치과생체재료학: 정의, 특징, 요구 성질

치과생체재료학 정의

• 치과에서 사용되는 재료의 조성, 성질, 사용 환경과의 상호 반응을 연구하는 학문

치아와 구강의 특성

• 치아: 인체에서 가장 단단한 조직이며 재생이 불가능하고 기계적 기능을 수행
• 구강: 심한 온도 및 산도 변화, 저작 작용, 습윤 환경 등의 특징을 지님

치과재료 요구 성질

• 구강 환경의 특성을 고려하여 개발되어야 함

표준규격

• 유사한 종류의 사항에 대해 단체, 국가, 세계적으로 공통 적용될 수 있도록 설정된 기준 및 시험방법

물리화학적 성질

• 치과용 인상재의 젖음성을 높이기 위해 계면활성제가 첨가됨

물질의 상(Phase)

• Gibbs의 상 규칙에 따라 온도와 압력에 의해 결정됨

결정질

• 금속, 결정성 세라믹 등이 해당되며, bravis 격자 구조(BCC, FCC, HCP)를 가짐

비결정질

• 비정형 고분자, 유리 등이 해당됨

흡착 (Adsorption)

• 서로 다른 상의 물질이 접촉 시 계면에서 원자 또는 분자 단위의 결합이 일어나는 현상
• 고체 표면 위에 액체가 접촉하는 경우, 젖음(wetting)이라고 부름

액체의 표면

• 표면 장력: 액체에서 표면 분자 간 인력으로 발생
• 표면 장력 단위: 단위 면적당 에너지(J/cm²) 또는 단위 길이당 장력(dyne/cm)

계면활성제

• 액체-기체 계면에 집중 배열되어 액체 표면 장력을 감소시키는 물질
• 치과용 인상재에 사용됨

접촉각

• 고체 표면의 액체가 고체와 접촉하는 각도
• 접촉각이 클수록 액체가 동글동글해지고 표면 에너지가 큼

모세관 현상

• 액체가 자발적으로 모세관 내부로 침투하는 현상
• 액체의 젖음성과 표면 장력에 의해 발생

접착 (Adhesion)

• 두 가지 이상의 재료가 표면에서 원자 또는 분자간 결합을 통해 일체화되는 과정

피착재 (Adherend)

• 접착 시 접착제에 의해 접착되는 동종 또는 이종의 고체

계면에서 접착력

• 화학적 결합(본드의 화학적 성질) 또는 기계적 결합(울퉁불퉁한 표면에서의 맞물림)을 통해 발생

효과적인 접착

• 액상 접착제와 피착체 간 완전한 접착면 형성 필요
• 피착제 표면에서 접착제의 흐름성이 좋아야 함
• 피착제의 표면 처리가 중요 (울퉁불퉁하게 만들기)

접착 파괴 현상

• 접착 파괴 (Adhesive failure): 치아와 본드가 깔끔하게 떨어짐
• 응집 파괴 (Cohesive failure): 본드가 약함
• 혼합 파괴 (Mixed failure): 접착 파괴와 응집 파괴가 혼합되어 나타남

고체 표면과 액체의 관계

• 표면 장력이 클수록 고체 표면에 액체가 납작하게 퍼지고, 표면 장력이 작을수록 액체가 둥글게 뭉침

비열(C)

• 물질 1g의 온도를 1°C 올리는 데 필요한 열량

열전도율(K)

• 단위 온도 차이에서 단위 면적을 통해 단위 시간 동안 전달되는 열량

치과 재료의 열적 성질 중요성

• 수복물과 치질은 법랑질 및 상아질과 유사한 열전도율과 열팽창계수를 가져야 함
• 금속 수복물은 열충격 유발 가능성이 높아 열전도율이 낮은 재료로 베이스 층 형성 필요
• 고분자 의치상 재료는 열전도율이 낮아 음식물의 온도 전달을 차단

선열팽창계수(α)

• 물질 온도가 1°C 상승할 때 단위 길이당 길이 변화율

콜로이드

• 두 개 이상의 상으로 이루어진 물질에서 적어도 한 상이 원자나 저분자보다 큰 입자 상태로 분산된 것

치과에서의 콜로이드

• 인상재, 복합레진 내 무기 필러, 콜로이드 인상재 등으로 활용

색의 3요소

• 색상(hue), 명도(value), 채도(chroma)

색의 측정

• 가시적 측정법: Munsell 표색계
• 장비 측정법: 분광광도계, 색도계

광원

• CIE(Commission Internationale de l'Eclairage)에서 표준 광원 규정

색 일치의 조건

• 광원, 크기 효과, 배경 효과, 방향, 관찰자 훈련 등이 중요

조건등색 (Metamerism)

• 서로 다른 광원 아래에서 물체의 색 일치도가 달라 보이는 현상
• 치과나 기공실 조명이 동일해야 함

형광

• 심미치과 재료에 형광 물질 첨가 (자연치도 형광성 있음)

용해

• 재료 구성 성분 일부가 타액 또는 체액에 의해 녹아 용출되어 무게가 감소하는 현상

흡수

• 고체나 액체 표면에 흡착된 물질이 확산과 삼투에 의해 내부로 빨려 들어가는 현상

부식

• 금속 재료가 사용 환경 속 물질과 반응하여 금속 이온 또는 비금속 화합물이 되어 손모되는 현상

전기화학적 전지

• 양극(산화, 반응성 높음 금속), 음극(환원, 반응성 낮은 금속), 전해질로 구성

갈바닉 부식

• 필수 조건: 전위차와 전해질

치과용 금속의 부식

• 갈바닉 부식: 다상 구조 금속에서 서로 다른 상 간의 부식 전지 형성
• 임계 부식: 응고 과정에서 형성된 결정 입계와 중심 간 차이에 의한 부식 전지 형성
• 응력 부식: 응력 받은 부위가 양극으로 작용하여 부식 전지 형성
• 틈 부식: 틈이나 기공 부위와 표면 간 산소 농도 차이에 의한 부식 전지 형성

재료의 기계적 성질

• 7개 기본 단위: 길이(m), 질량(kg), 시간(s), 전류(A), 온도(K), 몰질량(mol), 광도(cd)

단위 Prefix

• Mega (M, 10^6), Kilo (k, 10^3), Nano (n, 10^-9), Micro (μ, 10^-6), Milli (m, 10^-3), Centi (c, 10^-2)

힘과 변형 관계

• 물체에 가해진 힘에 따라 물체는 변형됨
• 탄성 변형: 힘이 제거되면 원래 형태로 복귀 (스프링)
• 소성 변형: 힘이 제거되어도 원래 형태로 복귀 안 됨

응력

• 외력에 대한 물체 내부의 단위 면적당 저항력
• 외력과 크기는 같고 방향은 반대
• 기본 단위: Pa(N/m²), MPa(N/mm²)

변형률

• 외력에 의해 물체가 변형된 비율 (단위 없음)

포아송비

• 소성 변형 시, 축 방향 변형률에 대한 수직 방향 변형률의 비

인장 시험

• 재료의 인장 강도, 탄성 계수 등을 측정하는 시험

연신율

• 재료가 파괴될 때까지 늘어난 길이를 원래 길이로 나눈 값
• 연신율이 클수록 연성과 전성이 우수하고 포아송 값이 큼

인성(Toughness)

• 재료가 파괴될 때까지 필요한 단위 체적당 에너지율

탄성계수

• 탄성 범위 내에서 재료가 갖는 강성(stiffness) 정도
• 응력-변형률 곡선에서 직선부 기울기

연성(Ductility)

• 인장력 하에서 재료가 파괴되지 않고 영구 변형될 수 있는 정도

전성(Malleability)

• 압축력 하에서 재료가 파괴되지 않고 영구 변형될 수 있는 정도

굽힘 시험

• 재료의 굽힘 강도, 탄성 계수 등을 측정하는 시험
• 외팔보 굽힘시험, 3점 굽힘시험, 4점 굽힘시험, 이축 굽힘시험 등이 있음

결합강도

• 접착제로 붙인 두 재료가 떨어질 때 필요한 힘을 면적으로 나눈 값

피로

• 파괴 강도 이하의 응력에 장시간 또는 반복적으로 노출될 때 일어나는 파괴
• 스트레스 축적과 관련
• 치과 보철물이나 치과 임플란트의 파괴 원인이 될 수 있음

크리프

• 항복 강도 이하의 응력에서 장시간 또는 반복적으로 노출될 때 일어나는 영구 변형
• 주로 금속 재료에서 나타남

흐름

• 고분자 재료에서 나타나는 크리프와 유사한 현상

경도

• 물체 표면의 단단한 정도

압입 경도 시험

• 흠집을 내서 흠집 크기를 측정하는 방식 (비커스, 로크웰, 브리넬, 누우프)

반발 경도 시험

• 쇼어 경도 시험 (탄성체)

점성(η)

• 유체의 흐름에 대한 저항력

점성체의 종류

• Pseudoplastic: 빨리 저을수록 점성 감소
• Thixotropic(요변성): 시간이 지날수록 유동성이 증가

점탄성

• 유체와 탄성체의 성질을 모두 갖는 상태 (대부분 물질이 해당)
• Dash pot와 Spring model로 설명

Maxwell & Voight 모델

• 재료의 점탄성을 설명하는 모델, 실제 점탄성체는 직렬과 병렬 모델의 혼합

생체적합성 (Biocompatibility)

• 생체 재료가 생체 내에서 적절한 반응을 유도하는 능력

생체 재료 분류

• 생체 활성 (bioactive), 생체 흡수성 (bioresorbable), 생체 비활성 (bioinert)

생체적합성 시험 분류 (전임상 시험)

• 제1군: 세포 독성 평가
• 제2군: 반응 영역별 안전성 시험 평가 (피부, 알레르기, 유전자 등)
• 제3군: 적용 시험 평가 (임상 사용 시 평가, 동물 실험)

접촉 방법

• 표면 접촉 (거즈, 인상재), 외부 연결 (링거액, 수복물), 이식 (스텐트, 임플란트 나사)

접촉 기간

• 24시간 이하, 24시간~30일, 30일 초과 등으로 분류

세포독성 시험

• 실험실에서 세포 이용, 물질 안전성 평가

세포독성 시험의 장점

• 경제성, 빠른 시간, 윤리적, 생명체 초기 반응 유사, 표준화, 정량적 결과, 민감성

세포독성 시험의 단점

• 단일 세포종에만 적용 가능, 개체 시스템 기능 반영 불가

사용 세포 종류

• 일차 배양 세포 (Primary cells): 개체에서 직접 채취, 적용 부위와 같은 세포 사용
  • 적용 부위의 세포를 이용하므로 현실성이 있음
  • 배양하기 어려움
  • 개체에 따른 차이로 인해 세포의 차이가 있음
• 확립 세포주 (Cell lines): 1차 배양 세포의 변형 세포주 (세포독성 시험에 주로 사용)
  • 배양의 계속성이나 개체에 따른 차이를 배제할 수 있음
  • 취득이 용이함
  • 타 기관과 비교 평가 가능

효소 활성 평가

• 환원 반응 물질 (MTT, XTT, WST-1) 사용, 세포 생존 정도 확인

간접법

• 한천 중층 시험법 (Agar diffusion test) 주로 사용, 시험 물질을 세포에 간접 접촉

제2군 시험

• 자극성 시험: 구강 점막 자극 시험 (햄스터 볼 주머니에 적용)
• 감작성 시험 (Sensitization test): 기니픽 이용 극대화, 마우스 이용 LLNA 대체
• 유전 독성 시험: AMES test (에임즈 실험), 유일하게 박테리아로 하는 시험

제3군 시험

• 적용 시험: 실험 동물에 적용, 안전성과 유효성 평가
• 종류: 치수 및 상아질 적용 시험, 치수 복조 시험(치수 노출 상태), 근관 적용 시험

제1,2,3군 시험 관계

• 제1군 시험 독성은 제2군 시험에도 나타날 가능성 높음 (반드시 그런 것은 아님)
• 제1군 시험은 스크리닝 테스트 가치 有

금속 재료의 생체 적합성

• 아말감: 수은 위해성 논란, 종사자 위험 관리 중요, 미나마타 수은 협약(2013.10.11.)
• 베릴륨: 비귀금속 물성 개선 위해 소량 첨가 (과거), 가공 시 분진에 의한 발암성
  • 환자보다는 종사자들의 위험 관리 (Berylliosis-발암물질)
  • 현재 국내에서는 베릴륨 함유 합금 사용 금지

레진계 재료의 생체 적합성

• 레진 단량체: 심한 독성, 글루타티온 감소, 세포 내 활성 산소종 증가,
• 레진 중합체: 생체 비활성

환경 호르몬

• Bisphenol A: 남성 생식 능력 저하, 치과용 레진 분리 유출 정도는 논란 중

가소제

• 플라스틱을 더 유연하게 만드는 물질, phthalate 계 가소제 독성 有, 국내 사용 금지

치아 미백제 안전성

• 과산화수소 독성: 고농도(>35%)는 국소 조직 손상, 섭취 시 치명적
• 치아 미백제 국소 부작용: 치아 과민성