산완충용액의 ph 및유산의농도가인공치근우식의형성에미치는영향 산완충용액의 ph 및유산의농도가인공치근우식의형성에미치는영향 오현석 노병덕 이찬영 * 연세대학교치과대학치과보존학교실 ABSTRACT THE INFLUENCE OF ph AND LACTIC ACID CONCENTR

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1 오현석 노병덕 이찬영 * 연세대학교치과대학치과보존학교실 ABSTRACT THE INFLUENCE OF ph AND LACTIC ACID CONCENTRATION ON THE FORMATION OF ARTIFICIAL ROOT CARIES IN ACID BUFFER SOLUTION Hyun-Suk Oh, Byoung-Duck Roh, Chan-Young Lee* Department of Conservative Dentistry, College of Dentistry, Yonsei University The purpose of this study is to compare and to evaluate the effect of ph and lactic acid concentration on the progression of artificial root caries lesion using polarizing microscope, and to evaluate the morphological changes of hydroxyapatite crystals of the demineralized area and to investigate the process of demineralization using scanning electron microscope. Artificial root caries lesion was created by dividing specimens into 3 ph groups (ph 4.3, 5.0, 5.5), and each ph group was divided into 3 lactic acid concentration groups (25 mm, 50 mm, 100 mm). Each group was immersed in acid buffer solution for 5 days and examined. The results were as follows: 1. Under polarized microscope, the depth of lesion was more effected by the lactic acid concentration rather than the ph. 2. Under scanning electron microscope, dissolution of hydroxyapatite crystals were increased as the lactic acid concentration increased and the ph decreased. 3. Demineralized hydroxyapatite crystals showed peripheral dissolution and decreased size and number within cluster of hydroxyapatite crystals and widening of intercluster and intercrystal spaces as the ph decreased and the lactic acid concentration increased. 4. Under scanning electron microscope evaluation of the surface zone, clusters of hydroxyapatite crystals were dissolved, and dissolution and reattachment of crystals on the surface of collagen fibrils were observed as the lactic acid concentration increased. 5. Under scanning electron microscope, demineralization of dentin occurred not only independently but also with remineralization simultaneously. In conclusion, the study showed that ph and lactic acid concentration influenced the rate of progression of the lesion in artificial root caries. Demineralization process was progressed from the surface of the cluster of hydroxyapatite crystals and the morphology of hydroxyapatite crystals changed from round or elliptical shape into irregular shape as time elapsed. [J Kor Acad Cons Dent 32(1):47-60, 2007] Key words: Root caries, Acid buffer solution, ph, Lactic acid concentration, Demineralization, Hydroxyapatite, Scanning electron microscope * Corresponding Author: Chan-Young Lee Department of Conservative Dentistry, College of Dentistry, Yonsei University 134 Shinchon-Dong, Seodaemun-Ku, Seoul, Korea, Tel: Fax: chanyoungl@yumc.yonsei.ac.kr - Received , revised , accepted

2 대한치과보존학회지 : Vol. 32, No. 1, 2007 Ⅰ. 서론 치아우식증은선진국에반해우리나라에서발생빈도가오히려증가추세에있는만성구강경조직질환으로이를예방하기위한많은연구가진행되어왔지만아직도소아및성인치과질환의대부분을차지하고있다. 일반적으로치아우식증은유소년기에호발하지만, 사회경제적발전과인구의고령화로인해치은이퇴축되고치조골이소실되며치근이노출되면서치근우식증이증가추세에있다. 치근우식증은치근표면이구강환경에노출되어야만나타나는질환으로 Darby 등 1) 에의해이미 1884 년에치근우식증이치관부우식증과독립된질병으로보고되기시작하였으나치근우식증에관심을갖기시작한것은최근의일이다. 치근우식증은복합적인요인에의해발생되는질환으로다음과같은요소에의해영향을미칠것으로보인다. 첫째, 많은사람들이치아를더오래보존할수있게되었고, 둘째, 인구의고령화가지속되고있으며, 셋째, 고령에따른식습관, 구강내치태세균, 구강건조증에의한타액분비의감소등이치근우식증발생을증가시키게되었다. Katz 등 2,3) 은 30 대에서는 100 개치아중 1 개정도가치은퇴축및치근우식증이나타나고 60 대초반에는 5 개중 1 개, 72 세에는 52% 정도가치근우식증을나타낸다고보고하였고그중에서하악구치에서가장많이나타났고하악전치에서가장적게나타났다고보고하였다. 또한 Beck 등 4) 은 60 세까지의인구중 1/3 이치근우식을경험하였다고보고하였다. 치근우식증은치관우식증과는여러측면에서다른양상을나타내고있다. 가장중요한차이로는영향받는조직의구조가다르다는점이다. 법랑질은상아질및백악질에비해무기질의함량이높다. 낮은무기질함량및높은백악질 - 상아질복합체의유기질함량때문에치근우식은산에의한탈회및유기질의 proteolytic breakdown 에의해진행될수있다. 이와같은구조적차이로인하여병소형성시간, 조직학적형태, 재광화의가능성및시간의차이를나타내고있다. 이처럼치근면은독특한구조와화학적조성때문에법랑질에비해기계적, 화학적손상에대해더취약하기때문에최근들어치근우식증에대한관심이점차증가하기시작하였다. 치아의무기질은주로수산화인회석 (hydroxyapatite) 결정으로이루어져있는데우식이발생할경우이입자의변화가나타나게된다. Tohda 등 5) 은투과전자현미경을이용한연구에서진행된법랑질우식에서예상과는달리수산화인회석결정의중심부가용해되는양상이명확하게나타나지않았고백악질과상아질에서는거의나타나지않았다고보고하였다. 그러나 Hayashi 등 6) 은고해상도투과전자현 미경을이용한연구에서우식발생시입자의변연부가소실되고동시에수산화인회석입자의중앙에서용해가일어나중앙부천공이일어나게된다고주장하였다. Holmen 등 7) 은인공우식병소의초기에수산화인회석결정에부분적인용해가일어나고그결과입자사이의공간이증가하며이공간을통해무기질이온이이동할수있다고보고하였다. 이처럼여러저자들에의해치근우식증에대한정의및분류방법들이제시되었지만병소깊이, 상아질탈회의정도및양상, 콜라겐섬유의파괴정도및수산화인회석결정변화에대한조직학적연구가미비한실정이다. 이에저자는산완충용액의 ph 와유산의농도가치근상아질우식의진행에미치는영향을편광현미경으로관찰하고관찰된우식병소층의수산화인회석결정형태변화를주사전자현미경으로관찰하여탈회과정을살펴보고자한다. 1. 실험재료및시편제작 Ⅱ. 실험방법 교정목적으로발치한지 30 일이내의소구치를선택하여치근에부착된치주조직과백악질을 periodontal curette 으로제거하고불소가포함되지않은 pumice 로치근면을연마한후초음파세척기에서 10 분간세정하고다시증류수로세척, 건조하였다. 1) 편광현미경관찰을위한시편제작건조된치아는 5cc 주사기를이용하여높이 2 cm, 직경 1 cm 의원통을만들고치과용아크릴레진을이용하여치관부위만매몰하고경화후 low speed diamond wheel saw(minitom, Struers, Denmark) 를이용하여치아장축에수직되게 μm의절편을만든다음 #800 사포를이용하여 150 μm두께로연마하였다. 연마된시편은입체현미경 (OSM-1, 동원정밀, 한국 ) 하에서협설면이나근원심쪽의손상이나균열이없는부위중 3 mm정도의 window 를제외한나머지부위는내산성의 nail varnish 를도포하고연마된면에는탈회완충용액과의접촉을차단하기위하여 bonding agent (Scotchbond TM Multi-purpose, 3M Dental Products, U.S.A.) 를도포한후질소가스하에서광중합기를이용하여중합하였다. 2) 주사전자현미경관찰을위한시편제작편광현미경관찰을위한시편제작후남은치근가운데협설측부위에손상이나균열이없는가로 5 mm, 세로 10 mm정도의 window 를형성하고나머지부위는내산성의 nail varnish 를도포하였다. 48

3 Table 1. The composition of initial demineralization solution of group ph 4.3 ph Lactic acid (mm) Ca 2+ (mm) PO4 3- (mm) Sodium azide (mm) Degree of saturation Table 2. The composition of initial demineralization solution of group ph 5.0 ph Lactic acid (mm) Ca 2+ (mm) PO4 3- (mm) Sodium azide (mm) Degree of saturation Table 3. The composition of initial demineralization solution of group ph 5.5 ph Lactic acid (mm) Ca 2+ (mm) PO4 3- (mm) Sodium azide (mm) Degree of saturation Stock 용액의제조 30% 유산용액 (Sigma Co., 분자량 90.08, 밀도 1.080) 을이용하여 1 M 의유산용액을제조한후적정하여 1.03 M 임을확인하였다. 염화칼슘분말 (Sigma Co., 분자량 111.0) 을이용하여 0.3 M 의용액을제조하였고인산칼륨분말 (Sigma Co., 분자량 136.1) 을이용하여 0.9 M 의용액을제조하였으며각각의용액을 Ion chromatography (790 Personal Ion Chromatography, Metrohm, Switzerland) 로분석하여 M, M 임을확인하였다. 3. 탈회완충용액의제조 실험군으로 3 개의 ph 군 (ph 4.3, 5.0, 5.5) 으로나누고각 ph 군은 3 개의유산농도 (25 mm, 50 mm, 100 mm) 군으로다시분류하였다. 각군당필요한유산, 칼슘, 인의양을 stock solution 으로부터취하고 bacteriostatic 하게하기위해 M sodium azide 를추가하고 ph meter (Model 920A, Orion Research Inc., U.S.A.) 계측하에원하는 ph 가되도록 8N KOH 를첨가하면서조절하였고 4 차증류수를이용하여총 500 ml가되게하여탈회완충용액을제조하였다 (Table 1-3). 제조된각각의용액 을 Ion chromatography (790 Personal Ion Chromatography, Metrohm, Switzerland) 로정량분석하여시편의 initial demineralization solution 으로사용하였다. 4. 상아질우식병소의형성 50 cc 플라스틱용기에 30 cc 의탈회완충용액을채우고시편을용기의중앙에위치하도록고정시킨후 25 항온조에보관하였다. 5. 편광현미경관찰및우식병소의깊이측정 24 시간간격으로각각 1 일, 3 일, 5 일째완충용액에서꺼낸시편을증류수로침윤시킨상태에서 40 배, 100 배의편광현미경 (I 221, 동원정밀, 한국 ) 으로관찰하고변화양상을사진촬영하여표면에서부터양성복굴절부위끝까지의수직길이를우식병소깊이로보고임의로다섯부위를선택한후 micrometer 를이용하여그깊이를측정하였다. 6. 주사전자현미경관찰 각군의대조군인정상상아질시편을제작하기위해치아장축에수직으로 osteotome 과 mallet 을이용하여치근을파절시켰다. 이때파절된시편은증류수에 24 시간담근후건조하여보관하였고나머지치근은다시 window 만노출되도록 nail varnish 를도포한후탈회완충용액을넣은 50cc 플라스틱용기의중앙에위치시킨후 25 항온조에보관하였다. 각각 1 일, 3 일, 5 일후시편을탈회완충용액에서꺼내증류수로세척한후치아장축에수직으로 osteotome 과 mallet 을이용하여치근을파절시켰다. 준비된시편은 aluminium stub 에고정시킨후진공상태에서도금처리하여주사전자현미경 (S-800, Hitachi, Japan) 으로관찰하였다. 49

4 대한치과보존학회지 : Vol. 32, No. 1, 편광현미경관찰 Ⅲ. 실험결과 1) 탈회소견 (Figures 1-3) 인공적으로형성된상아질우식병소의전체적인병소모양은접시모양 (saucer shape) 으로모든시편관찰시대부분의병소에서깊이가일정하였고병소의경계도대부분명 확하게나타났다. 병소의본체는쉽게구별이가능하였고뚜렷하고균일한경계부가건전상아질과우식상아질사이에서관찰되었다. 우식병소본체는정상상아질에비해양성복굴절의양상이높게나타났다. 병소본체에서는상아질의구조인상아세관의형태를관찰할수없었으며상아세관을따라진행된우식병소본체하방에띠모양또는톱니바퀴형태의층 (zone of band) 에의해정상상아질과구분되었다. 상아질최외곽층에서는약 5-10 μm두께의우식표 (a) Lactic acid 25mM (b) Lactic acid 50mM (c) Lactic acid 100mM Figure 1. Polarizing microscopic view of demineralized dentin of group ph 4.3 in acid buffer solution (5 day treatment, 100, imbibed in water). (a) Lactic acid 25mM (b) Lactic acid 50mM (c) Lactic acid 100mM Figure 2. Polarizing microscopic view of demineralized dentin of group ph 5.0 in acid buffer solution (5 day treatment, 100, imbibed in water). (a) Lactic acid 25mM (b) Lactic acid 50mM (c) Lactic acid 100mM Figure 3. Polarizing microscopic view of demineralized dentin of group ph 5.5 in acid buffer solution (5 day treatment, 100, imbibed in water). 50

5 면층이형성되었고탈회가진행되는동안모든시편에서 cavitation 의양상은나타나지않았다. 병소깊이는초기에급격히진행되고시간이경과함에따라점차적으로증가하였고 ph 가낮을수록병소가깊게형성되었다. 반면 ph 가높아질수록초기에급격히진행하다가시간이경과할수록완만하게증가하였다. Zone of band 는 ph 4.3 에서는시간이경과할수록소실되는양상을나타내었으나 ph 가높아지면서 zone of band 가시간이경과할수록경계가더명확하게나타났다. Zone of band 에서는상아세관의형태가관찰되었고시간이경과할수록 zone of band 의두께가증가하는양상을나타내었다. 반면시간이경과할수록병소본체의깊이는 zone of band 의두께증가에비해완만하게증가하는양상을나타내었다. 2) 우식병소의깊이측정 (Figure 4) 탈회완충용액의포화도와산의농도를일정하게유지시키고 ph 를변화시켰을때 ph 가높아질수록병소깊이의진행이늦어지는것이관찰되었다. ph 4.3 군은 ph 5.0, 5.5 군에비해 1 일후우식병소의깊이가더깊었고시간이지날수록계속증가하는양상을보였으나 ph 5.0, 5.5 군에서는초기에는우식병소진행이빨랐으나시간이지날수록병소의깊이가점차완만하게증가하는양상을보였다. ph 4.3 군에서관찰시병소가가장깊게형성되었으며 ph 가증가할수록병소의깊이는 ph 4.3 군에비해깊지않았다. 또한유산농도에따른병소깊이는이번실험에서산의농도가가장낮은 25 mm 군에서는 ph 가높아질수록탈회시간이길어져도병소깊이가뚜렷하게증가되지않았고 50 mm 군에서는 ph 가낮아질수록탈회시간이길어짐에따라병소깊이가현저히증가되었다. 100 mm 군에서는 ph 가 낮아질수록첫째날급격히증가되었고탈회시간이증가함에따라지속적으로증가하는양상을나타내었다. 전반적으로완충용액에오래노출될수록형성된우식병소의깊이는증가되었다. 2. 주사전자현미경관찰 1) 정상상아질 (Figures 7-1, 8-1) 정상상아질에서는상아세관 (dentinal tubule) 과관주상아질 (peritubular dentin), 관간상아질 (intertubular dentin) 을관찰할수있었다. 표면부근에서관찰한관주상아질의경우에는비교적작고크기가고른수산화인회석결정이치밀하게배열되어있어공간이전혀없었다. 상아세관에서분지되는작은관의형태도관찰되었다. 관간상아질의경우에도결정이치밀하게배열되어있으며결정사이의공간은거의없었으나표면에서심부로들어갈수록깊이에따른결정의크기와밀도등의차이는관주상아질에비해컸다. 전체적으로관간상아질에서는수산화인회석결정이포도송이같이뭉쳐있는듯한양상 (cluster) 으로관찰되며, 뭉쳐져있는조직사이로공간이관찰되었다. 각각의수산화인회석결정의크기는약 20 nm에서 40 nm사이로관주상아질에서관찰되는수산화인회석결정의크기는비교적균일하고평평하게배열된것에비해관간상아질에서는각각의결정크기에차이가있었고불규칙적으로배열되어있었다. Zone F Zone E Zone C Zone A Zone D Zone B Figure 4. The effect of the ph and lactic acid concentration in buffer solution on the progression of artificial root caries ( μm ). 150 Figure 5. SEM image of demineralized pattern in root dentin (ph 4.3-Lactic acid 100mM). 51

6 대한치과보존학회지 : Vol. 32, No. 1, ) Zone A 2) Zone B (a) 1,000 (b) 50,000 (a) 1,000 (b) 50,000 3) Zone C 4) Zone D (a) 1,000 (b) 50,000 (a) 1,000 (b) 50,000 5) Zone E 6) Zone F (a) 1,000 (b) 50,000 (a) 1,000 (b) 50,000 Figure 6. SEM images of demineralized dentin of ph 4.3-Lactic acid 100 mm (zone A - zone F). 52

7 2) 각실험군의탈회소견편광현미경에서관찰된각 ph 및유산농도변화에따라유발된표면층, 우식병소본체에대한주사전자현미경소견은다음과같다저배율로관찰시뚜렷하게층이구별되는것을확인할수있었다 (Figure 5). 각층은 zone A, B, C, D, E, F 로구분할수있었는데 zone A (Figure 6-1) 는표면층으로서수산화인회석결정 cluster 형태는소실되었고잔존하는콜라겐섬유가느슨하게배열되어있으며콜라겐섬유표면에수산화인회석결정이용해되고잔존되어있는양상으로부착되어있었다. Zone C (Figure 6-3) 는표면층하방에형성된층으로탈회된층하방에재광화된양상으로존재하였다. 이부위에서는표면층에서와는달리치밀하게재광화된수산화인회석결정이배열되어있었다. Zone B (Figure 6-2) 는 zone A 와 C 사이의경계로서앞서설명한것과같 이결정의배열이다르게나타난것을볼수있었다. Zone D (Figure 6-4) 에서는수산화인회석결정 cluster 의형태를관찰할수있었으나이층의상부에서는관주상아질을발견하기어려웠다. Zone E (Figure 6-5) 는 zone D 하방에형성된재광화된밴드층으로 zone D 에서나타난것과달리수산화인회석결정이치밀하게배열되어있는것을확인할수있었다. Zone F (Figure 6-6) 는탈회된상아질하방에존재하는정상상태의상아질을나타내고있다. 1 ph 4.3 군 (Figures 5, 6, 7-4, 8-4) 유산농도가 25 mm 인시편의탈회초기에는정상적인원형또는타원형형태의수산화인회석결정의형태가유지되는상태였고정상에비해결정크기가약간감소하였으나시간이경과할수록결정의크기는더감소하였고결정 cluster 와 cluster 사이의공간도증가되었으며결정의형 1) Normal dentin 2) ph5.5-lactic acid 100mM 3) ph5.0-lactic acid 100mM 4) ph4.3-lactic acid 100mM Figure 7. SEM images of demineralized dentin of peritubular dentin ( 50,000). 1) Normal dentin 2) ph5.5- Lactic acid 50 mm 3) ph5.0- Lactic acid 50 mm 4) ph4.3- Lactic acid 50 mm Figure 8. SEM images of demineralized dentin of intertubular dentin ( 100,000). 53

8 대한치과보존학회지 : Vol. 32, No. 1, 2007 태도변화되었다. 50 mm 의경우초기에는 25 mm 시편보다결정의숫자와크기는감소하고결정 cluster 사이의공간도증가하였지만정상적인결정의형태는유지하였다. 시간이경과할수록결정 cluster 사이의공간이증가되고결정의크기도감소되며관주상아질에서는결정의크기가불규칙하게변화되었다. 반면 100 mm 의 1 일째시편의경우에는표면층에서부터 30 μm까지는결정은거의용해되고 fiber 표면에결정의흔적같이남아있는양상이나타났다. 상아세관의형태는찾아보기어려울정도로용해가심하게진행되었다. 결정의크기는상당히감소하였지만반면에잔존결정은치밀하게부착된양상이었다. 심부로들어갈수록관간상아질은결정의크기는작아졌지만뭉쳐져있는형태였고관주상아질은크기및배열상태, 치밀도등이관간상아질보다는저하된상태였다. 5 일째시편에서는표면층에서부터 50 μm까지는결정의흔적은거의없어진상태이고표면층에서는일부 fiber 의용해까지도나타났다. 300 μm까지관주상아질의대부분거의용해되었고관간상아질의크기도감소된상태였다. 2 ph 5.0 군 (Figures 7-3, 8-3) 25 mm, 50 mm 시편에서의양상은초기에는 ph 4.3 군과비슷하였고치밀도도유사하였다. 결정의크기가변화된깊이도 ph 4.3 군보다는덜진행되었다. 그러나시간이경과할수록상아세관의형태는유지되었으나관주상아질의용해도는증가되어결정과결정사이의공간은증가되었고결정의형태가원형또는타원형에서불규칙한형태가많이관찰되었다. 관간상아질의치밀도는관주상아질보다는덜감소하였다. 일부시편에서는결정의재광화현상이나타났다. 100 mm 의경우에도초기에는 ph 4.3 시편에서나타난양상이재현되었지만앞서의경우보다는덜용해되었고표면층에서도결정의형태를관찰할수있었다. 그렇지만시간이경과하면서결정의형태가원형에서타원형또는불규칙한형태로변화되는양상이나타났다. 3 ph 5.5 군 (Figures 7-2, 8-2) 25 mm, 50 mm, 100 mm 전체적으로초기에는정상적인결정의형태및치밀도를유지하였고표면층에서는일부결정에서재광화의양상도나타났다. 초기에는유산농도가증가하여도결정은원형또는타원형의형태를유지하면서농도에따라결정의크기가감소하였고다른 ph 군과는달리결정의 cluster 구조가그대로유지되었다. 시간이경과하면서 25 mm, 50 mm 군에서는결정의형태및치밀도가초기와유사하게나타났으며결정의재광화양상이나타났다. Ⅳ. 총괄및고찰 치아우식은섭취된음식물에존재하는탄수화물이치태내의세균에의해발효되어유기산이형성되고, 생성된유기산이치아경조직의무기질을탈회하여발생하는질환으로서숙주저항, 식이습관, 구강위생상태, 구강내상주균의구성등에의해영향을받게되고이러한다양한요인들의복합적인반응에의해야기된다고알려져있다. Moore 등 8) 은치태의우식유발정도를측정하는기준으로 ph 를사용하였고, Theuns 등 9,10) 은완충용액을이용하여인공우식형성을형성할때포화도가중요하며, 탈회속도는완충용액의포화도및 ph, 유기산의비이온화된형태의농도에따라영항을받는다고하였다. Margolis 등 11,12) 은법랑질의연구에서법랑질의탈회율은무기질인칼슘, 인의용해도와완충액의포화도에의해결정되며포화도는산의농도, 초기 ph, 칼슘과인의농도등에의해영향을받을수있다고하였다. 이처럼법랑질탈회는단순한탈회의과정이아니고치태에서만들어진유기산이법랑질의소공을통해확산되는과정에서표면층의초기용해와광물질의침착이동시에일어나고이렇게표면층의국소적인평형관계가유지되면유기산의열역학적추진력에의해내부로더욱확산되어하부법랑질이용해되고이용해산물이다시역확산되어표층부의광물질의침전을일으키는복잡한현상이라고알려져있다. 이때까지의치아우식증에대한연구는앞에서언급한것처럼주로법랑질부위에국한되어왔다. 그러나인구의고령화가진행되고잔존되는치아의수가증가하고연령증가에따른치주조직의변화는치근의노출및치근우식증에이환될수있는기회를증가시키게되었다. 그러나치근우식증에대해관심을갖기시작한것은최근이며아직까지이에대한조직병리학적연구는심도있게진행되지않았고이것에대한이해도는아주낮은편이다. 법랑질과상아질은조직학적, 화학적성질에서많은차이를나타내는데, 법랑질은무게의 95-98% 가무기질이고 1-2% 만이유기질로이루어진데반해, 상아질의경우무기질이 45-50% 이고유기질이 30% 를차지하고있다무기질은주로수산화인회석 (hydroxyapatite) 으로구성되며, 유기질은거의가제 1 형교원질이다. 광물질의약 56% 는교원질내에있다. 따라서우식이발생할경우수산화인회석결정의변화가나타나게된다. 따라서법랑질우식과치근우식은탈회와재광화의특성에있어차이가있을것으로예측되는데 Silverstone 등 13) 은치근우식을발생위치와미생물의종류의차이를들어치관부우식과는별개의것으로여겼으나, Aamdal-Scheie 등 14) 은구강내치태의 ph 와세균균종을조사한결과별다 54

9 른차이가없음을보고하였다. 예전의연구결과들도치근과법랑질우식은조직상태에상관없이비슷한양상을나타내어 Feagin 등 15) 은법랑질인공우식형성방법을치근에적용하여실험을진행하였고본연구도이에입각하여치근에이와같은방법을적용하여실험을진행하였다. 일반적으로치근이법랑질에비해우식에더취약한데이는치근면의독특한구조와화학적조성이다르기때문이다. Hoppenbrouwers 등 16) 은높은 carbonate 와 magnesium 함량으로인하여법랑질에비해치근에서의무기질용해도가높을것이라고주장하였고구조적인차이, 즉상아세관의존재로인하여법랑질에비해백악질과상아질이더투과성이클것이라고하였다. 또한역동학적연구에의하면 Hoppenbrouwers 등 17) 은상아질이법랑질에비해더용해도가높고이것은 in vitro 에서같은농도의산에노출되었을때상아질의탈회가법랑질에비해빨리진행한다는것을입증하였다. 또한 Katz 등 2,3) 도상아질의무기질함량이낮아법랑질에비해산용해에대한저항성이더낮을것이라고하였고, 우식이형성되기위한임계 ph 는법랑질에서는 ph 5.5 인데비해상아질에서는 ph 6.7 로서더높다고보고하였다. Hoppenbrouwers 등 17) 은같은조건하에서치근탈회는모두표면연화를야기한데비해법랑질탈회는모두표층하병소를형성하였다고보고하였다. 본연구는치근상아질에서 ph 및유산의농도변화에따른탈회에대한영향을보고자하였다. 먼저산완충용액의 ph 가인공적인치아우식의형성에미치는영향은크게두가지로생각해볼수있는데첫번째로는 ph 가높아짐에따라이온화되지않은형태의산이적어짐으로써상아질의표면부를통과하는산의양이줄어들어병소의진행이느려지는경우이고, 두번째로용해와확산이라는균형사이에영향을주기때문일것이다. 즉, 낮은 ph 에서는상아질의용해작용이활발해져서 porosity 가늘어날것이며산의확산도증가하여탈회를더욱촉진시킬것이다. Theuns 등 9,10) 은 ph 는표층병소의형성에관여하기보다는단지탈회의진행속도에영향을미쳐 ph 가낮을수록탈회는더빠르게진행된다고하였으나 Shellis 18) 는낮은 ph 일수록빠른진행속도를보일뿐만아니라병소의특성에도영향을미친다고하였다. 한편유기산의농도변화에따른우식병소의연구에서 Featherstone 19) 은 plaque fluid 나타액으로부터기원한유기질에의하여치아표면에얇은막이형성되며이러한막은생체내에존재하는인단백질성의막과같이비극성의물질만을선택적으로통과시킨다고하였다. 이렇게하여일단법랑질의표면을통과한유기산은법랑질의표면하부에서극성을띠는이온으로분해가되어탈회작용에관여하게되는데이때중요한것이산의 ionic strength 라고하 였다. Soni 등 20) 은유산의농도가병소의형태에영향을미친다고하였는데낮은농도일수록표층하병소가많이형성되고높은농도일수록표면의완전탈회와와동형성을보인다고하였다. 치아에인공우식을형성하는방법으로 in vivo 방법과 in vitro 방법으로나눌수있으며 in vitro 방법으로는 plaque bacteria를이용하는방법 21,22,23), acidified gelatin gel을이용하는방법 15,24,25), 그리고 partially saturated buffer를이용하는방법 26) 등이대표적으로사용되어왔으며 Wefel 등 27) 은치근우식을유발하기위해 partially saturated buffer 방법과 acidified gelatin gel 방법을비교해본결과두방법모두비슷한결과를나타냈다고보고하였다. Gelatin gel을이용하는방법은 gel의점도를변형시킴으로써병소형성률을느리게조절하여자연우식과유사한형태의초기우식소견인암층이나투명층의형성을유도할수있다는장점이있는반면병소형성시간이너무길고실험결과에영향을주는분석이어려운화학적제재가 gel에포함되어있다는단점이있다. 반면에 partially saturated buffer system을이용하는방법은동역학적인기전에의한우식형성법으로다른방법에비하여빠른우식진행을보이는것으로병소의진행속도가빨라서자연적인우식과달리암층의형성이어려운단점이있으나용액의영향이빠른시간안에나타나결과를빨리관찰할수있으며다양한조건을손쉽게변화시킬수있는장점이있어우식병소의재광화나우식억제물질의연구, 결정구조의성장및치아수복물의우식저항성에관한연구들을할수있고, 병소형성에관계되는여러인자를정확히분리평가할수있다. In vitro 방법사용의장점으로는일관된결과를도출시키고조절가능하며비교적간단한술식이다. 또한우식진행과정의이해에도움을줄수있고치근우식진행을예방또는늦출수있는약제의발견에도움을줄수있을것이다. 인공치근우식의조직병리연구를위한방법으로 Phankosol 등 28) 은 transmitted light microscopy, polarized light microscopy ( 편광현미경 ), microradiography등의방법으로연구를진행하였다. 또한 Schüpbach 등 29) 은 microradiography 관찰시초기치근우식병소가특징적으로 radiopaque surface와 radiolucent body of lesion으로나타난다고하였고백악질, 상아질, 법랑질은우식에대해같은반응을나타낸다고생각하였다. 편광현미경관찰시 imbibition medium으로물을사용하였을경우병소본체와건전상아질간에명확한구분이나타나게되므로편광현미경을이용하여병소깊이를직접측정할수있게된다. 편광현미경은표면탈회를관찰하는데 55

10 대한치과보존학회지 : Vol. 32, No. 1, 2007 transmitted light microscopy 보다상세하여병소의양상및깊이측정이용이한데 Wefel 등 30) 은편광현미경이 transmitted light microscopy 에비해여러가지우수한점이있다고주장하였다. 편광현미경사용시백악질은상아질과쉽게구별할수있는데백악 - 상아경계를기준으로두조직간에반대의복굴절 (birefringence) 을나타나게된다. 즉백악질은음성복굴절 (negative birefringence), 상아질은양성복굴절 (positive birefringence) 을나타나게되어두조직간의대조적인현상으로인해쉽게구분지을수있겠다. 또한탈회시상아질의양성복굴절은증가하게되고건전상아질과의구별이용이해진다. 반면편광현미경을이용한경우병소의깊이는측정이가능하지만실제무기질의소실을정량적으로비교하는것은불가능하고표층에재광화가일어난경우이부위에어느정도광물질의소실과침착이일어났는지를비교할수없다는단점이있다. 치근우식이진행되면편광현미경관찰시병소본체하방에음성복굴절을나타내는띠모양이관찰되는데 Furseth 등 31) 에의해보고된 zone of band 라고추측된다. 이들은병소의전방부에서무기질이유리되면탈회된 collagen matrix 에느슨하게재침착하게되어무기질이감소된부위의재광화를일으키게된다. 반면 Westbrook 등 32) 은실험시어떤시편에서 active lesion 하방에 hypermineralized area 가나타났고이와같은 radiopaque zone 은 carious irritant 에대한보호반응이라고할수있다고주장하였다. 또한 hypermineralization 에의한 linear line 은 hypermineralized dentinal tubule 이라고해석하였다. 반면 Clarkson 등 21,23) 은유기산에의해탈회된상아질은재광화를유도할능력이없다고보고하였고 Wefel 등 27) 은잔존 organic matrix 가재광화를위한적절한기질로작용하지는않았지만잔존무기질에서재광화가일어났다고보고하였다. 인공치아우식연구에서주사전자현미경을이용한수산화인회석결정의관찰이많이시도되었으나주로자연치아에서의관찰이많았다. Schüpbach 등 29) 의자연치근에대한주사전자현미경연구에의하면상아세관이관주상아질에서유래한바늘상의결정체에의해폭이좁아짐을보고하였고이러한결정체는관간상아질에서관찰되는수산화인회석결정크기보다비슷하거나크다고하였다. 또한 Takuma 등 33) 의연구에서상아질의 EPMA (electron probe microanalysis) 관찰을통하여재광화된표면층은불소와칼륨이고농도로관찰되었고결정구조도정상상아질에비해매우커짐을관찰하였고탈회된부위에서는칼슘, 인, 마그네슘이온의농도가감소하고결정크기에있어서도재광화부위보다는작지만정상상아질에서보다는큰결정이관찰됨을보고하였다. 그러나 LeGros 34) 는주사전자현미경을이용한결정형태의구별은 pyrophosphate, zinc, CO2 와같은이온이결정의형태를변화시킬수있어때로는잘못된해석을유도할수있으므로결과분석에주의해야한다고주장하였다. Arends 등 35) 은초기우식병소의표면을주사전자현미경을이용하여관찰하였는데이경우시료의처리과정에서인공결손부가발생할수있으며도말층의제거를위한산처리과정에서다공성이증가할수있는문제점이있음을보고하였다. 이들의연구결과에서는탈회군과대조군간의결정구조에큰차이가없다고하였지만이는본실험의결과와차이를보이고있다. 그리하여주사전자현미경관찰을위한시편제작시한등 36) 의연구에서사용한방법인 osteotome 과 mallet 을이용하여치근을파절시켜 bur 나 saw 를이용한절단방법에의해발생되는도말층형성을원천적으로제거하였다. 본실험에서는탈회완충용액의 ph 와유산농도변화에따라나타난우식병소내양상을편광현미경으로관찰하고표층과상아세관, 관주상아질, 관간상아질등탈회된상아질의수산화인회석의결정형태변화를관찰하고탈회된무기질의조성의차이를보이는각구조에서어떤변화가일어나는지를관찰하고자주사전자현미경을이용하여관찰하였다. 본실험결과탈회된병소내에서는명확하게구별되는네개의층, 즉, 표면층, 표면층하방의재광화층, 병소본체, 병소본체하방에형성된재광화된밴드층을관찰할수있었다. 특이한점은표면층에서의광화된관간상아질과탈회상아질내의광화된띠모양의구조를확인할수있었는데, 광화된표면층과탈회된병소하방의광화층의존재는 Schüpbach 등 29,37,38,39) 과 Nyvad 등 40,41,42) 에의해제안된치근우식의진행시나타나는탈회와재광화가동시에일어나는역동학적인과정이라고할수있겠다. 그러나 Daculsi 등 43,44) 은표면층부근의탈회된관간상아질의재광화는자발적인침전이아닌기존에있는잔존결정의성장이라고주장하였다. 본실험에서확인된관간상아질의탈회가이미완성된상태에서표면층에서의재광화된층이이와같이잔존결정의성장에의해형성되었다고보기에는어렵다. 그러므로표면층에서재광화층이형성되는결과는탈회용액내의무기질의침착과탈회시용해되어외부로확산되는칼슘과인이온의재침착에의한두가지기전에의해형성되었다고볼수있겠다. Hayashi 등 6) 은투과전자현미경으로법랑질의수산화인회석의결정구조를관찰하였고탈회가일어난부위에서수산화인회석의결정의종단면에서입자의변연부가소실되고동시의중앙부위가용해되어중앙천공이일어난모습을관찰하여보고하였다. Holmen 등 7) 은인공우식초기에수산화인회석결정에부분적인용해가일어나고그결과입자사이의공간이증가하고이공간을통해무 56

11 기질이온이이동할수있다고보고하였다. Tohda 등 5) 은법랑질우식증에서표층하병소가상당히진행된단계에서도예상과는달리표면층에서의수산화인회석결정의중심부용해가명확하게나타나지않았고법랑질과비교하여비교적결정의크기가작은백악질및상아질에서도결정의중심부용해는거의나타나지않았다고하였다. 본실험에서도이와같이수산화인회석의결정변화는중심부에서명확하게나타나지않았고결정형태의변화가각 ph 및유산농도에따라원형, 타원형또는불규칙한형태로나타났다. 한편특이하게나타난현상으로표면층의수산화인회석의결정형태관찰시모든군의시편에서 collagen fiber 표면에결정형태가변형된상태로부착되어있는것을확인할수있었다. Arends 등 45) 은초기에산에의해표층의광물질소실이나타나는표면연화단계가나타나고그후점차재광화됨으로써표층이형성된다고하였다. 이러한사실은 ph 5.5 군의 25mM, 50mM 유산농도에서노출된초기에는표층형성없이단지탈회만관찰할수있었으나시간이지남에따라표층하병소가형성되었고주사전자현미경에서도일부시편에서확인할수있었다. Dietz 등 46), Wefel 등 27,30) 의연구에서편광현미경을이용한인공우식실험에서백악질을제거한군과백악질이있는군사이에차이를발견할수없었다고하였다. 또한 McIntyre 등 47) 도서로다른두께의백악질을가지는인공치근우식에서병소깊이에는큰차이가없음을보고하였다. 본연구에서백악질을제거하려는노력에도불구하고일부시편에서는잔존하는백악질이관찰되었지만실험의결과에는특별한영향을미치지않은것으로보인다. 이는아마도백악질의두께가백악 - 상아질경계부위에서약 20 μm로전체탈회된깊이의평균인 μm에비해표층에국한되어존재하고백악질의구조가상아질이나법랑질보다수분이많고광물질이적으며다공성이어서이온의이동이빨리일어날수있었기때문으로여겨진다. 탈회및재광화과정을통한수산화인회석결정의관찰을위하여박등 48) 이 atomic force microscope (AFM), 한등 36) 이주사전자현미경을이용하였다. 주사전자현미경이나투과전자현미경의경우에는치아가탈회되는동안나타나는미세구조의변화를알수는있으나, 이런경우시편의물리적, 화학적처리과정과 diamond-cutting knife 를이용한절단과정등을거쳐야한다. 반면 AFM 의경우에는원하는측정영역을지정하면 probe tip 이표면에힘을가하면서표면을 laser 로 scanning 하고이결과를 detector 가받아들여상을나타내므로사용상의편리한점이있으며시편처리과정에따른오차를줄일수있고하나의시편에서탈회전, 후및시간에따라관찰이가능하기때문에입 자사이의공간에어떠한변화가있는지를시간에따라알수있다는이점이있다. 반면매우고배율로상을관찰하므로동일한영역을다시관찰하는것이매우어려운점이있고또한곡면에서는상이흐려질가능성이높기때문에넓은영역의관찰시에는한계점이있다. 결론적으로본연구는인공적으로탈회를유발시킨상아질우식의수산화인회석결정의변화상태및탈회과정을주사전자현미경을이용하여관찰하였다. 그러나 3 차원적인관찰은가능하였으나시편의조작및동일영역의재관찰의어려움을해결해야하는것이첫번째문제이고두번째로탈회시수산화인회석결정의용해가결정의어느부위에서부터시작되는지를좀더명확하게규명하기위한부가적인투과전자현미경또는 AFM 의연구가필요하리라생각된다. Ⅴ. 결론 본연구는산완충용액내의 ph 와유산의농도를변화시켜야기된인공적인치근상아질우식병소의진행과정을편광현미경을이용하여관찰하고관찰된우식병소층의수산화인회석결정형태변화를주사전자현미경으로관찰하여탈회과정을살펴보고자세가지 ph (4.3, 5.0, 5.5) 군과각각의 ph 군에세가지유산의농도 (25 mm, 50 mm, 100 mm) 를이용하여인공치근우식을형성한후비교분석하여다음과같은결과를얻었다. 1. 편광현미경소견에서우식병소의깊이는 ph 보다는유산의농도에의해더영향을많이받았다. 2. 주사전자현미경소견에서유산의농도가높아질수록그리고 ph 가낮아질수록수산화인회석결정의소실이더많이진행되었다. 3. 탈회는수산화인회석결정의변연부가소실되며결정 cluster 내결정의숫자및크기가감소하였고결정 cluster 사이의간격이넓어지는양상으로관찰되었다. 4. 표면층에서의주사전자현미경관찰시유산의농도가높아질수록수산화인회석결정 cluster 의형태는소실되고콜라겐섬유표면에수산화인회석결정의용해, 재결합된양상으로관찰되었다. 5. 탈회과정에대한주사전자현미경관찰시상아질의탈회는단순히탈회만독립적으로일어나는과정이아닌탈회와재광화가동시에일어나는양상으로관찰되었다. 이상의결과완충용액내의유산의농도가높아지고 ph 가낮아질수록탈회의속도가증가하고탈회의과정은수산화인회석결정 cluster 의표면으로부터진행되며시간이경과함에따라수산화인회석결정의형태는원형또는타원형에서불규칙한형태로변화되었다. 57

12 대한치과보존학회지 : Vol. 32, No. 1, 2007 참고문헌 1. Darby ET. The etiology of caries at the gum margin and labial and buccal surfaces of the teeth. Dental Cosmos 26: , Katz S, Park KK, Palenik CJ. In vitro root surface caries studies. J Oral Med 42:40-48, Katz RV, Hazen SP, Chilton NW, Mumma Jr. RD. Prevalence and intraoral distribution of root caries in an adult population. Caries Res 16: , Beck JD, Hunt R, Hands JS, Field HM. Prevalence of root and coronal caries in a noninstitutionalized older population. JADA 111: , Tohda H, Fejerskov O, Yanagisawa T. Transmission electron microscopy of cementum crystals correlated with Ca and F distribution in normal and carious human root surfaces, J Dent Res 75: Hayashi Y. High resolution electron microscopy of enamel crystallites demineralized by initial dental caries. Scanning Microscope 9: , Holmen L, Thylstrup A, Featherstone JDB, Fredebo L, Shariati M. 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14 대한치과보존학회지 : Vol. 32, No. 1, 2007 국문초록 오현석 노병덕 이찬영 * 연세대학교치과대학치과보존학교실 치근우식증은복합적인요인에의해발생되는질환으로고령인구의증가로최근증가추세에있으나아직까지는병소깊이, 상아질탈회의정도및양상, collagen 의파괴정도및수산화인회석결정변화에대한탈회완충액의조직학적연구는미비한실정이다. 본연구는우식형성에영향을주는산완충용액내의 ph 와유산의농도변화에따른치근상아질우식병소의진행에미치는변화를편광현미경을이용하여관찰하고관찰된우식병소층의수산화인회석의결정형태변화를주사전자현미경으로관찰하여탈회과정을살펴보고자세가지 ph (4.3, 5.0, 5.5) 군과각각의 ph 군에세가지유산의농도 (25 mm, 50 mm, 100 mm) 를이용하여인공치근우식을형성한후비교분석하여다음과같은결과를얻었다. 1. 편광현미경소견에서우식병소의깊이는 ph 보다는유산의농도에의해더영향을많이받았다. 2. 주사전자현미경소견에서유산의농도가높아질수록그리고 ph 가낮아질수록수산화인회석결정의소실이더많이진행되었다. 3. 탈회는수산화인회석결정의변연부가소실되며결정 cluster 내결정의숫자및크기가감소하였고결정 cluster 사이의간격이넓어지는양상으로관찰되었다. 4. 표면층에서의주사전자현미경관찰시유산의농도가높아질수록수산화인회석결정 cluster 의형태는소실되고콜라겐섬유표면에수산화인회석결정의용해, 재결합된양상으로관찰되었다. 5. 탈회과정에대한주사전자현미경관찰시상아질의탈회는단순히탈회만독립적으로일어나는과정이아닌탈회와재광화가동시에일어나는양상으로관찰되었다. 이상의결과산완충용액내의유산의농도가높아지고 ph 가낮아질수록탈회의속도가증가하고탈회의과정은수산화인회석결정 cluster 의표면으로부터진행되며시간이경과함에따라수산화인회석결정의형태는원형또는타원형에서불규칙한형태로변화되었다. 주요어 : 치근우식증, 산완충용액, ph, 유산농도, 탈회, 수산화인회석, 주사전자현미경 60