산화아연 나노 입자를 첨가한 규산칼슘 기반 시멘트의 물리·기계적 특성, 세포독성 및 항균성 평가

Abstract

규산칼슘 기반 시멘트(calcium silicate-based cement; CSC)는 일반적으로 치수복조(pulp capping), 치근단 형성술(apexification), 치근단 충전(root-end fillings), 천공 폐쇄(perforation closure)와 같은 근관 치료에 사용되고 있다. CSC는 밀폐 효과가 뛰어나고 pH 증가에 따른 항균 특성으로 세균의 성장을 억제하는 장점이 있지만 항균 효과는 제한적이다. 산화아연 나노 입자(zinc oxide nanoparticles; ZnO-NPs)는 항균 효과를 가지고 있어서 의학 분야에 응용될 수 있는 유망한 생체 재료이다. 본 연구의 목적은 CSC에 다양한 비율의 ZnO-NPs를 첨가하여 물리적 특성과 세포독성 및 Enterococcus faecalis (E. faecalis)에 대한 항균 효과를 평가하는 것이다. 규산칼슘 기반 시멘트(CSC)에 산화아연 나노 입자(ZnO-NPs)를 0 wt%(대조군), 1 wt%(CSZ1), 3 wt%(CSZ3), 5 wt%(CSZ5)로 첨가하였다. 물리적 특성으로 경화시간, 압축강도, X-ray diffraction (XRD) 분석, 아연 이온 방출 및 용해도를 측정하였다. L-929 섬유아세포를 이용한 water soluble tetrazolium–1 (WST-1) 분석으로 세포독성을 평가하였고 E. faecalis에 대한 항균성은 colony forming unit (CFU)으로 평가하였다. CSC에 ZnO-NPs 함량이 증가함에 따라 CSZ 그룹들의 경화시간은 CSC에 비교하여 증가하였고 유의한 차이를 보였다 (p < 0.05). 또한, 압축강도는 CSC와 CSZ1 그룹과 비교하여 CSZ3과 CSZ5 그룹의 강도가 크게 감소하였고 유의한 차이를 보였으며(p < 0.05), 모든 CSZ 그룹의 용해도는 3% 이하였다. XRD 분석에서는 CSC와 비교하여 CSZ 그룹에서는 ZnO의 상(phase)이 검출한 것을 확인하였고, 24시간 동안 용출된 CSC와 CSZ 그룹의 아연 이온 방출을 관찰한 결과 통계적으로 유의한 차이는 없었다 (p > 0.05). 세포독성 평가에서는 대조군 CSC와 비교하여 CSZ 그룹은 세포 배양 배지로 배양한 Blank와 양성대조군(positive control; PC)과 비교하였을 때 유의한 차이를 보였지만(p < 0.05), CSZ 그룹은 CSC와 비교하였을 때 세포 생존율에 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다(p > 0.05). 그러나 CSZ1 그룹의 E. faecalis에 대한 항균 효과는 다른 실험군에 비해 더 효과적이며, 통계적으로 유의한 차이를 보였다(p < 0.05). 따라서, 본 연구를 통해 1 w t% Z nO-NPs를 첨가한 CSC는 항균 효과가 증가하고 물리적 특성과 세포 생존율이 유지되어 근관 치료용 재료로 사용될 수 있을 것으로 사료된다. Calcium silicate-based cement (CSC) is commonly used in root canal treatments such as pulp capping, apexification, root-end fillings, and perforation closure. CSC has been used as root canal sealer due to its excellent sealing capabilities and antibacterial properties related to increased pH. Still, antibacterial properties were indicated to be somewhat limited. Zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) have been widely used as biomaterials for their antibacterial effects. The purpose of this study was to evaluate the physical properties, cytotoxicity, and antibacterial effect against Enterococcus faecalis (E. faecalis) by adding various ratios of ZnO-NPs to CSC. Different proportions of zinc oxide nanoparticles (ZnO-NPs) were added to calcium silicate-based cement (CSC); 0 wt% (control), 1 wt% (CSZ1), 3 wt% (CSZ3), and 5 wt% (CSZ5). Physico mechanical, setting time, compressive strength, X-ray diffraction (XRD), zinc ion release, and solubility were measured. Also, cytotoxicity was evaluated by water soluble tetrazolium–1 (WST-1) assay using L-929 fibroblasts, and antibacterial activity was evaluated by colony forming unit (CFU) against E. faecalis. As the content of ZnO-NPs in CSC increased, the setting time in the CSZ group significantly increased compared to the control CSC (p < 0.05). In addition, compared to the CSC and CSZ1 groups, the compressive strength of the CSZ3 and CSZ5 groups showed significantly decreased values (p < 0.05) while the solubility of all CSZ groups were 3% or less. In XRD analysis, compared to CSC, the CSZ group confirmed that ZnO phase was detected, and as a result of zinc ion emission in the CSC and CSZ groups eluted for 24 hours, it was confirmed that the CSZ3 group released high zinc ions, but there was no statistically significant difference compared to the experimental groups CSZ1 and CSZ5 groups (p > 0.05). cytotoxicity evaluation, compared to the control CSC, the CSZ group showed a significant difference when compared to Blank and positive control (PC) cultured with cell culture medium (p < 0.05), but the CSZ group showed a significant difference compared to CSC. There appeared to be no significant difference in cell viability (p > 0.05). However, the antibacterial effect of the CSZ1 group was more effective than the other experimental groups, showing a statistically significant difference (p < 0.05). In conclusion, the addition of 1 wt% ZnO-NPs to CSC increases the antibacterial effect and maintained the physical properties and cell viability as compared with CSC, with the potential for the endodontics materials.