<Abstract> 수증기첨가상온대기압플라즈마의미백효과 임수연 1), 권재성 1), 김광만 1), 김경남 1) 연세대학교치과대학치과생체재료공학교실및연구소 대한치과재료학회지 42(2) : 157-164, 2015 ISSN:1225-1631 (Print); 2384-3268 (Online) Available online at http://www.kadm.org http://dx.doi.org/10.14815/kjdm.2015.42.2.157 Tooth bleaching effect by nonthermal atmospheric pressure plasma with humid condition Su-Yeon Im 1), Jae-Sung Kwon 1), Kwang-Mahn Kim 1), Kyoung-Nam Kim 1) * Department and Research Institute of Dental Biomaterials and Bioengineering, College of Dentistry, Yonsei University, 50-1 Yonsei-ro, Seodeamun-gu, Seoul 120-752, Republic of Korea 1) The purpose of this study was to evaluate the tooth bleaching effect by the use of nonthermal atmospheric pressure plasma supplied by humid air(humid air plasma) along with 5 %, 15 %, and 35 % of hydrogen peroxide(hp). A total number of 90 stained teeth were divided into 9 groups(n=10) and treated in different bleaching conditions: only HP, HP with air plasma, and HP with humid air plasma. Color changes(δe ) were measured after three consecutive bleaching using spectrophotometer and National Bureau of Standards systems. One-way ANOVA combined with post-hoc test using Tukey s method was performed for the statistical analysis. The results showed that final ΔE values increased significantly in all groups(p<0.05), indicating the effective tooth bleaching. The most significant color changes were noted on samples treated with 15 % HP humid air plasma, 35 % HP air plasma and 35 % HP humid air plasma(p<0.05), but there were no significant differences amongst them(p>0.05). This study suggested that tooth treated by HP with humid air plasma is more effective for tooth bleaching compared to only HP and HP with air plasma. Lastly, it is concluded that using 15 % HP in conjunction with humid air plasma is more safe compared to simply using 35 % HP. Key words: Tooth bleaching, Hydrogen peroxide, Nonthermal atmospheric pressure plasma, Humidity Ⅰ. INTRODUCTION 치아미백은변색된치아의색조를개선하는방법으로써, 심미성에대한대중의관심이증가함에따라보편적인시술 방법으로자리잡았다. 치아미백의효과는미백제의조성, 농도, 적용시간, 적용횟수, 활성방법등에따라서좌우되며 (Joiner, 2006), 보다간단한술식으로생체안전성을확보하면 * Correspondence: Kyoung-Nam Kim ( 우 )120-752 서울시서대문구연세로 50-1 연세대학교치과대학치과생체재료공학교실및연구소김경남, Tel: +82-2-2228-3081, E-mail: kimkn@yuhs.ac Received: Jun. 02, 2015; Revised: Jun. 12, 2015; Accepted: Jun. 15, 2015 서도빠르고지속적인미백효과를얻기위해다양한연구가이루어지고있다. 1884년 Harlan 에의해최초로과산화수소수 (hydrogen peroxide; HP) 를이용한미백효과가보고되었다. HP의작용기전은명확히밝혀지지않았으나, HP로부터유래된하이드록실라디칼 (hydroxyl radical) 이치아에부착된착색유기물을분해시켜색조를개선한다는이론이가장널리받아들여지고있다 (Joiner, 2004; Kawamoto 와 Tsujimoto, 2004). HP의농도는주로 5 % 에서 35 % 의범위내에서사용되어왔다. HP 5 % 는트레이를이용하여환자가집에서스스로미백처치를할수있는자가미백제로, HP 15 % 및 35 % 는 * 이논문은 2010 년도정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된연구임 (No. NRF-2010-0027963).
전문가미백제로사용되었다. 고농도의 HP를이용할수록신속하고강한미백효과를얻을수있다 (Moraes 등, 2006). 그러나 HP를사용한실활치미백시상아세관내확산을통한치경부외흡수 (external cervical resorption) 가일어날수있으며 (Heithersay, 1999), 생활치에적용시법랑질의표면성질에영향을미치거나주변조직의지각과민증을유발할수있다 (Haywood, 2002; Naik 등, 2006). 이처럼고농도 HP의적용으로인한부작용사례는지속적으로보고되고있으며, 이를반영하여식품의약품안전처는 15 % 이하의미백제사용을권고하였다. Leonard 등 (1998) 에의하면저농도의미백제를여러번적용할경우결과적으로고농도의미백제와같은수준의결과를가져온다는보고가있었으나, 임상에서는적은방문횟수로높은미백효과를얻을수있는방법을선호하는실정이다. 이로인해저농도에서도다양한활성방법을통해단시간에안전하면서도고농도에상응하는효과를나타내기위한시도가이루어지고있다. 그중상온대기압플라즈마를이용하는방법은대기압하에서저온의가스온도로도화학적으로활성화된라디칼을생성할수있는방법으로써, 작용거리, 방전가스조성, 조사시간및횟수등을조절하여미백효과를개선하고자하였다 (Lee 등, 2009). 플라즈마만단독조사하여도미백효과가나타나지만미백제에플라즈마를추가조사했을경우더욱우수한미백효과가일어난다 (Tavares 등, 2003). 2015 년 Choi 는미백제없이산소혹은수증기첨가시플라즈마의미백효과가증가함을보고하였으나, HP의농도에따른플라즈마의미백효과에대해추가적인연구가필요하다. 따라서본연구에서는우전치법랑질표면에 5 %, 15 %, 35 % 농도별로 HP를적용하고, 방전가스의수증기함유량을조절한상온대기압플라즈마를추가조사함으로써치아색조변화에미치는영향에대해비교하고자하였다. Ⅱ. MATERIALS AND METHODS 1. 연구재료본연구에사용된치아는실험오차를줄이기위해발치 후 3개월미만의우전치를사용하였으며, 초기 L 값 ( 명도지수 ) 이평균 80이고육안으로관찰했을때특정우식병소가없는치아를선별하였다. 준비한우전치는실험전까지 thymol (Sigma, St. Louis, MO, USA) 0.1 % 용액에넣어 4 조건하에보관하였다. 2. 연구방법 1) 시편제작총 100개의우전치를 3 mm 7 mm 3 mm의시편형태로자른후법랑질이표면으로노출되도록내경 11 mm, 높이 10 mm로재단된유리관의중앙에넣고자가중합형아크릴릭레진 (Polycoat; Aekyung, Chungnam, Korea) 에매몰하여 24시간동안경화시켰다. 경화된시편은균일한법랑질표면을얻기위하여지속적으로냉각수가흐르는자동연마기 (ECOMET III Grinder/Polisher, Buehler Ltd, Lake Bluff) 에 600, 1200, 2000 grit의연마지를이용하여단계적으로연마하였다. 연마된시편은착색과정을위해 0.12 N(1 %) 염산용액에 60초간침적시킨후, 탄산나트륨과포화용액에 30초간침적하고마지막으로 1 % 피트산용액에 60초간침적하였다. 모든과정이끝나면증류수로세척하였다. 2) 치아착색시편의착색은 Stookey 방법 (Stookey 등, 1982) 을채택하였다. 착색용액은 121 에서 15분간멸균된 Typticase Soy Broth(TSB; Becton, Sparks, MD, USA) 배지 800 ml에균일한입자의인스턴트커피분말 2.7 g, 홍차분말 2.7 g, gastric mucin 분말 2.0 g 및 0.1 % 의 FeCl₃0.8 g을넣고교반하여완전히용해시킨후 4 조건하에보관하였다. 이후인큐베이터에서 24시간동안배양한 Micrococcus luteus 배양용액 26 ml를첨가하여착색용액을제조하였다. 효과적인착색을위해 37 조건하에서시편의침적과건조를반복하여총 7일간착색시켰다. 시편용액은 4일마다교체하였으며, 착색과정이종료된후에는시편표면에착색용액의잔여물이남지않도록완전히증류수로세척한후 10분간건조한뒤 4 조건하에보관하였다. 158
3) 미백제제조미백제는치과용연마제 (Brite powder, Pac Dent International Inc., USA) 90 mg에과산화수소용액 (Hydrogen peroxide, HP; Sigma, St.Louis, MO, USA) 5 %, 15 %, 35 % 1 ml을각각첨가하여균일한페이스트형태로제조한후차광유리병에보관하였다. 제조한미백제는시린지에담아치아시편상단에 1 mm 두께로동량분배한후마이크로브러쉬로균일하게도포하였다. 이상태로상온에서 10분간미백처치후증류수가담긴세척병을이용하여 10초간미백제를씻어내고건조하는것을 1회로설정하여총 3회반복하였다. 5) 치아미백시행착색시편의초기 L 값이 60 이하인 90개의시편을선정하여군당 10개씩총 9군으로분류하였다. 각시편의 L 값은통계적유의차가없음을확인하였다. 실험군설정은 Table 1과같이 5B는 HP 5 % 만 10분간적용하였고, 5BP는 HP 5 % 에상온대기압플라즈마를 10분간조사하였다. 5BPH 는 HP 5 % 에수증기를첨가한상온대기압플라즈마를 10분간조사하였다. 뒤이어 15B, 15BP, 15BPH는 HP 15 % 를, 35B, 35BP, 35BPH 는 HP 35 % 를사용하여 5B, 5BP, 5BPH 와동일한미백처리조건하에서시행하였다. 4) 플라즈마장비상온대기압플라즈마는광운대학교플라즈마바이오과학연구센터 (Plasma Bio-science Research Center, Seoul, Korea) 에서개발한장비를사용하였다. 플라즈마방전용가스는유량 1000 sccm 의압축공기가증류수수조를통과하도록설계하여수증기첨가비율을 1중량 % 로설정하였다. 플라즈마조사시플라즈마방전영역이시편중앙에오도록위치하였으며, 플라즈마조사구는미백제가도포된법랑질표면으로부터 3 mm 상단에고정하였다. 플라즈마를 10분간조사한후증류수가담긴세척병을이용하여 10초간미백제를씻어내고건조하는것을 1회로설정하여총 3회반복하였다. Figure 1. Schematic presentation of nonthermal atmospheric pressure plasma(choi 등, 2015). Table 1. Experimental condition of specimen Bleaching agent Concentration Bleaching method Code HP 5B 5 % HP + plasma 5BP HP + humid plasma 5BPH HP 15B Hydrogen peroxide 15 % HP + plasma 15BP HP + humid plasma 15BPH HP 35B 35 % HP + plasma 35BP HP + humid plasma 35BPH 159
6) 미백효과측정미백제의효과에대한색지수평가는분광분석계 (Spectro photometer, CM-3500d, Minolta, Osaka, Japan) 를이용하여각시편당 3부위에서 L, a, b 값을측정하여평균값을이용하였다. 측정시점은착색후와 1차, 2차, 3차미백처리직후에각각측정하였다. 미백효과에따른색조변화량 (ΔE ) 을확인하기위해 ΔL, Δa, Δb 값을각각구한뒤하단공식에의해도출하였다 (Lenhard, 1996). 이 ΔE 값을하단의 NBS(National Bureau of Standards) 공식으로변환하여, Table 2와같이육안으로판단가능한색조변화의정도를확인하고자하였다 (Shotwell 과 Razzoong, 1992). NBS unit 3. 자료분석분광분석측정으로도출된색지수데이터는통계분석프로그램인 SPSS(PASW Statistics 20.0, SPSS Inc Co., Chicago, USA) 을이용하여분석하였다. 각군당 10회씩실험하여평균과표준편차를도출하였다. 실험군간의변화량의차이를확인하기위해 one-way ANOVA 를실시하였으며, 사후검정은유의수준 0.05의 Scheffe test를이용하였다. Ⅲ. RESULTS AND DISCUSSION 1) 미백처치횟수에따른치아미백효과모든실험군의 1차, 2차, 3차미백처치횟수에따른색조변화량 (ΔE ) 은 Figure 2에나타내었으며, 각 9가지미백방법의처치횟수에따른유의차는각기다른영어소문자로표시하였다. 1차미백처치후미백처리전에비해모든군에서 ΔE 값이유의하게증가하였다 (p<0.05). 2차미백처치후 1차에비해 5BP, 15B, 35BP 에서유의한 ΔE 값의증가를 보였다 (p<0.05). 최종 3차미백처치후 2차에비해모든군에서 ΔE 값이약간증가하는경향을보였으나통계적으로유의한차이는없었다 (p>0.05). 따라서 3차처치만으로도충분한미백효과를얻을수있을것으로예상되나, 미백처치횟수의증가를통한추가연구가필요할것으로사료된다. 2) 미백처리조건에따른치아미백효과처리조건에따른치아미백효과는 Table 3에제시하였으며, 동일한미백제농도와미백횟수에서플라즈마조건에따른유의차는영어소문자로표기하였다. 5 % 의미백제를처리하였을경우 1차, 2차, 3차모두단독으로처리했을때보다플라즈마를적용했을때 ΔE 값이유의하게증가하였다 (p<0.05). 또한일반공기를방전가스로사용했을때보다수증기를첨가했을경우에가장높은 ΔE 값을보였다 (p<0.05). 이경향은 15 % 의 HP에서도동일하게나타나므로, 15 % 이하의농도에서는수증기를함유한플라즈마를조사하는것이미백효과를증진시킴을알수있다. 또한 35 % 의미백제를 1차처리하였을때 35B, 35BP, 35BPH 간에는유의한차이로 ΔE 값이증가하였으나 (p<0.05), 2회및 3회미백시에는 35BP와 35BPH 간에유의한차이를보이지않았다 (p>0.05). 1차처리했을때수증기첨가조건에서미백효과가증진되는것은방전가스에존재하는대기중의산소를활성화시키는것보다수증기를첨가했을경우활성산소의생성량이더욱많아지기때문이다 (Choi 등, 2015). 또한미백처리과정중플라즈마의열및가스흐름으로인해미백제의건조가일어나는문제점도영향을주었을것으로보이며이를개선한다면보다빠른시간내에우수한미백효과를얻을수있을것으로보인다. 2차부터 35BP와 35BPH 간의차이가없는것은, 고농도의미백제로부터충분한활성산소가공급되어착색유기물이대부분제거되었기때문에수증기첨가에따른플라즈마의효과가유의하게나타나지않은것으로사료된다. 3차미백처치가완료된후의 ΔE 값을비교하였을때, 15BPH, 35BP 및 35BPH 간의유의한차이가나타나지않았다 (p>0.05). 그러므로환자의민감도와같은문제로 35 % 의미백제를적용하기곤란한경우 15 % 의미백제를수증기첨가플라즈마와함께적용한다면충분히고농도에준하는효과를얻을수있을것으로기대된다. 다만수증기의농도가높을 160
Figure 2. ΔE value of specimen by HP concentration with different bleaching condition(means followed by different alphabet are significantly different in same bleaching method(p<0.05). Table 2. National Bureau of Standards(NBS) system Critical remarks of color difference NBS units Trace 0.0 ~ <0.5 Slight 0.5 ~ <1.5 Noticeable 1.5 ~ <3.0 Appreciable 3.0 ~ <6.0 Much 6.0 ~ <12.0 Very much 12.0 수록미백효과가좋은것은아니며, 너무과도한수증기가함유될경우감전혹은플라즈마의효과가감소될수있으므로 1중량 % 미만을적용하여야한다 (Choi 등, 2015). 또한기존의치아표면이젖어있을경우같은원리로플라즈마의미백효과가증진될수있다. 그러나미백제의젤이도포위치에서유동적으로움직일가능성이있고표면의수분이미백제의농도에영향을줄수있으므로, 방전가스에수증기를첨가 하여미백효과를개선하는방법이보다합리적일것으로사료된다. 3) NBS 단위에따른미백효과판정임상에서육안으로색지수변화를판별하기위해서는 ΔE 값이최소 3.3 이상이어야하며 (Johnston 과 Kao, 1977; Ruyter 등, 1987), 그값이 8을초과할경우보다즉각적으로 161
Table 3. ΔE (SD) value of experimental specimen Bleaching times Group 1 2 3 5B 7.1 (1.7) 9.1 (1.2) 12.1 (0.6) 5BP 13.6 (1.9) 17.5 (0.6) 18.5 (1.4) 5BPH 19.4 (2.5) 21.0 (0.3) 22.4 (1.1) 15B 14.2 (0.6) 16.3 (0.9) 18.3 (0.8) 15BP 18.4 (0.8) 20.1 (1.7) 20.6 (0.4) 15BPH 22.5 (2.5) 24.2 (0.9) 24.7 (1.1) 35B 15.3 (0.9) 17.2 (2.2) 19.7 (0.3) 35BP 20.0 (1.6) 24.1 (0.7) 25.4 (0.7) 35BPH 23.6 (1.5) 25.3 (0.5) 25.6 (0.6) Means followed by different alphabet are significantly different in same HP concentration and bleaching times(p<0.05). 인지할수있다 (Gross 와 Moser, 1977). 이렇게육안으로판별가능한색지수변화의정도는 ΔE 값을기반으로단계화한 NBS 단위로환산하여 Table 4에나타내었다. NBS 단위값에따라총 6단계로분류하며, 미백처치전과비교하였을때그값이 6 이상 12 미만일경우 much 로, 12 이상일때는 very much 로표현하였다. 본실험결과시 5 % 의 HP를단독적용한 5B 경우 1차, 2차, 3차미백에서 NBS 단위값이 6.5, 8.4, 11.1로육안으로판별가능한수준인 much 로판단하였다. 반면에조건을달리하여플라즈마를적용한 5BP, 5BPH는모두 12 이상의높은값을나타내어 very much 로판정하였다. 따라서 5 % 의 HP를적용하여도플라즈마를추가로조사한다면, 1회미백처치후에도환자가즉각적으로색조개선을인지할수있을것으로예상된다. 15 % 의 HP를적용하였을때 15B, 15BP, 15BPH 의모든미백처리단계에서모두 13 이상의높은값을가졌다. 35 % 의 HP를적용시 35B는 14에서 19 사이, 35BP 와 35BPH 는최소 18 이상의값을나타냈다. 이처럼 15 % 이상의 HP 농도에서는미백처리방법에상관없이모두육안으로도현저히색조가개선됨을판단할수있는 very much 에해당되는미백효과를나타냄을알수있다. 본연구를위해우전치를선별하는과정에서초기 L 값과착색후 L 값이유사한시편을선별하였으나, 각치아시편간특성차이로인한오차가존재하였을것으로예상된다. 또한위미백처치방법을임상적으로적용시개인의치아특성및구강내환경으로인한차이를감안해야할것이다. 이러한점을보완하여미백제에수증기첨가플라즈마를적용함에따른치아표면의물성변화, 주위조직에대한생물학적안전성및장기적인지속효과등에대한추가적인연구가진행되어야할것으로보인다. 지금까지의결과를종합하였을때, 5 % 및 15 % HP의 3차미백처치시 B, BP, BPH 순서로유의한 ΔE 값의증가를보였다 (p<0.05). 35 % HP의 3차미백처치시 35B 보다 35BP 및 35BPH에서 ΔE 값이유의하게증가하였으나 (p<0.05), 35BP 및 35BPH 간의유의한차이는없었다 (p>0.05). 또한 15BPH 는 35BP 및 35BPH 와 ΔE 값의유의한차이가없었다 (p>0.05). 따라서앞으로조작및휴대가간편하게개선된플라즈마장비를임상및가정에보급하여 15 % 이하의 HP와함께적용한다면, 고농도의위험을감수하지않고도충분히만족스러운색조개선효과를볼수있을것으로기대된다. 162
Table 4. ΔE Group NBS units of experimental specimen Bleaching times (NBS units) 1 2 3 5B 6.5 much 8.4 much 11.1 much 5BP 12.5 very much 16.1 very much 17.0 very much 5BPH 17.8 very much 19.3 very much 20.6 very much 15B 13.1 very much 15.0 very much 16.8 very much 15BP 16.9 very much 18.5 very much 19.0 very much 15BPH 20.7 very much 22.3 very much 22.7 very much 35B 14.0 very much 15.9 very much 18.1 very much 35BP 18.4 very much 22.2 very much 23.4 very much 35BPH 21.7 very much 23.3 very much 23.5 very much Ⅳ. CONCLUSION 본연구는우전치에농도별 HP를단독도포하거나플라즈마또는미량의수증기를첨가한플라즈마조사에따른미백효과를확인하고자하였다. 미백을총 3회시행한후색조변화량 (ΔE ) 및 NBS 단위값에따라평가하였으며그결과는다음과같다. 본실험에서수증기를첨가한플라즈마를조사할경우미백효과를향상시킬수있었으며, 이를 15 % HP에적용했을때 35 % HP의적용에상응하는결과를보임으로써, 보다안전하면서도효과적인차세대미백치료의기초자료로서활용될것으로기대된다. Ⅴ. REFERENCES 1. 3차미백처치시미백전에비해모든군에서 ΔE 값이유의하게증가하였다 (p<0.05). 2. 5 %, 15 % HP의 3차미백처치시단일 HP 군, 플라즈마군, 수증기첨가플라즈마군순서로 ΔE 값이유의하게증가하였다 (p<0.05). 3. 35 % HP의 3차미백처치시단일 HP 군에비해플라즈마군및수증기첨가플라즈마군에서 ΔE 값이유의하게증가하였으며 (p<0.05), 두군간의유의한차이는없었다 (p>0.05). 4. 3차미백처치시 15 % HP 수증기첨가플라즈마군은 35 % 플라즈마및 35 % 수증기첨가플라즈마군과 ΔE 값의유의한차이가없었다 (p>0.05). 1. Choi EH, Kim KN, Kim YH, Kwon JS (2015). Removing method of tooth cell coloring material with plasma. Korea Patent Application 10-1500155. 2. Gross MD, Moser JB (1977). A colorimetric study of coffee and tea staining of four composite resins. J Oral Rehabil 4:311-322. 3. Harlan AW (1884). The removal of stains from teeth caused by administration of medical agents and the bleaching of pulpless tooth. Am J Dent Sci 18(521): 355 61. 4. Haywood VB (2002). Dentin hypersensitivity bleaching and restorative considerations for successful management. Int Dent J 52:7-10. 163
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