하였다. 굽힘 강도의 신뢰성은 Weibull 분석을 통해 평가하였으며, IBM SPSS Statistics를 사용하여 일원 배치 분산 분석(One−way ANOVA) 및 Tukey 사후 검정을 통해 유의수준 p<0.05에서 통계적 유의성을 검정하였다. 결과 및 고찰 그룹별로 지르코니아 시편에서 포세린이 분리되는 지점의 응력을 기준으로 결합 강도를 평가하였다. LT 그룹에서는 L0.25SG 및 L0.5SG 그룹이 LCTRL 및 SB 그룹에 비해 유의하게 높은 결합 강도를 나타냈다. 지르코니아는 본래 실리카를 포함하지 않으나, 졸−겔 법에 의해 형성된 나노 크기의 실리카 돌기가 표면에 침투하면서 포세린과의 화학적 결합이 현저히 향상된 것으로 나타났다. 또한, SB 그룹에서는 표면 거칠기에 기반한 기계적 상호작용이 강화되어 결합 강도가 증가하였다. 반면, MT 그룹에서는 M0.25SG 및 M0.5SG 그룹의 결합 강도가 MCTRL 및 SB 그룹보다 낮게 나타났다. 이는 이트리아 함량이 높은 MT 그룹의 지르코니아가 LT 그룹에 비해 결정 구조가 더 조밀하여, 실리카 입자의 침투가 제한된 데 기인한 것으로 해석된다. 특히 M110SB 그룹은 가장 높은 결합 강도를 보였는데, 이는 LT 그룹과 유사하게 산화알루미늄 입자의 분사로 인해 다층 구조를 가진 MT 지르코니아의 상층 및 중앙부에 표면 거칠기가 형성되어 기계적 결합이 향상된 결과로 판단된다. LT 그룹의 굽힘 강도는 제조사의 제시 값(1200 MPa)과 유사하였으며, 졸–겔 처리된 그룹이 가장 우수한 굽힘 강도를 보였다. 이는 실리카 코팅이 지르코니아의 구조적 안정성을 향상시켰음을 시사한다. 반면, MT 그룹의 굽힘 강도는 제조사 제시 값보다 낮게 나타났으며, 이는 LT 그룹과 비교할 때 상대적으로 낮은 강도를 갖는 MT 그룹 지르코니아의 층상 구조(법랑질 및 상아질 유사 구조) 및 이트리아 함량의 차이에 기인하는 것으로 보인다. 또한, LT 그룹의 파절 시편에 대한 SEM, EDS, BSD 관찰 결과, 졸–겔 법을 통해 실리카가 계면 내부까지 균일하게 침투함 되었음을 확인되었다. 이러한 실리카 함침은 포세린−지르코니아 계면의 유효 접촉 면적을 증가시켜 SG 그룹에서 연속적이고 광범위한 화학적 결합층을 형성하였다. CLSM 분석에서도 실리카 코팅 후 표면 거칠기(Ra, Rz)가 유의하게 감소하여 포세린 접합에 적합한 평탄한 표면이 조성되었으며, 접촉각 역시 가장 낮은 값을 나타내어 표면 에너지 및 친수성의 동시적 향상을 확인할 수 있었다. 기계적 특성 평가 결과, SG 그룹은 LCTRL 및 SB 그룹 대비 결합 강도와 굽힘 강도 모두에서 유의한 증가(p<0.05)를 보였으며, Weibull 분석에서도 높은 최소강도와 우수한 재현성이 확인되어 졸–겔 기반 실리카 코팅의 안정성을 입증하였다. LT 그룹에서 졸–겔 실리카 코팅이 화학적 결합과 기계적 결합을 동시에 강화하는 효과적인 표면처리 방법임을 보여준다. 반면, MT 그룹 파절 시편에 대한 SEM, EDS, BSD 관찰 결과, 졸–겔 코팅 적용 시 실리카가 계면에 부분적으로만 침투하는 경향을 보였으며, 이는 조밀한 결정구조와 다층적 특성으로 인해 균일한 함침이 제한된 결과로 해석된다. 이에 따라 SG 그룹에서는 제한된 화학 결합층만 형성되었고, 기계적 보강을 위한 충분한 계면 확장도 관찰되지 않았다. CLSM 분석 결과, SG 그룹의 Ra 및 Rz 값은 일관된 감소 경향을 보이지 않았으며, 접촉각은 오히려 증가하여 실리카 침투로 인한 표면 저항 증가가 나타났다. 기계적 실험 결과에서도 SG 그룹의 결합 강도와 굽힘 강도는 MCTRL 및 SB 그룹보다 낮았으며, 통계적으로도 유의한 차이는 없었다(p>0.05). 또한, Weibull 분석에서 SG 그룹은 다른 처리 군 대비 낮은 신뢰성 지수를 보여, MT 그룹은 실리카 코팅이 일관된 신뢰성 향상을 제공하지 못함을 확인하였다. 미세구조적 특성이 실리카의 균일한 침투 및 화학 결합 형성을 저해하는 주요 요인임을 시사한다. 종합적으로, 졸−겔 기반 실리카 코팅이 적용된 경우, LT 그룹의 지르코니아는 결합 강도의 증진과 굽힘 강도의 유지라는 두 가지 측면에서 유의미한 개선을 보였으며, 이러한 결과는 포세린 전장용 재료로서의 높은 겹합성을 입증하는 근거가 된다. 반면, MT 그룹의 지르코니아는 구조적 제약으로 인해 실리카의 효과적인 침투가 제한되었으며, 이에 따라 기계적 및 화학적 결합 특성의 개선 또한 미미하였다. 이러한 결과는 해당 그룹에 대한 표면처리 효과가 상대적으로 제한적이라는 점을 시사한다. 또한, 두 그룹 모두에서 샌드블라스터 표면 처리는 기계적 요철 형성으로 인해 결합 강도가 향상되었다는 것이다. 지르코니아 재료의 구조적 특성 및 미세조직의 차이가 표면처리 효과의 결정적 요인임을 시사하며, 지르코니아 기반 치과 재료의 임상적 응용에 있어 재료 특성에 따른 맞춤형 표면처리 전략의 필요성을 강조한다.
more목차 도움말
Ⅰ. 서론 1
1. 지르코니아 세라믹 1
2. 포세린 세라믹 4
3. 글라스 세라믹 5
4. 지르코니아−포세린 결합 7
4.1 연마 및 연삭 표면처리 7
4.2 샌드블라스터 표면처리 8
4.3 산 부식 표면처리 10
4.4 라이너 표면 처리 11
4.5 졸—겔 표면처리 13
Ⅱ. 재료 및 방법 18
1. 지르코니아 시편제작 18
2. 지르코니아 표면처리 19
3. 3점 굽힘시험 25
4. SEM/BSD/EDS 분석 27
5. CLSM 분석 28
6. 표면 접촉각 분석 29
7. 통계 30
Ⅲ. 결과 31
1. 3점 굽힘시험/통계/와이블 분석 31
2. SEM/BSD/EDS 분석 41
3. CLSM 분석 52
4. 표면 접촉각 분석 57
Ⅳ. 고찰 60
Ⅴ. 결론 82
참고문헌 85
Abstract 96
