Ⅰ. 서 론
복합레진은 1950년대부터 와동성 우식병소를 치료하기 위해 가장 많이 사용된 재료 중 하나이다[1]. 복합레진은 심미적이고, 치질을 최대한 보존할 수 있으며, 낮은 열전도성, 중합의 편리성, 적용의 용이함 등의 장점이 존재하여 임상에서 많은 선택을 받고 있다. 반면에 복합레진의 단점으로는 술식 민감성이 크고, 작업시간이 길며, 수분 및 오염에 민감하며 중합수축이 나타날 수 있다는 것이다. 수복의 임상적 성공조건은 치아 경조직에 잘 접착될 수 있도록 중합수축이 나타나지 않는 것인데 복합레진의 경우 중합수축은 주요한 단점 중 하나이다[2].
복합레진에서 중합수축이 나타나는 이유는 레진의 구성성분인 methacrylate 단량체 분자의 중합 때문이다. 레진 단량체분자들 사이에 0.3-0.4 nm의 반데르발스힘이 작용하는데 중합과정을 거치면서 단량체 분자들 사이에 공유결합이 나타나 0.15 nm 정도로 분자들 사이 거리가 줄어들면서 중합수축이 나타나게 된다[3]. 수축의 양은 2-7% 정도로 보고되었고 이로 인해 미세누출 및 이차우식, 치수염증, 술 후 과민증, 법랑질 파절, 변연착색, 유지력 상실 등이 나타날 수 있다[4]. 중합에 따른 수축 효과를 낮추기 위해 많은 연구자들은 다양한 방법들을 보고하였다. 와동에 충전된 수복물의 접착면과 접착되지 않은 면의 면적 비를 나타내는 C-factor가 감소할수록 중합수축은 줄어드는데 적층충전은 C-factor를 감소시키기 때문에 널리 이용되지만 치료시간은 길어진다는 단점도 존재한다[5].
비협조적인 소아환자의 치아우식증을 치료할 때 복합레진의 단점들은 더 두드러진다. 광범위한 우식을 제거 후 수복할 때 중합수축을 고려하여 적층충전을 시행하면 술자의 숙련도가 높더라도 치료시간이 길어진다는 것과 함께 수분 및 오염 조절이 쉽지 않은 문제점이 있다[6]. 치료시간을 단축하기 위해 와동에 복합레진을 한 번에 충전하면 큰 중합수축을 일으켜 앞서 언급한 문제점들이 발생할 수 있어 수복물의 예후에 영향을 미친다.
이러한 문제점을 해결하고 중합수축도 감소시키는 기술이 최근 소개되었다. Bulk filling은 중합방법의 향상, 교두굴곡의 감소, 중합수축 조절과 더불어 재료의 발전으로 이용 가능하게 되었다. 전통적인 방법은 최대 2 mm 높이의 레진 수복이 추천되는 반면에 이 방법은 최대 4-5 mm의 레진 수복이 가능하다[7]. 이 방법이 가능한 이유는 bulk filling에 쓰이는 bulk-fill 복합레진이 중합수축 응력이 낮으며 광중합 깊이가 증가되었기 때문이다. 하지만 bulk-fill 복합레진은 중합수축이 없는 것은 아니며, 적절한 접촉면을 형성하기 힘들며, 불충분한 중합이 나타날 수 있다는 문제점도 존재한다[8]. 또한 전통적인 복합레진에 비해 떨어지는 물성을 보인다고 알려져 있다.
Ⅱ. 연구 재료 및 방법
1. 복합레진 및 광중합기
1) 복합레진
본 연구에서는 전통적 복합레진 3 종류(Z-350 (Z-350), Unifil Flow (UF), Unifil Loflo Plus (UL)), bulk-fill 복합레진 2종류(SureFil SDR flow (SDR), Tetric N-Ceram BulkFill (TBF))를 사용하였다(Table 1).
2. 미세경도 측정
Bulk filling을 이용하여 복합레진마다 시편을 5개씩 제작하였다. 4 mm 높이, 3 mm 직경의 원통형 금속주형에 복합레진을 충전한 다음 상면과 하면에 glass slide로 덮고 시편의 상부에서 20초간 광중합을 시행하였다. 광중합 후 금속주형에서 시편을 제거하고 상면과 하면을 표시한 뒤 24시간 동안 햇빛이 비춰지지 않는 37℃ 항온기에 보관하였다. Vickers 경도측정기(MVK-H1, Akashi Co., Tokyo, Japan)를 이용하여 10초간 100 gf 또는 200 gf load로 측정하였다. 시편마다 상면과 하면을 측정하였고, 시편측정에서 나타날 수 있는 오류를 최소화하기 위해 각 면당 3회씩 측정하였다.
3. 중합도 측정
중합도 측정을 위해 직경 8 mm, 높이 4 mm 아크릴 몰드를 제작하였다. 상면과 하면의 glass slide에 같은 복합레진을 위치시킨 후 glass slide를 위치시켜 복합레진이 얇게 펼쳐지도록 하였다. 상부만 20초 동안 광중합을 시행하였다. 이후 glass slide 제거 후 얇은 원판의 시편을 복합레진마다 5개씩 상하면에서 얻었다. 중합도는 Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR, Nicolet 6700/8700, Thermo Fisher Scientific Inc., Waltham, MA, USA)를 이용하여 측정하였다. 측정범위는 7800-350 cm-1로 0.09 cm-1의 해상도로 32회 스캔하였다.
4. 중합수축 측정
광중합 과정 중 선수축을 측정하기 위해 linometer (RB 404, R&B Inc. Daejon, Korea)를 이용하였다. Linometer에 위치되는 알루미늄 디스크 위에 teflon 디스크 몰드를 올렸고, 복합레진을 직경 4 mm, 두께가 4 mm가 되도록 위치시켰다. 몰드 상방 과잉의 복합레진에 glass slide를 위치시킨 후 광중합기를 glass slide 가까이 위치시켰다. 광중합 전 알루미늄 디스크의 초기 위치를 원점으로 설정하고 광중합과 동시에 linometer를 작동시켰다. 광중합을 20초간 시행하였고 광조사가 진행되는 동안 복합레진은 광원 방향으로 수축을 하고, 복합레진과 함께 알루미늄 디스크도 같이 이동하였다. 센서를 통해 0.5초 간격으로 자동으로 측정되었고, 광중합 시간을 포함한 130초 동안 중합수축을 측정하였다. 이 과정을 복합레진별로 4번을 진행하였다.
5. 압축강도 측정
압축강도 측정을 위해 높이 6 mm, 직경 3 mm의 금속주형에 복합레진을 충전한 뒤 상면과 하면을 glass slide로 덮고 상하면에 각각 20초간 광중합을 시행하였다. 금속주형은 2개의 반원형으로 구성되고, 한 부분을 제거 후 측방으로 20초간 중합을 시행하였고 반대편 주형을 제거 후 다시 중합을 시행하였다. 복합레진별로 6개씩 시편을 제작하였다. 시편은 24시간 동안 햇빛이 비춰지지 않는 37℃ 항온기에 보관하였다. 압축강도는 Universal testing machine (Instron3366, Instron Co., Ltd., MA, USA)을 이용하였고, 1 mm/min의 속도로 측정하였다. 압축강도는 다음과 같이 계산된다.
P는 최대파괴하중이고, A는 응력을 받는 재료의 면적이다. 압축탄성계수는 탄성한계 내에서 물체가 갖는 단위하중당의 변형량으로 하중변위 곡선의 직선부분 기울기로 정의된다.
6. 3점 굽힘 강도
굽힘 강도는 굴곡강도 및 굴곡계수를 측정하기 위해 시행된다. 측정을 위해 ISO 4049의 규격에 따란 폭 2 mm, 높이 2 mm, 길이 25 mm의 금속주형에 복합레진을 충전한 뒤 상면을 glass slide로 덮었다[11]. 시편의 상면을 3부분으로 나누어 각 20초간 중합하였다. 복합레진별로 4개씩 시편을 제작하였다. 만들어진 시편은 24시간 동안 햇빛이 비춰지지 않는 37℃ 항온기에 보관하였다. Universal testing machine (Instron3366, Instron Co., Ltd., MA, USA)를 이용하여 1 mm/min의 속도로 굴곡강도 및 굴곡계수를 측정하였다. 굴곡강도는 다음과 같이 계산된다.
D는 상부 하중점간의 거리를 나타내며(20 mm), P는 최대파괴하중이고, W는 시편의 폭(2 mm), H는 시편의 높이(2 mm)이다. 굴곡계수는 다음과 같이 계산된다.
P/D는 하중 변위 곡선의 직선부분 기울기이다.
7. 통계분석
복합레진 5종류의 물성 비교를 위해 미세경도, 중합도, 중합수축, 압축강도, 굴곡강도를 측정하였다. 각 그룹 간 비교분석을 시행하였다. 통계분석에 필요한 각 변수들을 설정하고 평균, 표준편차 등의 기술통계량을 도출하였다. 이후 레진 종류 간 차이의 통계적 유의미성을 도출해내기 위하여 상면과 하면을 비교하는 미세경도 및 중합도는 이원분산분석(two-way ANOVA)를 시행하여 비교하였으며, 압축강도, 굴곡강도는 일원분산분석(one-way ANOVA)를 시행하여 비교하였다. 일원분산분석의 사후검정법으로는 Scheffe test를 채택하였다. 수집된 모든 실험 결과 데이터의 통계 처리는 SPSS version 20(SPSS Inc., Chicago, IL, USA) 프로그램으로 수행되었다.
Ⅲ. 연구 성적
1. 미세경도
6개 복합레진의 상면과 4 mm 높이 차가 있는 하면의 미세경도를 측정하였다(Table 2). 상면과 비교하여 하면은 낮은 미세경도를 보였고, 상면의 미세경도는 Z-350이 가장 높았고, 4 mm 하면은 TBF가 높게 나타났다. UL은 상하면 모두에서 가장 낮게 나타났다. 상면과 하면의 미세경도 비는 TBF, SDR이 높게 나타났다. 유동성 복합레진의 하면은 미세경도가 낮아 하중이 클 경우 비커스경도기로 측정이 불가능하여 200 gf가 아닌 100 gf로 측정을 진행하였다.
2. 중합도 측정
복합레진의 상면과 4 mm 높이 차가 있는 하면의 중합도를 측정하였다(Table 3). 상면은 하면보다 중합도 값이 높았고, 중합도는 상면의 경우 UF와 SDR이 높았고, Z-350이 가장 낮았다. 하면은 SDR이 가장 높게 나타났다. 상면과 하면의 중합도의 비는 SDR이 높게 나타났다. 중합도는 유동성 복합레진에서 높게 나타났다. Bulk-fill 복합레진의 중합도가 상하면 대부분에서 전통적 복합레진보다 높게 나타났다.
3. 중합수축 측정
각 복합레진의 중합수축 값은 Fig. 1과 같이 나타났다. 중합수축량이 가장 작은 재료는 Z-350이고, UL이 가장 높은 값을 보였으나 SDR 및 UF와는 통계학적으로 유의한 차이가 없었다. 유동성 복합레진이 비유동성 복합레진보다 중합수축량이 많았다.
4. 압축강도 측정
각 복합레진에 대한 압축강도 및 압축계수를 측정하였다(Table 4). 압축강도는 Z-350이 가장 높았고, SDR이 가장 낮게 나왔다. 전통적 복합레진이 bulk-fill 복합레진보다 높은 압축강도를 보였다. 압축계수는 Z-350과 TBF가 통계학적으로 유의한 차이가 없이 높게 나타났다. 유동성 복합레진에서는 SDR이 UL보다는 높게 나타났으나 UF와는 통계학적으로 차이가 유의하지 않았다.
5. 3점 굽힘 강도
실험에서 사용한 복합레진의 굴곡강도 및 굴곡계수의 통계학적 분석결과는 Table 5에 나타나있다. 굴곡강도 및 굴곡계수는 모두 Z-350이 가장 높았고, UL은 굴곡강도 및 굴곡계수 모두에서 가장 낮았다. 유동성 복합레진에서는 SDR이 비교적 높게 나타났으나 비유동성 복합레진에서는 TBF가 Z-350보다 낮은 값을 보였다.
Ⅳ. 총괄 및 고찰
Bulk filling이 가능한 것은 bulk-fill 복합레진에 포함된 광개시제의 발전과 함께, 무기질 필러의 함량은 적어지고 크기는 커졌지 때문이다. 필러의 크기를 크게 하면 투명도가 증가하여 광투과도가 증가하고 이에 따라 더 깊게 중합이 가능하다. 따라서 bulk-fill 복합레진은 hybrid 복합레진이나 유동성 복합레진보다 낮은 중합수축 응력을 보이며 수축률도 낮다고 알려져 있다[9,12]. 복합레진의 중합수축은 단량체(sol)가 중합체(gel)로 바뀌면서 발생한다. 겔화 이전에 발생한 수축은 분자들의 이동에 의해 응력을 발생시키지 않고, 겔 화 이후에 발생한 수축은 탄성계수의 증가로 응력을 발생시킨다. Bulk-fill 복합레진의 경우 초기 중합속도가 느려 흐름성을 유지할 수 있고, 이는 전통적 복합레진에 비해 수축이 감소되는 이유이다[13].
복합레진의 물리적 특성은 필러의 함량 및 종류, 입자의 크기, 형태, 분포 등에 의해 영향을 받는다. 특히 필러의 함량은 탄성계수, 굴곡강도, 경도 등 여러 기계적 성질에 영향을 미친다고 하였다[14]. Bulk-fill 복합레진의 경우 필러의 함량을 줄였기 때문에 심미적 및 물리적 성질이 낮았으며, 표면 거칠기는 증가된 것으로 알려져 있다[15]. Bulk filling이 임상에서 치료시간 단축 등의 편리성을 가져다주지만 bulk-fill 복합레진의 물성이 떨어진다면 수복재료로는 사용되기 어렵다. 치아우식증이 있는 어린이의 수복치료를 시행할 때 많이 사용되는 재료와 bulk-fill 복합레진의 물성 비교가 중요한 이유이다.
미세경도는 광중합 복합레진의 중합깊이를 측정하고, 수복물의 내구성을 평가하기 위해서 사용한다. 미세경도는 재료 표면에 국소적 외력을 가했을 때 나타나는 영구변형에 대한 저항력의 크기를 표시하는 기계적 성질이고, 재료의 강도 및 내마모성을 예측하는데 사용된다. 상면에서는 Z-350이 TBF보다 높은 미세경도 값을 보이나 하면에서는 TBF가 Z-350보다 통계학적으로 유의하게 높은 값을 나타냈다. 상면의 미세경도가 큰 이유는 필러의 함량과 관계가 있는 것으로 예측된다. 유동성 복합레진 비교 결과 상면의 경도는 UF가 높은 값을 나타냈으나 하면은 SDR이 가장 높았다. 상면과 하면의 미세경도비는 bulk-fill 복합레진인 SDR, TBF가 다른 복합레진과는 달리 50% 이상을 보였고, 통계학적으로 유의한 차이가 나타났다(Table 2). 이는 bulk-fill 복합레진의 중합깊이가 다른 복합레진에 비해 향상되었다는 것을 보여주고, 불충분한 중합이 나타날 확률이 보다 낮다는 것을 의미한다.
중합도는 재료의 기계적 성능과 생체적합성을 판단하는데 중요하다. 강도, 경도, 탄성계수, 용해도는 중합도와 직접적으로 연관이 있다[16]. 단량체로서 존재하던 이중결합이 중합되면서 단일결합 중합체를 형성하게 되고 이러한 과정에서 전환되는 수준에 따라 기계적 및 물리적 성질에 영향을 미친다. 이전 연구에서 보고된 레진의 중합도는 52-75% 사이였고, 대부분의 재료가 55-60% 사이였다. 중합도는 중합체 연결구조의 유리화에 의해 제약을 받아 대부분 55-75% 범위를 가지게 되고, 생체 내에서 마모된 깊이와 중합도 사이에는 55-65% 범위 내라면 상관관계가 없다고 보고되었다. 따라서 적어도 교합면에 있어서 중합도는 55% 이하로 내려가는 것은 추천되지 않는다[16]. 본 연구에서는 대부분 중합도가 55% 이상으로 나타났으나 본 연구에서 Z-350은 4 mm 하면뿐만 아니라 상면에서도 이 기준에 미달되었다. Z-350의 물성은 TBF나 유동성 복합레진보다 높게 나타났으나 중합도가 떨어진다면 수복에 사용할 때 적절하지 않을 수 있다. 하지만 본 연구는 시편의 수가 많지 않았고, 제조사의 지시와는 달리 bulk filling으로 시편을 제작하였기에 이에 대한 연구는 더 필요할 것으로 판단된다. 중합복합레진이 낮은 중합도를 보이면 색 안정성 및 수복물의 물성도 떨어지고 접착력도 약해져 결국 수복물의 탈락 가능성이 높아지는 결과를 보인다[17]. 필러의 함량이 작은 유동성 복합레진의 중합도가 높게 나타났다. 상하면의 중합도 비도 bulk-fill 복합레진에서 통계학적으로 유의하게 높게 나타나기 때문에 bulk-fill 복합레진이 bulk filling을 이용하는데 더 유용할 수 있다는 결론을 뒷받침한다. TBF는 광개시제인 ivocerin을 포함하고 있으며 이는 중합촉진을 시켜 더 깊이 중합할 수 있게 한다. 다양한 단량체에서 최후의 중합도는 Bis-GMA가 가장 낮고 Bis-EMA, UDMA, TEGDMA 순으로 높아진다[18]. Bis-GMA는 수산화기와 방향족 원자핵의 분자 내 수소결합 때문에 가장 점성이 높고 유동성이 낮은 단량체이다. UDMA도 마찬가지로 이미노기(NH)와 카보닐기(CO) 사이의 분자간 수소결합에 의해 점성을 나타낸다. 하지만 UDMA의 점성이 낮은 이유는 이미노기가 수산화기보다 수소결합이 낮기 때문이다[19].
본 연구에서 가장 낮은 중합수축을 보이는 재료는 Z-350이었으며 TBF도 비교적 우수한 중합수축을 나타냈다. TBF는 응력 완화 효과를 보이는 특별한 필러가 포함되어 있어 완충제 역할을 하기 때문에 중합수축을 낮춰준다. SDR의 경우 다른 유동성 복합레진보다 낮은 중합수축을 보였으나 통계학적으로 유의하지는 않았다. 실험에 사용된 복합레진의 중합수축 값은 1.97-4.50% 사이이며 이는 현재 판매되고 있는 복합레진의 중합수축 값과 비교하였을 때 수용 가능한 수치이다. 복합레진을 충전하고 광조사를 시작할 때 중합수축률은 급격하게 증가하는 것으로 보였고 중합이 끝나는 시점에서 다시금 증가하는 양상을 보였다. 이후 서서히 증가하면서 일정한 값을 보인다. 이러한 양상을 보이는 이유는 복합레진이 중합할 때 나오는 열과 광조사기의 열에 의한 열팽창으로 중합수축의 일부와 상쇄되었다가 광조사가 끝나는 시점에 열팽창이 발현되기 때문이다[20].
압축강도는 재료가 파괴되지 않고 견딜 수 있는 최대의 압축응력을 측정한다. 저작력 등 외부응력이 가해질 때 저항할 수 있어야 하므로 재료의 중요한 기계적 성질 중 하나이다. 본 연구에서 압축강도 및 압축계수를 실험한 결과 가장 높은 수치를 나타낸 재료는 Z-350이었으며 TBF는 Z-350과 비교해 통계학적으로 유의하게 낮은 결과를 보였다. 유동성 복합레진에서는 압축강도는 SDR이 압축계수는 UL이 가장 낮은 값을 나타냈다. 복합레진의 구성성분 중 필러의 함량이 많을수록 압축강도 및 압축계수 값이 증가하는 것을 본 연구를 통해 확인할 수 있었다[2].
굴곡강도는 마모, 파절 및 미세누출과 연관이 있고 임상에서 복합레진 수복과 관련된 기계적 성질 중 중요한 요소이다[21]. 외부 자극이 가해지는 상황에서는 파절을 피하기 위해 높은 굴곡강도가 필요하다. 굴곡계수는 시편의 중앙에 상부로부터 힘을 가하는 값을 시편에 생기는 변형으로 나눈 값으로 굴곡계수가 클수록 강성이 높아지며 낮을수록 유연하다. 굴곡강도 및 굴곡계수는 SDR의 경우 유동성 복합레진과 비슷하였으나, TBF의 경우 Z-350보다 통계학적으로 유의하게 낮았다. 유동성 복합레진보다 필러의 함량이 높은 비유동성 복합레진의 굴곡강도 높은 것은 필러의 함량에 비례한다는 과거 연구와 같은 결과를 보였다[22]. 하지만 굴곡계수는 TBF가 유동성 복합레진과 비슷한 결과를 보여 필러의 함량뿐만 아니라 필러입자 크기도 연관이 있는 것으로 보인다.
본 실험에서 나타난 결과 유동성 bulk-fill 복합레진의 경우 일반 수복용 레진에 비해 물성이 낮아 전체와동을 충전하기에는 적합하지 않고 이장재 및 기저재로 사용하는 것이 좋다는 이전 연구결과를 뒷받침한다[10]. 비유동성 bulk-fill 복합레진은 부가적으로 전통적 복합레진층을 필요로 하지 않으나[13], 유동성 bulk-fill 복합레진 사용 시에는 추가의 전통적 복합레진층이 필요할 것으로 판단된다. 이러한 과정은 표면의 경도를 강화시켜 줄 뿐만 아니라 추후의 수분 흡착을 방지하는 역할을 한다고 보고되었다[9].
소아환자의 수복치료 시 bulk filling은 유용하게 사용될 수 있다. 이를 가능하게 해주는 bulk-fill 복합레진의 물성을 전통적 복합레진과 비교하였다는 것에 본 실험의 의미가 있다. 전통적 복합레진보다 bulk-fill 복합레진은 물성은 떨어지지만 다른 복합레진과는 달리 bulk filling이 가능하다는 것을 본 연구의 중합도 및 미세경도 비를 통해 확인할 수 있었다. 성인에서 최대교합력은 392.3 ± 150.1 N 이라고 보고되었으나[23], 3-6세 아동에서는 196.60 ± 69.77 N 이라고 보고되었다[24]. 성인에 비해 낮은 교합력을 보이는 소아에서 전통적 복합레진보다 낮은 물성을 보이는 bulk-fill 복합레진은 수복재료로써 사용이 가능할 것으로 판단된다. 하지만 실험에 사용된 전통적 복합레진의 경우 제조사의 지시와는 달리 bulk filling을 이용하여 시편을 제작한 부분은 이 연구의 한계점이다. 치아와 bulk-fill 복합레진 결합에서 나타날 수 있는 물리적 성질 등에 대해서는 최근에 연구가 활발히 진행 중이고[25], 2급 와동에서 bulk-fill 복합레진의 유용성에 대해서도 연구가 진행 중이다[26]. 하지만 유치에 bulk-fill 복합레진의 적용을 연구한 논문은 부족하여 향후 이에 대한 연구는 필요할 것으로 사료된다.
Ⅴ. 결 론
본 연구는 소아환자에서 치아우식증 치료 시 나타나는 레진의 단점들을 보완하기 위해 제시된 bulk-fill 복합레진과 전통적 복합레진의 물성을 비교하기 위한 목적으로 진행하였다. 연구의 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
미세경도는 상면에서 Z-350이 가장 높은 값을 나타냈고, 하면은 TBF가 높은 값을 나타냈으나 UL은 상하면 모두에서 가장 낮은 값을 보였다. 상면과 하면의 미세경도 값의 비는 bulk-fill 복합레진에서 높게 나타났다. 중합도는 bulk-fill 복합레진과 유동성 복합레진 상하면 모두에서 높게 나타나고, Z-350는 상하면 모두에서 55% 이하로 나타났다. 압축강도는 Z-350이 가장 높았으며 SDR과 UL은 낮게 나타났다. 압축계수는 Z-350이 높게 나타났고, UL이 가장 낮았다. 굴곡강도 및 굴곡계수는 Z-350이 가장 높았다. 반면, UL은 굴곡강도 및 굴곡계수 모두 가장 낮게 나타났다. UL이 가장 높은 중합수축을 보였고, Z-350이 가장 낮은 중합수축 값을 나타냈다. 유동성 복합레진이 비유동성 복합레진보다 중합수축 양이 많았다.
결론적으로 bulk-fill 복합레진의 물성은 전통적 복합레진보다 떨어지지만 bulk filling에서 중요한 상하면의 미세경도비 및 중합도는 높게 나타났다. Bulk-fill 복합레진은 어린이의 치아우식증 수복치료에 사용할 수 있는 충전제 역할을 할 수 있을 것으로 사료된다.
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