치아 불소증 법랑질의 기울기 나노기계적 특성: 수복 재료 선택에의 시사점

초록

본 연구는 치아 불소증의 영향을 받은 법랑질의 기울기 나노기계적 거동을 조사하고 수복 재료 선택을 위한 증거 기반 기준을 확립합니다. 나노인덴테이션(2000 μN 하중, 30초 유지)과 나노스크래치(1000 μN 하중) 시험을 정상 법랑질, 경도 불소증 법랑질, 중증 불소증 법랑질의 외층, 중층, 내층에서 수행했습니다. 경도 불소증 법랑질의 외층을 네 가지 수복 재료(리튬 디실리케이트 글라스-세라믹 IPS e.max CAD, 고분자 침투 세라믹 네트워크 PICN, 복합 레진 블록 Lava™ Ultimate, 일반 복합 레진 Filtek™ Z350XT)와 비교했습니다. 결과는 뚜렷한 기울기 경향을 보였습니다: 경도 불소증 법랑질은 외층에서 중층으로 나노경도와 탄성률이 증가하다 내층으로 가며 감소했습니다; 중증 불소증 법랑질은 내층으로 갈수록 경도와 탄성률이 단조롭게 증가하고 크립 변위는 감소했습니다. 나노트라이볼로지 지표도 유사한 경향을 보였습니다. Lava™ Ultimate의 스크래치 깊이와 너비는 경도 불소증 법랑질 외층과 일치했고, IPS e.max CAD는 가장 낮은 스크래치 깊이/너비를 보였습니다. 이러한 결과는 불소증 법랑질의 기계적 프로파일이 정상 법랑질과 현저히 다르며, 수복 재료나 대합 치아의 과도한 마모를 피하기 위해 호환되는 내마모성을 가진 재료 선택이 필요함을 강조합니다. (시험 등록: WCHSIRB-D-2014-126, 2014년 12월 25일 등록).

서론

치아 불소증은 치아 발달기에 과도한 불소 섭취로 법랑질 광물화가 변형되어 발생합니다. 고불소 지역에서는 유병률이 80-90%에 달합니다. 백악질의 불투명한 반점이나 구조적 결함은 심미성과 기능을 저해하며 심리사회적 고통을 유발합니다. 따라서 수복 치료가 흔합니다. 성공적인 수복은 수복 재료의 기계적, 트라이볼로지적 특성을 대합 법랑질과 일치시켜 어느 한쪽의 가속 마모를 방지하는 데 달려 있습니다. 불일치는 수복물이나 자연 치아의 급속한 악화를 초래할 수 있습니다. 따라서 불소증 법랑질의 미세구조, 나노기계적, 나노트라이볼로지적 특성을 종합적으로 이해하는 것이 합리적인 재료 선택에 필수적입니다.

재료 및 방법

고불소 지역 거주 19-25세 기증자로부터 발치한 30개의 우식 없는 소구치(정상 10개, 경도 불소증 10개, 중증 불소증 10개)를 사용했습니다. 프로토콜은 서중국 병원 윤리위원회 승인을 받았습니다. 치아는 Hank's 균형 염액(HBSS, Solarbio, 베이징)에 4 °C에서 보관해 수분을 유지하고 발치 후 1주일 내에 시험했습니다.

시편 준비

Struers Minitom과 다이아몬드 컷오프 휠(300 rpm, 물 관개)로 관부 절편을 제작했습니다. 각 관부를 두 반으로 나누고 에폭시 레진(EpoFix, Struers)에 매립했습니다. 한 반은 나노인덴테이션용, 다른 반은 나노스크래치용으로 사용했습니다. 수복 재료(IPS e.max CAD, PICN, Lava™ Ultimate, Filtek™ Z350XT)는 5개씩 시편(4 mm × 4 mm × 2 mm)을 #800에서 #4000 SiC 페이퍼로 순차 연마한 후 3 µm와 0.04 µm 연마액(OP-S NonDry, Struers)으로 마무리하고 초음파 세척했습니다. 법랑질 층은 다음과 같이 정의: 외층(교합면에서 ≤100 µm), 중층(법랑질-상아질 경계(EDJ)까지 중간 거리), 내층(EDJ에서 ≤100 µm).

나노인덴테이션 시험

Berkovich 다이아몬드 팁(~150 nm 반경)을 장착한 Triboindenter TI950(Hysitron)으로 수행. 통합 주사 탐침 현미경으로 대상 영역 확인. 하중: 2000 μN, 유지 시간: 30초, 로딩/언로딩 속도: 400 µN/s. 법랑질 층당 50회 인덴테이션으로 통계적 강건성 확보, 인덴트 간격 >5 µm. Oliver-Pharr 법으로 환산 탄성률과 나노경도 산출. 유지 전후 접촉 변위 차이(변위 변화)로 크립 거동 정량화.

나노스크래치 시험

원추형 다이아몬드 팁(~1 µm 반경)을 장착한 Triboindenter TI950으로 수행. 1000 µN 하중, 0.5 µm/s 속도, 10 µm 길이로 스크래치. 법랑질 층당 및 재료당 50회 스크래치, 간격 >5 µm. 마찰 계수, 스크래치 깊이, 너비 기록.

통계 분석

SPSS 18.0으로 분석. 일원배치 분산분석(ANOVA)과 Student's t-test로 그룹 간 차이 평가; p < 0.05 유의.

SEM 관찰

전계 방출형 SEM(INSPECT F, 체코)으로 모든 법랑질 층의 미세구조 관찰.

결과 및 고찰

치아 불소증 법랑질의 미세구조와 기울기 나노기계적 거동

그림 2는 각 치아 유형의 세 법랑질 층 SEM 사진을 보여줍니다. 정상 법랑질 막대는 외층과 중층에서 균일하고 직립하며, 내층에서는 물결무늬 패턴을 보입니다. 경도 불소증 법랑질 외층에 약간의 기공이 있으며, 중층과 내층은 정상과 유사합니다. 중증 불소증 법랑질 외층 막대는 막대 간 간격이 넓어지고 수많은 기공이 있으며, 결정이 느슨하게 배열되고 미세다공성이 증가합니다. 중증 불소증 내층은 정상 법랑질과 유사합니다. 이러한 형태학적 차이는 (1) 과도한 불소가 법랑질 기질 단백질 잔류를 방해하고 막대 저광물화를 유발하며 (2) 하이드록시아파타이트의 수산기가 불소로 치환되어 플루오르아파타이트를 형성하기 때문입니다.

정상 법랑질에서 나노경도와 탄성률은 외층에서 내층으로 감소했고(그림 3), 크립 변위는 증가했습니다(그림 4). 이 기울기는 밀집된 막대에서 단백질 풍부 막대간 법랑질로의 전이와 관련된 기계적 감쇠를 반영합니다. 경도 불소증 법랑질에서는 경도와 탄성률이 외층에서 중층으로 증가하다 내층으로 감소했습니다(그림 3). 외층 크립 변위(7.70 ± 2.71 nm)는 정상 법랑질보다 유의하게 높았습니다(p < 0.05). 중증 불소증 법랑질에서는 경도와 탄성률이 외층에서 내층으로 단조롭게 증가했으며, 내층이 가장 높은 값(나노경도 2.04 ± 0.89 GPa, 탄성률 46.63 ± 11.19 GPa)을 보였습니다. 크립 변위는 외층에서 내층으로 감소했으며, 외층에서 가장 큰 변위(11.50 ± 3.77 nm)를 보였습니다(그림 4). 이러한 뚜렷한 경향은 불소증 법랑질의 변형된 하중 지지 능력을 강조합니다.

마찰 계수는 정상 법랑질에서 외층에서 내층으로 증가했습니다. 경도 불소증에서는 외층에서 중층으로 감소하다 내층으로 증가했습니다. 중증 불소증 법랑질은 외층(0.25 ± 0.044)과 중층(0.18 ± 0.025)에서 경도 불소증과 정상 법랑질보다 높은 마찰 계수를 보였습니다(p < 0.05). 그러나 중증 불소증에서도 외층에서 내층으로 계수가 감소했습니다(p < 0.05)(그림 5).

스크래치 깊이와 너비는 정상 법랑질에서 외층에서 내층으로 증가했습니다(그림 6a). 경도 불소증에서는 중층에서 감소하다 내층으로 증가했습니다(그림 6b). 중증 불소증에서는 외층에서 내층으로 단조롭게 감소했습니다(그림 6c). 따라서 중증 불소증 법랑질 외층이 가장 큰 스크래치 깊이와 너비를 가져 내마모성이 저하됨을 나타냅니다. 이는 불소 노출이 법랑질 내마모성을 저해한다는 선행 연구와 일치합니다.

이러한 기울기 특성을 이해하는 것은 불소증 법랑질의 마모 거동과 일치하는 수복 재료 선택에 핵심적입니다. 세라믹은 높은 생체적합성과 심미성을 제공하지만 대합 법랑질을 과도하게 마모시킬 수 있습니다. PICN과 복합 레진 블록은 더 낮은 내마모성을 제공하도록 개발되었습니다. PICN의 스크래치 지표는 정상 법랑질 외층과 일치해 대합 치아가 건강할 때 적합합니다. 그러나 대합 치아가 불소증(특히 경도 불소증)일 때는 해당 법랑질의 트라이볼로지 프로파일을 모방하는 재료가 필요합니다. Lava™ Ultimate(복합 레진 블록)는 경도 불소증 법랑질 외층과 비슷한 스크래치 깊이와 너비를 보여 불소증 수복에 적합함을 시사합니다. 일반 복합 레진(Z350)은 더 높은 스크래치 지표로 가속 마모를 초래할 수 있습니다. 따라서 수복 재료의 불소증 법랑질과의 기계적 호환성이 내구성 있는 결과를 위해 필수적입니다.

치아 불소증의 정상 및 비정상 법랑질 막대의 나노기계적 특성

중증 불소증 법랑질 분석에서 외층과 중층에 두 가지 뚜렷한 막대 유형이 공존함을 발견했습니다: 느슨하게 배열된 결정과 풍부한 미세기공을 가진 정상 막대, 그리고 밀집된 기공을 가진 비정상 막대(그림 7). 정상 막대는 비정상 막대보다 낮은 경도와 탄성률, 높은 크립을 보였습니다(그림 8). 이러한 미세 수준의 변이는 불소증 심각도와 연관되며, 이러한 이질성을 수용할 수 있는 수복 재료의 필요성을 강조합니다.

치아 불소증 임상 수복을 위한 적절한 치과 재료

비교 스크래치 분석(그림 9)에서 IPS e.max CAD가 가장 낮은 스크래치 깊이/너비, PICN이 정상 법랑질과 일치, Lava™ Ultimate가 경도 불소증 법랑질과 일치, Filtek™ Z350XT가 가장 높은 지표를 보였습니다. 중증 불소증 법랑질 외층이 가장 큰 스크래치 깊이/너비를 가졌습니다. 이는 수복 재료의 트라이볼로지 프로파일이 대합 불소증 법랑질과 일치해야 가속 마모를 방지할 수 있음을 확인합니다.

임상적 함의: 불소증 전치는 심미적 수복이 필요하고, 구치는 크라운이나 온레이가 필요할 수 있습니다. 세라믹 수복은 심미적이지만 대합 법랑질을 과도 마모시킬 수 있습니다; PICN은 정상 대합 법랑질에 더 균형 잡힌 마모 프로파일을 제공합니다. 경도 불소증의 경우 Lava™ Ultimate가 법랑질과 비슷한 내마모성을 제공해 수복물 마모 위험을 줄입니다. 중증 불소증에서는 외층 법랑질의 마모가 심하므로 저마모 복합 레진이나 대체 전략을 신중히 선택해야 합니다.

결론

주요 발견:

1. 불소증 법랑질의 미세구조와 기울기 나노기계적 거동은 정상 법랑질과 현저히 다르며, 특히 경도 불소증 외층과 중증 불소증 외층/중층에서 두드러집니다.
2. 불소증 법랑질에 정상 및 비정상 막대가 공존하며, 비정상 막대는 낮은 경도, 낮은 탄성률, 높은 크립을 보입니다.
3. 복합 레진 블록(Lava™ Ultimate)이 경도 불소증 법랑질과 내마모성이 일치해 고내마모 세라믹보다 불소증 수복에 더 적합합니다.

약어

EDJ:

법랑질-상아질 경계

IPS:

IPS e.max CAD

LVU:

Lava™ Ultimate

MFE:

경도 치아 불소증 법랑질

NTE:

정상 치아 법랑질

PICN:

고분자 침투 세라믹 네트워크

SEM:

주사전자현미경

SFE:

중증 치아 불소증 법랑질

SPM:

주사 탐침 현미경

Z350:

Filtek™ Z350XT