교정학 영역에서 탄성 체인은 치아의 움직임에 필요한 힘을 가하기 위해 다양한 형태로 사용되고 있다. 탄성 체인은 폴리우레탄으로 제작되며, 사용하기 쉽고 상대적으로 위생적이며 저렴하다는 등의 장점이 있다. 그러나 시간에 따른 힘 감소, 구강 내 용액 흡수, 변색 등의 단점이 있다[1-3]. 폴리우레탄과 같은 점탄성 재료는 하중 시에 비해 탈부하 시에 상대적으로 힘이 감소하게 되며, 이렇게 부하 시와 탈부하 시의 힘이 차이나는 현상을 이력 현상(hysteresis)이라고 한다[4,5]. 구강 내에 적용된 후 상대적으로 빠른 시간 내에 상당한 크기의 힘이 소실되는데, 이전 연구들[2-8]에 따르면 첫 24시간 내에 초기 힘의 50%–75%가 소실되며, 이후 4주까지는 10%–20%의 힘이 추가로 감소되어 초기 힘의 30%–40%만 남게 된다. 몇몇 연구들은 이러한 힘의 감쇠를 줄여 좀 더 일정한 힘을 가하기 위해 prestretching을 시행할 것을 추천하였다[2,8-11].

이전의 탄성 체인에 대한 연구는 일정 길이로 신장된 상태에서 시간에 따른 힘의 변화에 주목하였고, 반복적인 prestretching 시의 이력 현상의 변화 및 탈부하 과정의 힘 변화에 대한 연구는 부족했다. 본 연구의 목적은 반복적인 prestretching이 이력 현상과 탈부하 초기의 힘 감소에 미치는 효과를 조사하는 것이었다.

이 실험에는 Gereration II power chain (Ormco, Glendora, CA, USA), Memory chain (American Orthodontics, Sheboygan, MI, USA), Energy chain (RMO, Denver, CO, USA)의 세 가지 종류 투명 폐쇄형(closed type) 탄성 체인을 사용하였다. 세 가지 제품 모두 5칸(12.5 mm) 길이로 30개씩 표본을 준비하였다. 모든 제품의 시험은 생리식염수를 채운 수조 내에서 시행하였으며, 37°C±1°C의 온도로 유지되는 항온순환수조에서 중탕함으로써 온도를 유지하였다. 만능시험기(LF plus; Lloyd, Fareham, UK)를 사용하여 20 mm/min의 크로스헤드 속도로 원래 길이의 100%만큼 신장시킨 후 본래 길이로 돌아오는 사이클을 5회 반복하며 부하 시와 탈부하 시의 부하-변위 곡선을 측정하였다(Fig. 1). 1회 prestretching 한 탄성 체인을 임상에서 적용할 때의 효과는 두 번째 사이클에서 관찰할 수 있으며, 2회 prestreching 한 것의 효과는 세 번째 사이클에서, 3회 prestretching 한 것의 효과는 네 번째 사이클에서, 4회 prestretching 한 것의 효과는 마지막 사이클인 다섯 번째 사이클에서 관찰할 수 있다.

Fig. 1. Universal testing machine and 37°C circulating water bath setup.

임상에서 탄성 체인의 적용 후 치아 이동으로 탄성 체인의 신장 길이가 1 mm 감소된 후의 남은 힘과 이력 현상의 양을 측정하기 위해 11.5 mm 신장 시점의 부하, 탈부하 힘을 부하-변위 곡선으로부터 구하였다. 이력 현상의 크기는 이 부하, 탈부하 힘의 차이로 구하였다. 또한, 각 반복 사이클 시 최초의 사이클 대비 감소된 힘의 백분율과 12.5 mm 최대 신장 시점의 힘에 대한 11.5 mm 시점의 탈부하 시의 힘의 비(1-mm-unload/peak force ratio)를 계산하였다. 정규성 검정을 위해 Shapiro-Wilk test를 사용하였으며, 세 가지 제품 모두에서 모든 계측 항목에서 정규성 검정이 충족되었다. 각 제품 사이의 힘 차이와 반복적인 신장 과정에서의 힘 차이, 이력 현상 크기를 비교하기 위해 repeated measures analysis of variance를 사용하였으며, 사후 검정으로는 Tukey HSD test를 사용하였다. 유의 수준은 p=0.05로 설정하였다.

세 가지 제품 모두 비슷한 형태의 부하-변위 곡선을 보였으며 상당한 양의 이력 현상을 보였다(Fig. 2). 첫 번째 신장 시, 최대 신장 시(12.5 mm 신장)의 힘 수준은 Energy chain에서 398.8 gf로 가장 컸고, Generation II power chain에서 378.2 gf, Memory chain에서 366.1 gf 순이었다(Table 1–3). 반복 신장 시에도 첫 번째 반복 시와 동일하게 Energy chain, Generation II power chain, Memory chain 순으로 힘이 컸으며, 이 차이는 모든 사이클에서 통계적으로 유의하였다(Table 4) (p<0.001).

Fig. 2. Load-deflection curves of orthodontic elastomeric chains. (A) Gereration II power chain (Ormco, Glendora, CA, USA), (B) Memory chain (American Orthodontics, Sheboygan, MI, USA), (C) Energy chain (RMO, Denver, CO, USA).

다섯 번의 사이클에서 얻어진 부하-변위 곡선 상에서 11.5 mm 신장했을 때의 힘 변화를 관찰하였을 때, 사이클이 반복될수록 부하 시의 힘은 감소하였는데, 특히 두 번째 사이클의 신장 시 큰 폭으로 감소하였고, 그 이후 반복 신장 시에는 상대적으로 적은 양의 힘이 감소하였다(Table 1–3). 반면, 탈부하 시의 힘은 첫 번째 이후의 사이클들에서 큰 양의 감소는 보이지 않았으며, 신장이 반복될수록 소폭의 감소만을 보였다. 두 번째 사이클에서 부하 시의 힘 변화를 관찰하면, Generation II power chain은 첫번째 사이클에 비해 32.6 gf이 감소하여 91.1%의 힘이 잔존하였으며, Memory chain은 34.6 gf 감소하여 90.2%, Energy chain은 36.6 gf 감소하여 90.5%의 힘이 잔존하였다. 두 번째 사이클에서 탈부하 시의 힘 변화를 관찰하면, 첫번째 사이클에 비해 Generation II power chain은 6.4 gf 감소하여 97.9%의 힘이 잔존하였으며, Memory chain는 7.3 gf 감소하여 97.6%, Energy chain는 5.9 gf 감소하여 98.2%의 힘이 잔존하였다. 다섯 번째 사이클에서는 Generation II power chain은 탈부하 시에는 95.3%의 힘이 잔존하였으며, Memory chain은 94.5%의 힘이 잔존하였고, Energy chain은 95.6%의 힘이 잔존하였다.

11.5 mm 신장 시의 이력 현상을 측정하였을 때 세 가지 제품 모두 첫 번째 사이클에서 가장 큰 이력 현상을 보였으며, 이후 두 번째 사이클에서 이력 현상이 크게 감소하였으며, 다섯 번째 사이클로 갈수록 이력 현상이 조금씩 감소하였다(Table 1–3). 다섯 번째 사이클에서는 Generation II power chain 19.5 gf, Memory chain 18.2 gf, Energy chain 18.8 gf의 이력 현상을 보였다. 반복 신장에 따른 이력 현상의 감소량은 세 가지 제품 모두에서 통계적으로 유의한 차이가 있었다. 첫 번째 cycle에서 Memory chain의 이력 현상은 Energy chain에 비해 유의하게 낮았으나(p<0.001), Generation II power chain과는 유의한 차이가 없었으며(p=0.721), Energy chain은 Generation II power chain에 비해 이력 현상이 높았다(p<0.001) (Table 5). 두 번째와 세 번째 사이클에서는 Memory chain의 이력 현상이 다른 두 제품에 비해 유의하게 낮게 나타났으며(p<0.001), Generation II power chain과 Energy chain은 유의한 차이를 보이지 않았다(Table 5). 네 번째와 다섯 번째 사이클에서는 Memory chain의 이력 현상이 Generation II power chain에 비해 유의하게 낮았으나 Energy chain과는 유의한 차이가 없었으며, Generation II power chain과 Energy chain은 유의한 차이가 없었다.

12.5 mm 최대 신장 시점의 힘에 대한 11.5 mm 시점의 탈부하 시의 힘의 비(peak/unload ratio)는 실제 교정 치료 시 교정력에 의해 치아가 1 mm 움직였을 때의 힘의 감소를 나타내는 지표인데, 사이클이 반복될수록 이 비율이 증가하여 탈부하 과정에서의 힘의 감소가 적어지는 것으로 나타났다. 세 가지 제품 모두에서 네 번째 사이클까지는 통계적으로 유의하게 peak/unload ratio가 증가하였으나, 네 번째와 다섯 번째 사이클 사이에는 유의한 차이가 없었다(Table 1–3). 이러한 결과는 prestreching을 한 번 하는 것보다는 두 번 하는 것이, 두 번 하는 것보다는 세 번 하는 것이 치아 이동 과정에서의 힘 감소를 줄일 수 있으며, 세 번 하는 것과 네 번 하는 것 사이에는 유의한 차이가 없다는 것을 나타낸다.

탄성 체인의 물리적 특성에 관한 연구는 많이 있지만[2-5], 탄성 체인을 특정 길이로 신장시켰을 때의 부하 시의 힘과 일정 길이로 신장된 상태에서의 힘 감쇠에 주목하였다. 몇몇 연구[5,6,12]는 실제 임상에서의 상황과 유사하게 공간 폐쇄가 진행되는 조건에서 잔존 힘을 측정하였다. Hershey와 Reynolds [6]에 의하면 공간 폐쇄를 가정하지 않을 경우 4주 후 초기 힘의 40%가 잔존하였으나 0.24 mm/week의 속도로 공간 폐쇄 시 32%, 0.5 mm/week의 속도로 공간 폐쇄 시 25%의 힘만 잔존한다고 보고하였다. Motta 등[12]도 0.5 mm/week의 속도로 공간 폐쇄를 가정하였을 경우, 4주 후 초기 힘의 45%만 잔존한다고 보고하였다.

몇몇 연구는 탄성 체인의 힘 감쇠를 줄이고 좀 더 일정한 힘을 치아에 적용하기 위해 prestretching을 하여 적용할 것을 제안하였다[2,8-11]. Wong [2]은 탄성 체인 본래 길이의 1/3배만큼 prestretching 하는 것을 주장하였으며, Brooks와 Hershey [11]는 pestretching이 탄성 체인의 열에 의한 힘 감쇠를 감소시킨다고 보고하였다. Brantley 등[8]은 증류수에서 prestretching 후 즉각적으로 사용 시 거의 일정한 힘을 보여준다고 보고하였다. Young과 Sandrik [10]은 장시간 prestretching 한 상태로 두지 않고 빠르게 prestretching 후 회복시켰을 시 24시간 후 대조군에 비해 Alastic CK chain (3M Unitek, Monrovia, CA, USA)은 17%–25%까지 잔존 힘이 증가한다고 보고하였다. Chang 등[9]은 제품에 따라 150%–200% 신장을 빠른 속도로 3회 시행할 경우 영구 변형의 증가 없이 잔존 응력이 증가한다고 보고하였다.

다양한 prestretching 방법이 실험되어 왔지만, 장시간 공기 또는 식염수 내에서 신장 상태로 두는 방법은 임상 환경에서 사용하기 어려우므로, 이번 실험에서는 Young과 Sandrik [10], Chang 등[9]의 연구와 같이 일정 길이로 즉각적으로 늘렸다가 줄이는 방식의 prestretching을 가정하였다. Chang [13]의 실험에서 본래 길이의 100%만큼 prestretching 할 경우에 초기 힘과 3주 경과 후의 힘 감쇠가 모두 감소한다는 점에 근거하여, 이번 실험에서는 100% prestretching을 계획하였다. 실제 임상적 상황에서 제1소구치 발치 후 공간 폐쇄 시 사용되는 길이와 같이 5-unit의 탄성 체인(12.5 mm)을 100% 신장 후 본래 길이로 회복하는 것을 5회 반복하며 부하 시와 탈부하 시의 힘을 측정하였다. Prestretching을 시행했을 때 이력 현상 및 1-mm-unload/peak ratio가 감소되어, 보다 지속적인 교정력을 발휘하는 데 도움이 되는 것으로 나타났다. 이는 Baty 등[3], Kim 등[7]의 연구에서 prestretching이 임상적으로 큰 이득이 없다고 한 것과는 상반되는 결과이다. 이력 현상의 크기는 반복 신장에 따라 유의하게 감소하였으므로 prestretching을 반복 시행할수록 탈부하 시의 힘이 더 완만하게 감소하는 효과가 있었으며, 특히 1-mm-unload/peak ratio에 있어서는 세 번의 prestretching까지는 효과가 증가하였으나, 이후의 prestretching에서는 유의한 차이가 나타내지 않았다. 따라서 임상적으로 prestretching을 적용 시 3회까지 적용하는 것은 치아 이동에 따른 교정력의 급격한 감소를 약간 줄이는 데 도움이 될 것이다.

공간 폐쇄가 진행되며 발생하는 이력 현상에 의한 탈부하 과정의 급격한 힘 감소를 고려한다면 탄성 체인을 적용하면서 느낄 수 있는 교정력보다 훨씬 더 약한 힘이 실제 치아 이동에 적용된다. Hershey와 Reynolds [6]의 연구에서 고정된 신장 길이에서 측정하는 것보다 1 mm의 공간 폐쇄를 가정하였을 때 4주 후 8%의 힘이 추가로 감소하였다. 이는 이번 연구에서 1 mm 폐쇄 가정(11.5 mm 신장) 시 15.2% (Generation II power chain), 16.5% (Energy chain), 15.4% (Memory chain)의 이력 현상에 의한 힘 감소 양에 비하면 상대적으로 적은 수치이다. 첫 번째 사이클에서 큰 이력 현상이 나타난 후 상대적으로 적은 양의 이력 현상으로 안정화되는 현상은 Mullins effect로 잘 알려진 고무 유사 재료의 특징적인 응력 연화 현상이다. 임상적으로 정확한 크기의 힘을 적용하기 위해서는 이력 현상의 양을 예측하는 것이 중요하나 Mullins effect를 완벽히 설명하는 구조 모델은 확립되지 않았다. 교정용 탄성 체인은 Maxwell-Weichert model에 가까운 점탄성을 보인다고 보고되었다[14].

이력 현상을 줄이기 위해서는 본 연구에서처럼 원래 길이의 100% 길이만큼 신장시킴으로써 prestretching을 시행하는 방법도 도움이 되지만, 탄성 체인을 적용하면서 필요한 길이에서 단지 2 mm 정도만 더 신장시킨 후 적용하여도 탈부하 초기의 급격한 힘 감소를 피할 수는 있다. 이는 부하-변위 곡선상에서 탈부하 과정 초기의 약 2 mm에서 급격한 힘의 감소가 발생한 후 이후 완만하게 힘의 감소가 일어나기 대문이다. 향후 이와 같이 적은 양의 prestretching을 시행한 경우와 본 연구에서처럼 prestreching 양을 100%로 한 것의 차이에 대한 조사가 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 이번 연구에서는 시간에 경과에 따른 변화를 계측하지 않았는데, 탄성 체인의 탈부하 시의 힘과 이력 현상에 대해 좀 더 이해하기 위해서는, 구강 환경에 노출된 시간 경과에 따른 탄성 체인의 탈부하 곡선의 변화에 관한 연구가 필요하다.

결론적으로 100% prestretching을 시행하는 것은 탄성 체인의 이력 현상과 탈부하 초기의 급격한 힘 감소를 줄이는 데 도움이 되며, 3회까지 prestretching을 반복할수록, 이러한 이점을 증가시킬 수 있다.

This study was supported by the research fund from Chosun University, 2019.

The authors declare that they have no competing interests.