A comparison of the bone-like apatite formation potency between Hydroxyapatite and β-Tricalcium phosphate in Glass ionomer dental luting cement

Abstract

[한글]글래스아이오노머 시멘트와 하이드록시아파타이트를 혼합하여 인간 치아와 접착시켰을 때 골유사아파타이트(bone-like apatite)의 형성으로 인하여 결합력이 증가되었다는 보고가 있었다. 하지만, 하이드록시아파타이트의 낮은 용해도로 인해 골유사아파타이트가 비교적 적게 형성되었다. 이번 연구의 목적은 용해도가 높은 제3 인산칼슘과 하이드록시아파타이트를 글래스아이오노머 시멘트에 혼합하여 치아에 접착하였을 때, 치아와 시멘트 사이의 계면에서 골유사아파타이트의 형성이 증가하는지를 알아보는 것이다. 그리고, 하이드록시아파타이트의 강한 물리적 특성과 제3 인산칼슘의 높은 용해성을 모두 가지는 이상인산칼슘(biphasic calcium phosphate)의 생체활성능(bioactivity)이 시멘트에 혼합하였을 때도 발현되는지 알아보기 위함이다. 이전 연구에서 글래스아이오노머 시멘트 제품인 RelyXTM (3M/ESPE, USA)에 15 wt%의 하이드록시아파타이트를 혼합하였을 때 가장 높은 물리적 성질을 보인 점을 감안하여, 같은 비율의 제3 인산칼슘과 하이드록시아파타이트를 사용하였다. 그리고, Huipin 등의 연구에 따라 가장 골유도능이 높다고 알려진 하이드록시아파타이트와 제3 인산칼슘이 85 : 15의 비율로 혼합된 이상인산칼슘을 사용하였다. 따라서, 순수한 글래스아이오노머 시멘트는 대조군으로, 15 wt%의 하이드록시아파타이트, 이상인산칼슘, 제3 인산칼슘을 각각 포함하는 글래스아이오노머 시멘트를 실험군으로 설정하였다. 치과용 시멘트의 기본 성질인 피막도, 경화시간, 압축강도는 ISO 9927 기준에 맞게 측정되었다. 혼합된 글래스아이오노머 시멘트를 치아에 접착시킨 후, SBF에서 36.5 oC 수조에 4주간 보관하고 결합강도를 측정하였다. 그리고, 절단면의 표면 형태를 알아보기 위해 전자현미경 사진으로 관찰하였다. 1. 글래스아이오노머 시멘트의 피막도는 실혐군이 대조군에 비해 얇게 측정되었다. 하지만, 실험군 간에 통계학적 유의차가 없었다(P>0.05). 2. 글래스아이오노머 시멘트의 경화시간은 실험군이 대조군에 비해 길게 측정되었다. 이는 ISO 9917의 기준에 만족하였고, 실험군 간에 통계학적 유의차가 없었다(P>0.05). 3. 하이드록시아파타이트가 많이 포함되어 있을수록 글래스아이오노머 시멘트의 압축강도가 크게 측정되었다. 즉, 15 wt% 하이드록시아파타이트, 이상인산칼슘, 제3 인산칼슘을 포함한 글래스아이오노머 시멘트, 순수한 글래스아이오노머 시멘트 순으로 압축강도가 크게 측정되었다(P<0.05).

4. 제3 인산칼슘의 양이 많이 포함되어 있을수록 글래스아이오노머 시멘트의 결합강도가 크게 측정되었다. 즉, 15 wt% 제3 인산칼슘, 이상인산칼슘, 히이드록시아파타이트를 포함한 글래스아이오노머 시멘트, 순수한 글래스아이오노머 시멘트 순으로 결합강도가 크게 측정되었다(P<0.05).

5. 절단면의 전자현미경 관찰 결과, 위와 같은 순으로 골유사아파타이트 형성이 많이 관찰되었다.

이상의 실험 결과로부터 아파타이트를 첨가한 것은 기존의 글래스아이오노머 시멘트의 물성을 향상시켰을 뿐 아니라, 결합강도 또한 증가하였다. 특히, 용해도가 높은 제3 인산칼슘을 포함한 그룹이 하이드록시아파타이트를 포함한 그룹보다 치아와의 계면에서 골유사아파타이트의 형성이 많이 이루어졌으며, 이로 인해 결합강도가 더 높았을 것으로 생각된다. 이러한 아파타이트의 생체활성능을 최대한 활용한다면 글래스아이오노머 시멘트 뿐 아니라, 여러 가지 다른 치과용 재료의 발전을 이룰 수 있을 것이다.

[영문]An increase in bonding strength due to the formation of bone-like apatite when of glass ionomer dental luting cement(GIC) and hydroxyapatite(HA) is bonded to human teeth has been reported in previous studies. However, the amount of bone-like apatite formed was rather low due to the low solubility of HA. The purpose of this study was to determine whether a mixture of highly soluble β-tricalcium phosphate(β-TCP) and HA added to glass ionomer cements increases bone-like apatite formation in the tooth-cement interface. Also, this study aims to determine whether the bioactivity of biphasic calcium phosphate(BCP: a mixture of HA and TCP), which is known to have both the physical properties of HA and the high solubility of β-TCP, is affected when used in dental luting cements. Considering the fact that 15% HA-GIC(RelyXTM luting, 3M ESPE, USA) had the best physical properties in previous studies, the same composition of β-TCP and HA was used. In addition, an 85/15 mixture BCP of HA and β-TCP, which has been reported to have the greatest osteoinductive potency(HUIPIN YOAN et al., 2002) was used, Total of four groups: the control group using pure glass ionomer, and the 3 test groups using 15% HA-GIC, 15% BCP-GIC, 15% TCP containing 85/15 mixture of HA and β-TCP, respectively, were established. The necessary requirement to be used as a dental luting cement is the film thickness, setting time, and compressive strength. Therefore, the experiments were conducted with an emphasis on these three factors, following ISO standard 9917-1:2003(E) regulations. Five samples from each group were bonded to natural teeth and stored in simulated body fluid(SBF) at 36.5oC. After four weeks, the bonding strength was measured, and the luting surface was analyzed using a scanning electronic microscope(SEM). No significant differences in film thickness were observed between the 15% HA-GIC, 15% BCP-GIC, 15% TCP-GIC groups, which were thinner than that of pure GIC. The setting time of the pure GIC group was shorter than that of the three test groups, but no significant inter-group differences were observed. Compressive strength was proportional to the amount of HA, with 15% HA-GIC having the greatest value, followed by 15% BCP-GIC, 15% TCP-GIC, and GIC, in decreasing order. 15% TCP-GIC and 15% BCP-GIC had the highest bonding strengths, and a SEM analysis of cross sections revealed that bone-like apatite formation was proportional to the amount of β-TCP. Improvements in physical properties were observed in the HA, BCP, TCP-GIC groups, and in particular, bonding strength - which was the most important aspect of interest in this study - showed remarkable improvements. The higher bonding strengths of 15% TCP-GIC group compared to 15% HA-GIC group may be explained by the high solubility of β-TCP, which facilities bone-like apatite formation in the tooth-cement interface. However, further long-term studies involving experiments with various compositions of HA and β-TCP will pave the way for advancements in dental cements.