변화하는 사회경제적인 환경은 치과계의 환자 분포나 진료 양상 등에 영향을 미친다. 출산율 저하에 따른 소아청소년 인구 수의 감소와 우식유병률의 감소, 치과 재료의 변화 그리고 국민건강보험급여 체계의 변화 등은 소아치과의 진료 양상에 많은 영향을 주었다[1]. 여러 대학을 중심으로 한 소아치과 분야의 치료 경향에 대한 연구에서 복합레진 수복은 전체 수복치료의 27%–62%를 차지하는 등 복합레진은 중요한 수복재로 자리잡고 있다[2-4]. 2019년 1월 1일부터 시행된 12세 이하 아동의 광중합형 복합레진 급여화는 앞으로 복합레진에 대한 더 많은 수요를 가져올 것으로 예상된다.

복합레진은 심미적이고 우수한 치질과의 결합성을 보이며 와동형성 시 치질 삭제량이 적은 등 여러 가지 장점을 가진 수복재료이지만 중합 시 수축하는 특성으로 인해 여러 임상적 문제점을 야기한다[5-8]. 복합레진의 중합 시 발생하는 수축은 미세누출과 이차우식을 유발하고 수복물 주위의 치질에 응력을 발생시켜 교두 변형, 술 후 과민증, 치질의 미세 균열 등의 문제를 발생시킨다[9,10]. 또한 중합 수축 응력의 크기가 복합레진과 상아 질 사이의 결합력보다 클 경우에는 결합의 실패가 유발될 수 있다[11-13]. 따라서 복합레진의 수축 시 발생하는 응력과 치질과의 결합력은 복합레진의 임상적 실패를 줄이기 위해 평가해야 할 중요한 물성이라고 할 수 있다.

현재 사용되는 복합레진은 물성이 우수한 다국적 기업 및 외국계 복합레진들이 다수 존재하지만 국내에서도 다양한 복합레진들이 연구, 시판되고 있다. 국내에서는 90년대 후반부터 복합 레진에 대한 연구가 처음 시작되었으며, 현재도 활발한 연구가 진행되고 있다[14]. 국산 복합레진은 1999년 Vericom사에 의해 Denfil™이 처음 국산화되었으며 이후 Dentkist사의 Charmfil^® 이 상용화되었고 현재는 여러 제조사의 복합레진이 시판되고 있다. 그러나 국산 복합레진의 낮은 인지도 및 임상 데이터베이스의 부족 등은 국내나 선진 시장에서 국산 복합레진의 입지를 약하게 하는 요소이며 국산 복합레진들에 대한 연구의 부족 역시 국산 복합레진의 임상적 사용을 주저하게 되는 원인이다.

따라서 본 연구에서는 복합레진의 중요한 물성으로 생각되는 수축응력과 치질과의 전단결합강도를 다양한 국산 복합레진들과 Filtek Z-250™ (3M ESPE, St Paul, MN, USA)의 비교를 통해 평가하고자 한다.

실험 재료

2019년 1월 국내에서 시판중인 다양한 제조사의 9개의 국산 복합레진 Any-Com™ (Mediclus, Chungju, Korea), Charmfil^®Plus (Dentkist, Gunpo, Korea), Denfil™ (Vericom, Anyang, Korea), ESCom 100^® (Spident, Incheon, Korea), Hanfil^® (Han Dae Chemical, Seoul, Korea), Nexcomp^® (Meta^® Biomed, Cheongju, Korea), Transcen^® (Nexobio, Cheongju, Korea), Xsfil^® (B&E Korea, Gwangmyeong, Korea), Zircos-Com^® (Bioden, Seoul, Korea)을 실험군으로, Filtek Z-250™을 대조군으로 설정하였다(Table 1).

산 부식제는 35% 인산인 Ultra-Etch^® (Ultradent, South Jordan, UT, USA)를 사용하였고 접착제는 Adper™ Single Bond 2 (3M ESPE)를 사용하였다(Table 2). 광중합기는 LED 광중합기인 Valo Cordless (Ultradent)를 사용하였다.

수축응력

시편 제작

외경 10 mm, 내경 7 mm, 높이 2 mm 크기의 아크릴 주형을 준비하고 주형의 내면은 Microetcher^® (Denville engineering Inc., San Francisco, CA, USA)와 50 μm aluminum oxide powder를 사용하여 30초 동안 sandblasting을 시행하였다. 아크릴 주형의 내면에 접착제인 Adper™ Single Bond 2를 적용하 고 10초간 광중합을 시행하였다. 아크릴 주형의 외면에 Cyanoacrylate adhesive™ (Tokyo Sokki, Tokyo, Japan)를 적용하고 TML foil strain gauge^® (FLK-1-11-1LJC; Tokyo Sokki)를 부 착하였다(Fig. 1). 제작된 시편은 무작위로 10개의 군(n=15)으 로 분류하였으며, 주형의 내면은 국산 복합레진 9종과 대조군으 로 설정한 Filtek Z-250™으로 각각 충전하였다.

Fig. 1.

Schematic illustration of strain gauge attached to acrylic mold for measuring contraction stress.

strain 측정

중합수축에 의한 응력을 측정하기 위해 TML foil strain gauge^®의 leads를 TML Datalogger™ (TDS-102; Tokyo Sokki)에 연결하여 광중합에 따른 strain 값을 측정하였다(Fig. 2). 광중합 시점부터 2초 간격으로 800초간 strain 값을 측정하였고 TDS-102 software를 이용하여 데이터를 전송하였다. 측정된 strain은 Visual Log^® 프로그램을 이용해 그래프로 표시하고 strain 값은 Hooke’s law를 이용하여 수축응력으로 환산하였다.

Stress (MPa)=strain(ε)×elasticity of modulus*Elasticity of modulus (Acryl)=3.0×10³ MPa

Fig. 2.

(A) Strain gauge attached to the acrylic mold and (B) TML Datalog-ger™ (TDS-102, Tokyo Sokki, Tokyo, Japan).

전단결합강도

전단결합강도 측정

만능시험기(Shimadzu Universal Testing Machine EZ-S; Shimadzu, Kyoto, Japan)를 이용하여 각 시편에 cross head speed 1.0 mm/min의 속도로 전단력을 가했다(Fig. 3). 상아질의 표면에서 수복재가 탈락될 때의 최대 하중을 컴퓨터에 연결된 Trapezium 프로그램을 이용하여 kgf 단위로 측정하였으며 이를 치아-복합레진의 접촉 면적으로 나누어 MPa 단위로 환산하였다.

Fig. 3.

Schematic drawing of the shear bond strength test.

통계학적 분석

각 군 간의 전단결합강도 및 수축응력 비교, 평가를 위해 One-way ANOVA test를 시행하였고 Tukey test를 통해 사후 검정하였다. 수집된 실험 결과 데이터는 SPSS ver. 20 (IBM Corp., Armonk, NY, USA) 프로그램으로 통계 처리하였다.

수축 응력

모든 군에서 광중합 직후 수복물의 일시적인 팽창이 나타났다가 초기에는 급격히 수축하였으며 시간이 지날수록 수축응력이 계속 증가하였고 이 후 수축이 완만하게 진행되어 400초 이 후부터는 수축응력이 거의 한 값으로 수렴하는 양상을 보였다 (Table 3, Fig. 4).

Fig. 4.

Contraction stress (MPa) of each group according to the time. One-way ANOVA test (*p<0.05).

각 군 간의 비교에서, 다른 국산 복합레진에 비해 Filtek Z-250™의 수축응력이 가장 작게 나타났다(p<0.05). 국산 복합레진 중에서는 ESCom 100^®이 가장 낮은 수축응력을 보였고 Zircos-Com^®이 가장 높은 수축응력을 보였다.

전단결합강도

각 군의 평균 전단결합강도는 Table 4와 같다. Filtek Z-250™ 이 11.47±2.31 Mpa로 가장 높은 값을 보였고 Xsfil^®이 3.84± 2.03 Mpa로 가장 낮은 값을 보였다. 국산 복합레진 중 Hanfil^®, Charmfil^®Plus, ESCom 100^®은 각각 11.33±1.40 Mpa, 10.60 ±2.86 Mpa, 10.54±1.92 Mpa의 전단결합강도로 Filtek Z-250™와 유사한 값을 보였다. 이 외의 Transcen^®, Denfil™, Any-Com™, Nexcomp^®, Zircos-Com^®, Xsfil^®은 3.84–6.40 MPa의 전단결합강도를 나타내 Filtek Z-250™보다 유의하게 낮은 전단결합강도를 보였다(Fig. 5, p<0.05).

Fig. 5.

Comparisons of the shear bond strength of the studied samples. One-way ANOVA & Tukey test (*p<0.05).

복합레진 수복 후 실패가 나타나는 가장 큰 원인 중의 하나는 수복물과 치질 계면부의 틈의 형성이다. 이는 복합레진의 중합 시 발생하는 수축과 이로 인해 유발되는 수복물 주위의 응력으로 인해 만들어진다. 이러한 응력의 크기가 복합레진과 상아질 사이의 결합력보다 클 경우에는 결합의 실패 역시 발생할 수 있다[7,11-13]. 본 연구에서는 복합레진의 중합 시 수축 응력의 측정을 위해 스트레인 게이지법을 이용하였고 복합레진과 상아질 간의 결합력을 측정하기 위해 Universal Testing Machine을 이용하여 전단결합강도를 측정하였다.

수축응력을 측정하는 방법으로는 유한요소분석법, 광탄성법, 스트레인 게이지법 등이 존재한다[15-19]. 이 중 본 연구에서는 스트레인 게이지법을 사용하였는데 이는 하나의 게이지로 수축과 팽창의 동시 측정이 가능하고 자체적인 온도 보정 능력을 가져 다양한 환경에서 안정적인 측정이 가능하다는 장점이 있다. 또한 재료의 탄성에 의해 수축이 보상되는 pre-gel phase의 변화는 측정되지 않고 실제 응력이 발생되는 gel-point부터 측정을 시작해 임상적으로 중요한 post-gel shrinkage의 수축만 측정할 수 있다는 장점이 있다. 또한 재료의 중합과정에 따라 실시간으로 응력의 측정이 가능하다는 점도 스트레인 게이지법의 장점으로 볼 수 있다[8,20].

본 연구에서는 복합레진의 수축 응력을 측정하기 위한 시편으로 표준화가 편리한 acryl 주형을 사용하였고 주형은 2 mm의 깊이로 하였으며 광원은 1470 mW/cm²의 강도를 사용하였다. 복합레진 제조사 및 이전의 여러 연구들은 복합레진이 충분히 일정하게 중합되기 위해서는 충전되는 최대 두께가 2 mm 이하가 되어야 하고 조사하는 빛의 강도가 최소한 400 mW/cm² 이상이 되어야 한다고 하였다[21-23]. 이에 본 연구는 2 mm 이하의 두께로 복합레진을 충전하였고 400 mW/cm² 이상의 광원을 사용하여 불충분한 중합에 의해 실험적 오차가 발생할 가능성을 최소화하였다.

단량체가 중합체로 바뀜에 따라 복합레진의 중합수축이 발생한다. 레진 단량체 분자들 사이에 작용하는 0.3–0.4 nm 의 반데르발스 힘은 중합 후 단량체 분자들 사이의 공유결합으로 바뀌고 이로 인해 분자들 사이 거리가 0.15 nm 정도로 감소하면서 중합수축이 발생한다[24,25]. Bisphenol A dimethacrylate (Bis-GMA) [2,2’-bis-[4-(3-methacryloxy-2-hydroxypropoxy)-phenyl]propane]는 가장 널리 사용되는 레진기질로 중합 수축률이 작고, 경화 시간이 짧으며 경화 후에도 단단한 물성을 가진다[26,27]. 그러나 Bis-GMA는 다른 아크릴 단량체들에 비해 분자량이 크고 점도가 매우 높기 때문에 미세부위로의 침투가 어렵고 복합레진 제조 시 충진재의 분산효율이 저하된다는 단점이 있다. 따라서 이러한 단점을 개선하기 위해 Bis-GMA보다 분자량이 작고 점도가 낮은 dimethacrylate 계단량체를 희석제로 사용해야한다[28]. 대표적인 희석제로 triethyleneglycol dimethacrylate (TEGDMA)이 있으며, 희석제의 첨가는 전체 분자의 평균분자량을 감소시키고 이중결합의 수를 늘려, 물리적 성질을 저하시키고 중합 수축률을 증가시키는 역효과를 나타내게 되었다[29]. 본 연구에 사용된 국산 복합레진의 대부분은 Bis-GMA와 TEGDMA를 단량체로 사용하 였다. Bis-GMA의 hydroxyl기를 polyoxyethylene으로 치환한 bisphenol A polyethylene glycol dietherdimethacrylate (Bis-EMA)는 점도가 낮고, 희석제의 사용으로 인한 높은 중합 수축률을 개선할 수 있다는 장점을 가진 단량체이다[30]. 또한 urethane dimethacrylate (UDMA)도 마찬가지로 Bis-GMA 의 hydroxyl기보다 수소결합이 낮은 이미노기(NH)를 가져 낮은 점도를 갖는 단량체이다[30]. 본 연구에서 수축응력은 Filtek Z-250™이 가장 낮은 값을 보였다(p<0.05). 국산복합레진 중에는 ESCom100^®이 가장 낮은 수축응력을 보였는데 이들 모두 레진기질구성성분으로 TEGDMA를 포함하지 않고 Bis-GMA, UDMA, Bis-EMA 등의 조합으로 기질을 구성하였다는 점에서 공통점을 갖는다. 이러한 단량체의 조합으로 중합수축률의 감소를 이룰 수 있었고 이것이 곧 수축응력의 감소로 이어진 것으로 생각된다.

복합레진을 평가하는 데 있어서 수축응력과 함께 또 다른 중요한 평가 요소로 전단결합강도가 있다[31-33]. 본 연구의 전단결합강도에 대한 평가에서 Filtek Z-250™은 복합레진 중 가장 높은 결합강도를 보였고 국산 복합레진 중 Hanfil^®, Charmfil^®Plus, ESCom 100^®은 10에서 11MPa로 Filtek Z-250™과 유사한 결합강도를 보였으며 이에 반해 다른 국산 복합 레진들의 경우는 3–7Mpa의 결합강도로 Filtek Z-250™과 차이가 있었다(p<0.05). 복합레진의 물리적 특성은 필러의 종류 및 함량, 필러의 크기, 형태, 단량체 내 필러의 분포 등 여러 요인에 의해 영향을 받는다[34]. 필러에 따른 차이를 살펴보았을 때 필러 입자의 크기에 따라 분류해보면 Filtek Z-250™은 Micro hybrid type으로 국산 복합 레진 중 Any-Com™, Denfil™, Zircos-Com^®이 같은 유형을 보였다. 이 외의 다른 국산 복합레진은 Nano hybrid type을 보였다. 국산 복합레진의 필러 함량은 거의 70% 이상으로 유사했고 필러의 유형이나 함량에 따른 전단결합강도나 수축응력의 차이는 나타나지 않았다. 반면 오히려 필러 함량이 가장 작은 Filtek Z-250™이 가장 높은 전단 결합강도를 나타냈다. 이는 Filtek Z-250™과 국산 복합레진들의 필러 종류의 차이에서 생각해볼 수 있다. 국산 복합레진들이 보통 Barium glss를 filler로 사용한 데 반해 Filtek Z-250™은 Zirconia silica filler를 사용하는 차이에서 생각할 수 있다[35]. Zirconia silica filler는 구형의 모양으로 이는 sol-gel technology를 통해 합성되어 균일한 크기 분포를 가져 높은 농도로 분산될 수 있어 기질과의 결합력이 더 커지게 된다. 또한 구형의 모양이 윤활작용을 해 자유롭게 흐를 수 있도록 하고 점도는 낮아져 내부 응력이 작아진다. 반면에 barium glass는 결정화를 통해 합성된 무정형의 filler로 다양한 크기를 보이며 무정형의 형태로 인해 흐름이 막히게 되고 기질 내로 자유롭게 분산되기 어렵다. 또한 점도도 커져 내부 응력이 커지게 된다[36].

또 고려해볼 수 있는 것은 실란계 결합제(coupling agent)이다. 필러는 소수성 레진과의 결합력을 증진시키기 위하여 보통 실란계 결합제를 사용하여 충진제의 표면을 소수성으로 개질하여 사용한다[14]. 실란계 결합제 비율의 증가는 레진 기질과 필러의 결합을 증진시켜 전단결합강도의 증가를 야기한다[14]. 그러나 각 제조사에서는 필러 내 실란계 결합제의 비율 등 자세한 함량은 공개하지 않아 이의 영향에 대한 평가는 어려우며 따라서 이에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 생각된다.

국산레진들의 가격경쟁력을 알아보기 위해 대조군인 Filtek Z-250™의 소비자가격을 100%으로 생각했을 때 국산 레진들의 비용을 %로 나타내어 보았다(Table 5, Fig. 6). Transcen^®이 28%로 가장 저렴했고 Zircos-Com^®이 66%로 국산 레진 중 가장 비용이 높았다. 대부분의 국산 복합레진들은 Filtek Z-250™ 에 비해 50% 이하의 비용을 가져 우수한 가격 경쟁력을 지님을 확인할 수 있었다.

Fig. 6.

Cost Percentage of various composite resins compared to Filtek Z-250™.

이번 실험에서 접착제로는 대조군인 Filtek Z-250™과 동일한 제조사인 3M ESPE의 Adper™ Single Bond 2가 사용되었다. 이는 실험을 진행한 9개의 국산 레진 제조업체 중 상아질 접착 제까지 함께 제조하는 경우는 4곳으로 동일 제조사의 접착제와 레진을 사용할 수 있는 실험은 어려웠고, 이에 다른 변수에 대해 통제하기 위해 공통된 접착제를 사용하였다(Table 6). Jeong [37]은 상아질 접착제와 복합 레진의 호환성에 관한 연구에서 상아질 접착제와 복합레진의 사용에 있어 동일한 제조사의 제품을 사용하는 것이 전단 결합강도에 영향을 미치는 결정적인 요소는 아니라고 하였다. 이런 연구를 기반으로 동일한 상아질 접착제를 이용하여 본 연구가 진행되었으나 상아질 접착제 자체가 전단결합 강도 및 수축응력에도 영향을 미칠 수 있으므로 단일 상아질 접착제를 사용한 것은 본 연구의 한계로 존재한다. 앞으로 각 제조업체의 상아질접착제와 복합레진을 이용한 추가 연구가 시행되면 좋을 것으로 생각된다. 또한 전단결합강도 및 수축응력의 평가 이외에 국산 복합레진의 생체적합성 및 세포 독성 등에 대한 연구도 추가로 필요할 것으로 생각된다.

이번 연구를 통해 국산 레진이 가격 경쟁력을 지니고 있으며 일부 물성이 외산에 근접해있다는 것을 확인할 수 있었지만 국산 레진의 상용화 및 발전을 위해서는 레진의 물성에 대한 더 많은 개발이 있어야 할 것으로 생각된다.

The authors declare that they have no competing interests.