치과용복합레진 ② 콤포지트 레진

콤포지트 레진은 복합재료의 일종이다. 일반적으로 복합재료라는 것은 성분과 형태가 다른 2종 이상의 소재를 복합화하여 재료학적으로 물성을 강화한 것을 말한다. 치과용 콤포지트 레진의 주요 성분으로 레진기질(resin matrix), 무기필러(filler) 및 계면 결합제 등이 있다. 

콤포지트 레진은 레진기질로 다관능성 단량체가 사용되며, 물성 강화를 위해 무기물 필러가 첨가되었으며, 필러 표면은 화학처리되어 레진기질과 화학적으로 결합되어야 한다. 이상 3가지 조건을 만족하는 것을 '콤포지트레진'이라고 한다. 

콤포지트 레진은 레진기질에 무기필러가 첨가되었기 때문에 비충전 레진에 비해 기계적 성질이 우수하고, 열팽창계수가 감소되었으며, 중합수축이 1.4% 정도까지 감소하였고, 마모저항성이 증진되었다. 레진기질은 Bis-GMA나 urethane dimethacrylate (UDMA)가 주로 사용되며, 이들 올리고 머(oligomer)는 점성이 높은 액체이기 때문에 triethyleneglycol dimethacrylate (TEGDMA)와 같은 희석 단량체(diluent monomer)가 배합되어 사용된다. 

 

1) 치과용 고분자계 수복재료에 대한 분류

ISO 4049(2019)에서는 치과용 고분자계 수복재료에 대해 다음과 같이 2가지 유형(type)이 있으며,

- 제1형: 교합면을 포함한 수복에 적합한 고분자계 재료

- 제2형: 기타의 고분자계 수복재료 및 합착재료

 

치과용 충전, 수복 및 접착재료는 다음과 같이 3가지 등급으로 분류한다.

- 제1급: 화학중합 재료(self-cured material)

- 제2급: 외부에서 공급되는 에너지(광 또는 열)로 중합되는 재료(external-energy-activated material), 여기에는 2가지 군이 있다 

  _제1군: 구강 내에서 에너지를 공급받는 재료

  _제2군: 구강 외에서 에너지를 공급받는 재료로 중합된 후에는 시멘트로 구강 내에 접착한다.

- 제3급: 외부에 공급되는 에너지에 의해 중합될 뿐 아니라 화학중합에도 함께 병행되는 재료(dual-cured material)

 

KS P ISO 4049의 요구사항에 의하면 화학중합 기전을 갖는 1급과 3급 재료의 경우 작업시간은 최소 90초여야 하며, 경화시간은 1급의 경우는 최대 5분 이내이고 3급의 경우는 10분 이내여야 한다. 외부 에너지에 의해 중합되는 2급의 경우 최소 중합깊이는 불투명 색조의 경우는 최소 1mm, 나머지 모든  색조의 경우는 최소 1.5mm의 중합깊이를 가져야 한다.

1급-3급 모두 흡수성은 7.5 μg/mm³ 이내이어야 한다. 또한, 굴곡강도(flexural strength)는 제1형의 콤포지트 레진에 대해서는 굴고강도가 최소 80 MPa 이상이어야 하며, 특히 제1형-제2급-제2군의 재료(교합면에 사용되며 구강 외에서 광중합 시키는 재료)는 그 값이 100 MPa 이상이어야 한다고 규정하고 있다.

또한, 제2형의 콤포지트 레진에 대해서는 50 MPa 이상의 굴곡강도를 요구하고 있다. 

 

2) 콤포지트 레진

(1) 조성 

① 레진 기질 

콤포지트 레진의 기질로는 가장 일반적으로 사용되는 Bis-GMA와 UDMA가 희석용 레진인 TEGDMA와 혼합되어 사용된다. Bis-GMA는 1963년 미국의 Bowen이 bisphenol-A와 glycidyl methacrylate를 반응시켜 합성하였고, 두 반응물의 머리글자르 따서 'Bis-GMA'라고 명명하였으며, 정식 화학명은 2,2-bis [4(2-hydroxy-3 metharyloxypropoxy) phenyl] propane이다. 

메틸메타크릴레이트에 비해 Bis-GMA는 분자량이 크므로 중합수축이 적고, 분자 내에 관능기(functional group)가 2개 있으므로 고도로 가교된 망상의 중합체를 만들며, 구강 내에서 빨리 경화되고, 휘발성이 없는 장점이 있다. 또한 분자량이 커서 레진기질로 적당하다. 그러나 단점이 없는 것은 아니다. Bis-GMA는 측쇄에 친수성의 -OH 기를 갖고 있으며 분자량이 크기 때문에 점도가 매우 높을 뿐 아니라 수분 흡수성이 높다. 또한 공기와 접촉하면 중합이 크게 방해를 받는 단점이 있다. 

Bis-GMA의 높은 점도를 보상하기 위해서 TEGAMA와 같은 저점도의 다관능성 단량체가 희석체(diluent)로 레진 기질에 첨가되어 공중합체 형태로 사용된다. 그러나 이러한 희석용 레진은 흡수성을 증가시키는 문제가 있다.

최근에는 Bis-GMA의 단점을 극복하기 위한 많은 변형이 시도되고 있다. 즉 Bis-GMA의 hydroxyl기가 치환된 Bis-EMA계 단량체라든지, 개환반응에 의해 경화수축이 더욱 감소된 단량체들(예: spiroorthocarbonate)이 개발되고 있다. 

 

②무기필러 

콤포지트 레진에는 물성을 강화하기 위한 목적으로 다양한 무기질이 필러로서 첨가되어 있다. 그  첨가양은 필러입자 크기와 형상에 의해 다르지만, 재래형 콤포지트 레진의 경우 전체의 70-80% 정도를 차지한다. 그 성분은 주로 실리카계의 무기물(crystalline quartz)이 이용되었다. 초기의 콤포지트 레진에는 알칼리 글라스가 사용되었지만 레진을 변색시키므로 현재는 사용되지 않고 있다. 

최근의 콤포지트 레진에는 석영(quartz), 붕규산글라스(borosilicate glass) 외에 리튬알루미늄실리케이트(lithium  aluminum silicate)와 같은 글라스-세라믹 분말 등이 사용되고 있다. 

제품에 따라서는 콤포지트 레진에 방사선 불투과성(radiopacity)을 부여하기 위해 산화바륨 또는 바륨알루미늄 실리케이트(barium aluminum silicate) 등이 필러로 사용되는 것도 있다. 바륨(barium), 스트론듐(strontium), 란타늄(lanthanum) 글라스는 방사선 불투광성이 있는 반면 석영과 알루미늄실리케이트는 방사선 투과성을 갖는다. 입자의 크기는 1-100 ㎛로 다양하다.