치과생체재료학: 구강환경과 재료의 상호작용

치과생체재료학

• 치과에서 사용되는 재료의 조성, 성질, 환경과의 상호 반응 연구 학문임.

치아의 특성

• 인체에서 가장 단단한 조직.
• 재생 불능 조직.
• 기계적 기능 수행.

구강의 특성

• 온도 변화가 큼.
• 산도 변화가 큼.
• 저작 등의 기계적 작용이 일어남.
• 항상 타액에 젖어 있는 습윤 환경임.

표준규격

• 유사한 사항에 대해 공통 적용할 수 있도록 단체, 국가, 세계적으로 설정된 기준 및 시험방법임.

물리화학적 성질

• 치과용 인상재의 젖음성을 높이기 위해 계면활성제를 첨가함.
• 물질의 상(phase)는 온도와 압력에 따라 결정됨 (Gibb's phase rule).

결정질

• 금속, 결정성 세라믹 등이 해당됨.
• Bravais 격자 구조 (BCC, FCC, HCP)를 가짐.

비결정질

• 비정형 고분자, 유리가 해당됨.

흡착 (Adsorption)

• 다른 상(phase)의 물질이 접촉 시 계면에서 원자 또는 분자 단위 결합이 일어나는 현상.
• 특히 고체 표면 위에 액체가 접촉할 때 젖음(wetting)이라고 함.

액체의 표면

• 액체에서 표면 분자 간 인력에 의해 표면 장력이 발생.
• 표면 장력의 단위는 단위 면적당 에너지(J/cm²) 또는 단위 길이당 장력(dyne/cm)임.

계면활성제

• 액체-기체 계면에 집중 배열되어 액체의 표면 장력을 감소시키는 물질 (표면을 납작하게 만듦).
• 치과용 인상재에 사용됨.

접촉각

• 고체 위에 위치한 액체가 고체와 접촉하는 부위에서 형성되는 각도.
• 접촉각이 클수록 액체가 동글동글해지고 표면 에너지가 큼.

모세관 현상

• 액체가 자발적으로 모세관 내부에 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.

계면에서의 접착력

• 화학적 결합 (본드의 화학적 성질).
• 기계적 결합 (울퉁불퉁한 면이 맞물리는 것).

효과적인 접착을 위한 조건

• 액상 접착제와 피착체 간 완전한 접촉면 형성.
• 피착제 표면에서 접착제의 흐름성이 좋아야 함.
• 피착제의 표면 처리 (거칠게 만들기).

접착의 파괴 현상

• 접착 파괴 (Adhesive failure): 치아와 본드가 깔끔하게 떨어짐.
• 응집 파괴 (Cohesive failure): 본드 자체가 약함.
• 혼합 파괴 (Mixed failure): 접착 및 응집 파괴가 모두 발생.

표면 장력과 액체의 형태

• 표면 장력이 클수록 고체 표면의 액체는 둥근 형태, 표면 장력이 작을수록 납작한 형태를 띔.

비열 (C)

• 물질 1g의 온도를 1°C 올리는 데 필요한 열량.

열전도율 (K)

• 물질이 단위 온도 차이 하에서 단위 면적을 통해 단위 시간 동안 전달하는 열량과 그 거리.

수복물 및 열적 성질

• 수복물의 열전도율과 열팽창 계수는 법랑질, 상아질과 유사해야 함.

선열팽창계수 (α)

• 물질의 온도가 1°C 상승 시 단위 길이당 길이 변화율.

치과 재료에서의 열적 성질 중요성

• 금속 수복물은 치아보다 열전도율이 높아 열충격 유발 가능.
• 열전도율 낮은 재료로 베이스 층 형성.
• 고분자 의치상 재료는 낮은 열전도율로 음식물 온도 전달을 차단.

열팽창계수 중요성

• 수복물과 치질 간 열팽창계수 차이 고려.
• 금속-세라믹 간 열팽창계수 차이 고려.

콜로이드

• 두 개 이상의 상(phase)으로 이루어진 물질에서 한 상이 원자 또는 저분자보다 큰 입자 상태로 분산되어 있는 것.

치과에서의 콜로이드

• 인상재, 복합레진 내 무기 필러 등이 해당됨.

색의 3요소

• 색상(hue), 명도(value), 채도(chroma).

색의 측정

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

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

• 서로 다른 광원 하에서 물체의 색 일치도가 달라지는 현상.
• 치과나 기공실의 조명이 동일해야 함.

형광

• 심미 치과 재료에 형광 물질을 함유하여 자연치와 유사하게 만듦.

용해

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

흡수

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

부식

• 금속 재료가 사용 환경 내 물질과 반응하여 금속 이온 또는 비금속 화합물이 되어 손상되는 현상.

전기화학적 전지

• 양극(산화, 반응성 높은 금속).
• 음극(환원, 반응성 낮은 금속).
• 전해질 필요.

갈바닉 부식

• 전위차와 전해질이 필수 조건.

치과용 금속의 부식

• 갈바닉 부식: 다상(multi-phase) 구조에서 다른 상(phase) 간 부식 전지 형성 (아말감).
• 임계 부식: 응고 과정에서 결정 입계와 중심 간 차이에 의한 부식 전지 형성.
• 응력 부식: 응력 받는 부위가 양극으로 작용하여 부식 전지 형성.
• 틈 부식: 틈이나 기공 부위와 표면 간 산소 농도 차이에 의한 부식 전지 형성.

재료의 기계적 성질

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

단위 Prefix

• Mega (M, 106), Kilo (k, 103), Nano (n, 10-9), Micro (μ, 10-6), Milli (m, 10-3), Centi (c, 10-2).

힘과 변형의 관계

• 물체에 힘이 가해지면 변형 발생.
• 탄성 변형: 스프링처럼 원상 복귀됨.
• 소성 변형: 원상 복귀 불가.

응력

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

변형률

• 외력에 의해 물체가 변형된 비율.
• 단위: 없음(%).

포아송 비

• 소성 변형 시 축 방향 변형률에 대한 수직 방향 변형률의 비.

인장 시험 관련 용어

• 비례 한계(P): 응력과 변형률이 비례하는 한계.
• 탄성 한계(E): 물체가 탄성 변형을 보이는 최대 응력.
• 항복 강도(Y): 영구 변형(소성 변형)이 시작되는 응력.
• 최대 강도(U): 재료가 견딜 수 있는 최대 응력.
• 파절 강도(X): 재료가 파괴되는 시점의 응력.
• 탄성 에너지율: 탄성 영역 하방 면적, 재료가 탄성 변형 동안 저장할 수 있는 에너지.
• 인성: 전체 하방 면적, 재료가 파괴될 때까지 흡수할 수 있는 에너지.

연신율

• 재료가 파괴될 때까지 늘어난 길이를 원래 길이로 나눈 값.
• 값이 클수록 연성 및 전성이 우수하고 포아송 비가 큼.

인성 (Toughness)

• 재료가 파괴될 때까지 필요한 단위 체적당 에너지율.

탄성 계수

• 탄성 범위 내에서 재료의 강성(stiffness).
• 응력-변형률 곡선에서 직선부의 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

• 외팔보 굽힘, 3점 굽힘, 4점 굽힘, 이축 굽힘 시험 등이 있음.

재료의 기계적 성질 2

• 결합 강도 (σ=P/A): 두 재료를 붙였을 때 일정 힘(P)에서 떨어지면 결합 강도 계산 가능.

피로

• 파괴 강도 이하의 응력에 반복 노출 시 파괴되는 현상.

크리프

• 항복 강도 이하의 응력에서 장시간/반복적으로 영구 변형되는 현상 (금속 재료에서 나타남).

흐름

• 고분자 재료에서 크리프와 유사하게 나타나는 현상.

경도

• 물체 표면의 단단한 정도.
• 압입 경도 시험: 재료 표면에 흠집을 내어 경도를 측정하는 방법(비커스, 로크웰, 브리넬, 누우프).
• 반발 경도 시험: 쇼어 경도 시험.

점성(η)

• 유체의 흐름에 대한 저항력.

점성체의 종류

• Pseudoplastic: 빨리 저을수록 점성이 감소함.
• Thixotropic: 시간이 지날수록 유동성이 증가함.

점탄성

• 유체와 탄성체의 성질을 모두 갖는 혼합상 (대부분의 물질이 해당).
• Dash pot 및 Spring model로 설명 가능.

Maxwell model (직렬)

• 점탄성 거동을 설명하는 모델 중 하나.

Voight model (병렬)

• 점탄성 거동을 설명하는 또 다른 모델.

생체 적합성 (Biocompatibility)

• 재료가 생체 환경과 조화롭게 공존할 수 있는 성질.

생체 재료의 분류에 따른 용어

• 생체 활성 (bioactive), 생흡수성 (bioresorbable), 생체 비활성 (bioinert).

생체 적합성 시험의 분류 (전임상 시험)

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

접촉 방법

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

접촉 기간

• 24시간 이하, 24시간~30일, 30일 초과로 분류.

세포 독성 시험

• 실험실에서 세포를 이용하여 재료의 안전성을 평가하는 시험.

사용하는 세포 종류

• 일차 배양 세포 (Primary cells): 개체에서 직접 채취, 적용 부위와 동일 세포 사용.
• 확립 세포주 (Cell lines): 1차 배양 세포의 변형 세포주, 세포 독성 시험에 주로 사용.

효소 활성 평가

• 환원 반응 물질(MTT, XTT, WST-1)을 이용하여 세포 생존 여부 확인.

간접법

• 한천 중층 시험법(Agar diffusion test).

제2군 시험

• 자극성 시험: 구강 점막 자극 시험 (햄스터 pouch).
• 감작성 시험(Sensitization Test): 기니피그 이용, LLNA (마우스 림프절 분석).
• 유전 독성 시험: 박테리아 이용 (Ames test).

제3군 시험

• 적용 시험: 동물에 적용하여 안전성 및 유효성 평가.
• 치수/상아질 적용 시험, 치수 복조 시험, 근관 적용 시험.

시험 간 관계

• 1군 시험에서 독성이 높으면 2군에서도 독성을 보일 가능성이 높음.
• 그러나 반드시 그런 것은 아님.
• 1군 시험은 스크리닝 테스트로서의 가치가 있음.

금속 재료의 생체 적합성

• 아말감: 수은의 위해성 논란, 종사자 위험 관리 중요.
• 베릴륨: 비귀금속 물성 개선, 가공 시 분진에 의해 발암 위험.

레진 재료의 생체 적합성

• 레진 단량체: 심한 독성, 활성산소종 증가.
• 레진 중합체: 생체 비활성.

레진계 생체 재료와 환경 호르몬

• Bisphenol A: 남성 생식 능력 저하, 치과용 레진에서 분리되어 유출 정도는 논란 있음.

가소제

• Phthalate계 가소제의 독성 문제로 국내 사용 금지.

치아 미백제의 생물학적 안전성

• 과산화수소 독성: 고농도(>35%)에서 국소 조직 손상 및 섭취 시 치명적 결과 초래.
• 치아 미백제의 국소 부작용: 치아 과민성.