우식(tooth decay, 충치)은 심각한 건강 상의 문제를 야기하며 종종 치료를 필요로 한다. 오늘날 종종 아크릴 화합물로 만들어진 복합재료 충전물질을 사용하며, 이 물질은 치아와 색상이 유사하고 임상적으로 활용할 수 있을 정도의 강도를 가지고 있어서 구강 내에서의 강력한 저작 환경에서 사용할 수 있다. 그러나 복합재료 충전 물질은 몇 가지 단점이 있으며, 이에 물리학자와 치과의사들은 함께 글래스 아이오노머 시멘트(glass ionomer cement)로 구성된 재료를 개발하고 있다. 본 연구결과는 Scientific Reports지에 게재되었다.
아말감(amalgam 혹은 silver amalgam filling)은 상당히 강한 재료이지만, 아말감의 단점은 수은을 함유하고 있어서 환경에 해로울 수 있다는 점이다. 따라서 점차 사용이 감소하고 있는 추세이다. 오늘날 복합재료가 항상 사용되고 있지만, 많은 복합재료가 갖는 단점 중 하나는 우식 발생이 많은 환자의 경우 충전재료의 교체빈도가 높아진다는 점이다. 또 다른 단점으로는 복합재료를 치아에 부착시키기 위한 접착제가 필요하다는 것으로 충전과정이 더 취약하게 된다. 따라서 연구팀은 수은이 없는 대체재료를 개발하고자 결정하였다. 이에 글래스 아이오노머 시멘트가 그 대안으로 선정되었다.
글래스 아이오노머 시멘트는 치아와의 접착을 위한 중간층을 필요로 하지 않으며, 우식을 방지하는 불소를 방출하는 흥미로운 특성도 가지고 있다. 또한 이 물질은 좋은 생물학적 성질도 있으면서도 충분히 강한 내구성을 가진다. 따라서 연구팀은 이 물질의 미세구조 및 강도와의 관계를 조사하여 그 성질을 개선하고자 하였다고 코펜하겐대학(University of Copenhagen) 치과연구소(Odontological Institute)의 치과의사이자 연구원인 Ana Benetti는 연구배경을 설명해 주었다.
또한 글래스 아이오노머 시멘트는 분쇄되었을 때 특수한 장비 없이도 수작업으로 액체와 혼합할 수 있으며, 경화를 위한 중합도구를 필요로 하지 않는다는 특징도 있다(복합재료의 경우 광중합기를 사용한다). 이런 특성은 아프리카, 중국 혹은 남미 지역의 전기가 없는 외딴 지역에서 큰 장점으로 작용한다.
[혼합 방식의 변경]
연구팀은 2가지 종류의 글래스 아이오노머 시멘트를 대상으로 연구를 수행하였다. 시멘트 자체는 동일하지만 산 혼합물을 한 가지에만 첨가하였다. 연구팀은 시멘트 파우더와 두 가지 다른 종류의 액체를 사용하여 혼합하였으며, 액체로 일반적인 물 혹은 물과 산을 혼합한 액체를 사용하였다. 의문점은 시멘트 파우더와 산 혹은 물 중에 어떤 것과 혼합 시 가장 최상의 성능을 발휘하는가 하는 것이었다.
연구팀은 시멘트로서 뿐만 아니라 치아에 삽입하는 충전재료로서 일련의 실험을 진행하였다. 우석 시멘트 충전한 치아를 엑스레이 촬영하였다. 이로써 재료의 구조를 확인할 수 있다. 코펜하겐대학 닐스 보어 연구소(Niels Bohr Institute)의 부교수이자 재료과학자인 Heloisa Bordallo에 따르면, 글래스 아이오노머 시멘트는 다공성이며 3D로 정확한 영상을 얻어 미세구조를 확인해 볼 수 있다고 한다.
물질 자체가 다공성인 것은 상관이 없지만 공극 내에 액체를 함유하는 것은 바람직하지 않으며, 그 까닭은 충전재료가 손상받기 쉽기 때문이다. 따라서 그 다음 확인한 것은, 중성자 산란 영상을 얻는 것이었다. 중성자는 모든 액체에서 발견되는 수소 원자의 존재유무를 확인하는데 탁월하다.
[상호보완적 연구]
엑스레이 및 중성자 실험 모두 Helmholtz-Zentrum 설비에서 진행되었으며, 유럽파쇄중성자원(European Spallation Source, ESS)의 재료과학자이자 코펜하게대학 닐스 보어 연구소의 겸임교수인 Markus Strobl이 함께 연구를 수행하였다.
중성자 산란 영상과 엑스레이 영상을 비교함으로써, 연구팀은 공극이 건조된 상태인지 액체로 채워져 있는지 확인할 수 있게 되었다. 물질의 강도를 결정하는 것은 공극의 수에만 의존하는 것은 아니다. 강하거나 약한 것은 액체가 물질에서 어떻게 이동하고 부착되어 있는가에 달려있다. 따라서 프랑스 및 영국의 과학자들은 오랫동안 경화(hardening) 동안 발생하는 화학적 반응을 밝혀내고자 많은 실험을 반복적으로 수행하였다.
이 실험을 통해 시멘트 내에서 산이 어느 곳에 혼합되어 있는지, 그래서 시멘트 분말에 단지 물만 첨가함으로써 가장 약한 물질로 변화시킬 수도 있음을 보여주었다. 산이 첨가되었던 물과 시멘트 분말을 혼합함으로써 가장 강한 물질을 얻는데 성공하였다. 따라서 액체가 더 빠르고 강하게 시멘트에 결합하고 공극에 물이 덜 남도록 하기 위해서 물 속에 산을 첨가하는 것이 좋다고 Heloisa Bordallo는 설명하였다.
여전히 공극에 잔류하는 액체가 많이 있으며, 이제 시멘트에 미네랄을 부가시킨 새로운 혼합물에 대한 연구가 진행되고 있다.
그림> 좌측 그림은 글래스 아이오노머로 충전된 치아의 엑스레이 사진이다. 이 사진에서 다공성 시멘트가 어떤 형상인지를 알 수 있다. 동일한 치아에 대한 우측 사진은 중성자 산란 영상이다. 공극이 액체로 채워져 있을 때 이런 영상을 볼 수 있다. 엑스레이 영상에서 공극과 균열이 더 잘 확인된다(a, c, e). 나쁜 적합성이 점성이 높은 충전용 시멘트에서 관찰되고 있으며(e), 점성이 낮은 시멘트(a, c)에서는 동일한 문제가 덜 관찰된다. 큰 공극의 내부 벽면이나 내부에 액체가 존재한다는 사실이 중성자 산란 영상에서 적색으로 관찰된다(b). 또한 중성자 산란 영상은 상호연결된 공극 혹은 균열이 액체로 채워져 있음(b, f)을 보여주고 있지만, 더 큰 공극의 일부는 비어있는 상태임을 나타내고 있다(d).
원문정보: Scientific Reports, http://nature.com/articles/DOI: 10.1038/srep08972
