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J Korean Acad Oral Health 2023; 47(4): 160-166

Published online December 30, 2023 https://doi.org/10.11149/jkaoh.2023.47.4.160

Copyright © Journal of Korean Academy of Oral Health.

Evaluation of toothpaste abrasivity using acrylic and spectrophotometry

Seung-Hwa Jeong1 , Min-Ji Byon1,2 , Eun-Joo Jun1

1Department of Preventive & Community Dentistry, School of Dentistry, Pusan National University,
2BK21 PLUS Project, Pusan National University, Yangsan, Korea

Correspondence to:Seung-Hwa Jeong
Department of Preventive & Community Dentistry, School of Dentistry, Pusan National University, 49 Busandaehak-ro, Mulgeum-eup, Yangsan 50612, Korea
Tel: +82-51-510-8222
Fax: +82-51-510-8221
E-mail: jsh0917@pusan.ac.kr
https://orcid.org/0000-0001-5173-2859
*이 과제는 부산대학교 기본연구지원사업(2년) 에 의하여 연구되었음.

Received: November 25, 2023; Revised: December 1, 2023; Accepted: December 1, 2023

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/), which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Objectives: This study aimed to develop a method for objectively evaluating toothpaste abrasivity, enabling a direct comparison between different toothpastes.
Methods: Nine commercially available toothpaste variants were selected, and 8 mm thick acrylic specimens were allocated to each toothpaste treatment group (n=7). A control group without toothpaste was also included. Specimens and toothbrushes were mounted on the V8 Cross brushing machine, and toothpaste (0.05-0.1 g) was applied for 20 strokes under a 200 g load and 1 Hz speed. The surface wear was measured at an absorbance of 600 nm in a UV-Vis spectrophotometer. Specimens were then photographed with a polarized light microscope, and the gray value of the worn brushed part was obtained through image analysis using Image J software. A one-way ANOVA followed by Bonferroni’s post-hoc test was employed for analyzing absorbance and gray value differences among the toothpaste groups. The correlation between absorbance and gray value was assessed using Pearson’s correlation analysis.
Results: Significant differences were noted in absorbance and gray values across the toothpaste groups (P<0.05), and a strong correlation was observed between the absorbance and the values from the images analyzed (r=0.948, P<0.001). The wear rankings based on absorbance and image analysis values were mostly the same.
Conclusions: This study introduces a direct and objective method for evaluating toothpaste abrasion, offering users objective information on different toothpaste types.

Keywords: Acryl, Polarized light microscopy, Spectrophotometer, Toothbrushing, Toothpaste abrasivity

치약은 모든 사람이 매일 사용하는 필수 구강관리용품으로, 국내에서는 의약외품으로 분류되어 관리되고 있다. 2023년 3월 기준, 식약처에 등록된 치약제(분류번호 41400)는 총 3,024건(제조 2,831건, 수입 193건)이며, 매년 신규등록건은 2018년 217건, 2019년 186건, 2020년 233건, 2021년 143건, 2022년 139건이다1). 국내에 유통되는 모든 치약은 의약외품 표준제조기준(치약제)을 준수해야 하며, 치태제거(안티프라그) 효능을 표방하기 위해서는 유효성분 Ⅴ에 해당하는 연마제 성분(인산수소칼슘, 탄산칼슘, 이산화규소 등 총 10종) 중 1종 이상을 각 배합한도 내에서 함유하고 있어야 한다2). 연마제의 종류, 배합 농도 뿐만 아니라, 연마제의 물리적 특성(입자 크기, 모양, 경도 등)은 치태제거 효과에 영향을 미칠 수 있다3).

치약 연마제의 치태제거 효과가 클수록, 상대적으로 경도가 낮은 법랑백악경계부의 백악질과 치근 상아질이 마모될 수 있으며, 지속적인 마모는 치경부마모증과 상아질지각과민증을 야기한다4,5). 이에 대한 치료방법은 해당 부위를 레진으로 충전하거나 노출된 상아세관을 불소바니시로 도포하는 방법 등이 있으나, 충전물의 탈락 또는 증상 재발이 빈번하다.

치약에 배합되는 연마제 성분은 치태제거와 상아질마모에 미치는 영향 매우 크지만, 평가법의 난해함과 고비용으로 인해 제조사는 치약의 상대적인 치태제거능력과 상아질마모도에 대한 객관적인 자료를 제시하지 못하고 있으며, 식약처도 이를 강제하거나 개선할 정책적 의지가 부재한 상황이다. 2018년 식약처 국정감사에서 치약의 마모도 표기의 필요성이 지적된 바 있으며6), 2019년 10월 식품의약품안전평가원의 [치약의 마모도 시험법 확립 및 마모도 정보활용 방안 연구] 보고서가 발행되었으나7), 기존 ISO 국제표준 방법의 도입과 고가의 새로운 분석 장비를 제안하여, 본 연구자 및 제조업체의 입장에서는 실제 치약 제조산업 현장에 적용하기에는 여전히 고비용-비효율적인 방법으로 판단된다.

예방치의학적 관점에서 치약 선택의 주요 기준 중 하나는 대상자 맞춤형 적정 연마도 함유 치약을 선정하여 올바르게 사용하는 것이다. 개인의 칫솔질 습관, 칫솔모 특성, 치면세균막 관리능력, 치경부마모증, 과민성 치아, 치주질환 증상 등의 특성에 따라 개인은 연마도가 높거나, 중간, 또는 낮은 치약을 선택해야 한다8). 하지만, 소비자와 치과전문가들은 현재 유통되는 치약의 상대적인 연마도 정보를 전혀 파악할 수 없으며, 기존 자료들조차도 수년 전 특정 실험 조건에서 당시 치약 브랜드에 한해 보고된 과거 자료로 현재 활용 가치가 떨어진다8-10).

이러한 치약의 연마도 정보의 필요성에 대해 국내외 치과계, 산업계, 학계, 정부 기관 모두 동의하고 있으나, 국제표준협회에서 규정(ISO 11609:2017)하는 치약마모도 측정법인 방사성 표본치아절편 마모량 측정법(radioactive dentine abrasion methods, RDA)과 표면 조도 측정법(surfaceprofile measurements, SPM)으로 산출하는 치약의 비교상아질마모도(relative dentine abrasion, RDA) 산출법은 각 제조사 또는 실험실에서 재현하기에는 난이도가 높고, 고비용과 시간이 오래 소요되는 단점이 있다11,12). 치약제조업체는 이를 수행하기 위한 시설 및 연구인력을 갖추기가 비용 대비 현실적으로 불가할 것이다. 따라서, 매년 신규 출시되는 치약뿐 아니라, 기존의 유통되는 치약의 마모도 정도를 신속, 정확하게 평가할 수 있는 평가법 개발이 필요하다. 치약의 상대적인 마모도를 정량적으로 나타낼 수 있는 간단한 평가방법이 개발된다면 소비자에게 마모도 정보를 쉽게 제공할 수 있고, 대상자별 적절한 치약을 추천할 수 있는 자료로 이용될 수 있다.

본 연구에서는 치약의 상대적인 마모도를 간편하고 정확하게 평가할 수 있는 새로운 평가법을 제안하고자 한다.

1. 연구대상

1.1. 실험치약의 선정

본 연구에서는 국내에서 유통되는 치약 중에서 연마제 종류, 제조업체, 표방하는 치약 효능을 고려하여 9개의 치약을 임의로 선정하였다(Table 1). 연마제로서 덴탈타입실리카 함유 치약이 3종, 탄산칼슘 함유 치약이 1종, 무수인산수소칼슘/인산수소칼슘수화물을 함유 치약이 1종, 인산수소칼슘수화물 함유 치약이 1종, 콜로이드성이산화규소 함유 치약이 1종, 콜로이드성이산화규소/인산삼칼슘 함유한 치약이 2종이었다.

Table 1 . The characteristics of toothpastes used in this study.

Commercial nameAbrasiveCorporationCountry
Sensodyne freshDental type silicaNeocosmed Co., Ltd.Thailand
Dental clinic 2080 signature total greenDental type silicaAekyung Co., Ltd.Korea
Median original calculus careDental type silicaAmorepacific Co., Ltd.Korea
Perio cavity care advancedCalcium carbonateLG Household & Health Care Ltd.Korea
Anti-plaqueDibasic calcium phosphate/dibasic calcium phosphate dihydrateBukwang Co., Ltd.Korea
Colgate maximum cavity protectionDibasic calcium phosphate dihydrateColgate-Palmolive Co., Ltd.Thailand
Vussen 28 advanced whiteningColloidal silicon dioxideOsstem pharma Co., Ltd.Korea
Sirinmed FColloidal silicon dioxide/tricalcium phosphateBukwang Co., Ltd.Korea
Vussen sensitive careHydrated sillica/tribasic calcium phosphateOsstem pharma Co., Ltd.Korea


1.2. 아크릴 시편 및 칫솔의 선정

아크릴 시편은 8 mm 두께의 투명 아크릴을 8 mm×50 mm×12.4 mm 크기로 주문·제작(㈜ 무진에이앤엘)하였다. 칫솔은 국내 시판 중인 일반적인 칫솔(스카이덴트 No. 32 soft, 대한민국)을 선정하였다. 칫솔은 자동 칫솔질 기계(V8 Cross Brushing Machine, 하나기연, 대한민국)에 삽입가능하도록 칫솔머리 부분만을 잘라 사용하였다.

2. 연구방법

2.1. 치약에 의한 마모 유발

투명 아크릴 시편과 칫솔머리를 자동칫솔질 기계에 장착한 후, 압력계를 이용하여 각 시편에 가해지는 칫솔 압력이 200 g이 되도록 조정하였다13,14). 칫솔질이 가해질 아크릴 면에 각 실험치약을 적당량(0;05-0.1 g)을 도포하였으며, 대조군은 치약을 도포하지 않았다. 칫솔질은 분당 60회의 속도로 20회 왕복 칫솔질하였다. 이러한 과정을 통해 투명한 아크릴 표면에 스크레치가 형성되었다. 각 치약군 및 대조군에 대해 7번 반복 시행하였다.

2.2. 마모된 아크릴 시편의 정량평가

(1) 흡광도 평가

투명한 아크릴 표면에 형성된 스크레치를 정량적으로 평가하기 위해, 분광광도계(UV-Vis Spectrophotometer, Shimadzu UV-1201, Japan)를 사용하였다. 정상 표면을 0으로 보정 후, 600 nm에서 흡광도(optical density, OD)를 측정하여, 소수점 넷째 자리까지의 측정값을 산출하였다.

(2) 이미지 분석

밝기와 필터를 고정한 편광현미경(BX43-P, Olympus, Japan) 100배 배율에서 아크릴 시편의 정상 표면과 칫솔질된 표면을 Mosaic 2.1 (Tucsen Photonics, China) 프로그램으로 촬영하여 저장하였다. 각 아크릴 시편은 칫솔질 된 면(우측)과 그렇지 않은 면(좌측)이 절반씩 나타나게 촬영하였으며, 촬영 위치에 따른 영향을 줄이기 위해 동일 시편 내에서 서로 다른 3개의 위치를 각각 촬영하였다.

편광현미경 촬영 사진은 Image J (ImageJ 1.51j8, Wayne Rasband National Institutes of Health, USA) 프로그램의 Plot Profile 분석 기능을 활용하여 이미지의 각 가로 픽셀당 세로 픽셀들의 평균 Gray value (GV)를 산출하였다. 이미지 내에서 칫솔질 되지 않은 부분과 칫솔질 된 부분의 비교 영역을 설정하기 위하여, 대조군 이미지 좌측과 우측에서 평균 GV가 238-240인 픽셀 거리 영역을 각각 설정하였다. 이를 통해 칫솔질 되지 않은 부분의 이미지 픽셀 거리 영역은 800-1400 pixels, 칫솔질 된 부분의 이미지 픽셀 거리 영역은 4600-5200 pixels로 결정하였다. 각 치약 실험군 이미지들로부터 설정된 픽셀 거리영역의 GV를 산출하였다. 각 이미지에서 칫솔질 된 영역(4600-5200 pixels)과 칫솔질 안된 영역(800-1400 pixels)의 GV 차이 절대값의 평균을 산출하였다.

3. 통계분석

치약별 아크릴 시편 흡광도 및 치약별 편광현미경 사진 이미지 gray value의 차이는 일원배치분산분석과 Bonferroni 사후검정으로 확인하였다. 흡광도와 이미지 분석 결과 간 상관관계 확인을 위해 피어슨 상관분석을 시행하였다. 통계적 판단을 위한 유의수준(α)은 0.05로 설정하였으며, 모든 통계분석은 IBM SPSS Statistics 25 프로그램 (IBM Corp., New York, NY, USA)을 이용하였다.

1. 마모된 아크릴 시편의 흡광도 비교

각 치약을 이용해 동일한 조건에서 칫솔질한 결과, 투명아크릴 표면에 육안으로 관찰되는 스크래치가 형성되었다. 치약 없이 칫솔질한 경우에는 스크래치가 관찰되지 않았다. 치약에 따라 스크래치 정도가 다르게 나타났으며, 시각적으로 치약의 마모도 차이를 확인할 수 있었다.

스크래치가 생긴 아크릴 시편에 대한 흡광도를 측정한 결과, 스크래치가 큰 표면의 OD값이 높게 나타났으며, 스크래치가 적은 표면의 OD값은 낮게 나타났다(P<0.05). OD값은 안티프라그>페리오>뷰센S>콜게이트>메디안>2080>시린메드>뷰센28>센소다인>control 순으로 나타났다. 안티프라그 치약의 OD값은 0.0530으로 센소다인 치약의 OD값 0.0007보다 76배 높았다(Table 2).

Table 2 . Optical density and gray value of abraded acrylic specimen by toothpaste.

GroupOptical densityGray value
N of specimensMean±SDN of imagesMean±SD
Anti-plaque70.0530±0.0048a217.26±1.86a
Perio70.0139±0.0026b212.31±0.76b
Vussen sensitive70.0080±0.0029c211.79±0.80b
Colgate70.0032±0.0007d210.85±0.37c
Median70.0030±0.0009d,e210.72±0.42c
208070.0023±0.0007d,e210.57±0.37c
Sirinmed70.0015±0.0005d,e210.34±0.33c
Vussen 2870.0010±0.0004d,e210.36±0.21c
Sensodyne70.0007±0.0006d,e210.31±0.16c
Control70.0000±0.0004e210.28±0.14c

Analysis was conducted by one way ANOVA..

a,b,c,d,eSame letters denote there are no significant difference between groups by bonferroni test (P<0.05)..



2. 편광현미경 이미지 분석

마모되어 스크래치가 챙긴 아크릘 시편 표면을 편광현미경으로 촬영한 한 결과, 칫솔질로 마모가 된 정도를 확인할 수 있었다. 디지털이미지 분석을 통해 마모 정도를 정상 표면 대비 gray value (GV)의 차이로 정량 분석한 결과, 스크래치가 큰 표면의 GV가 작게 나타났으며, 스크래치가 적은 표면의 GV는 크게 나타났다(P<0.05) (Table 2, Fig. 1, 2). GV값은 안티프라그>페리오>뷰센S>콜게이트>메디안>2080>뷰센28>시린메드>센소다인>control 순으로 나타났다. 안티프라그 치약의 GV는 7.26으로 센소다인 치약의 GV값 0.31보다 23배 높았다(Table 2).

Figure 1. Polarized light images (top) and gray value graph (bottom) of a non-brushed and brushed acrylic surface (the left side of the image depicts the unbrushed area, whereas the right side corresponds to the toothbrushed area).

Figure 2. Gray value graph depicting a specific 600-pixel area of both a non-brushed and brushed acrylic surface (left) and absolute value of the difference between the gray values of the non-brushed and brushed acrylic surface (right).

3. 흡광도와 이미지 분석 결과의 상관성

마모된 아크릴 시편의 흡광도 OD값과 편광현미경의 이미지분석 GV 간의 상관분석 결과, 높은 상관관계를 나타냈다(r=0.948, P<0.001). 흡광도 값에 따라 구분된 순위와 이미지 분석값에 따라 구분된 순위가 Sirinmed와 Vussen 28만 제외하고 모두 일치했다.

국내외에서 매년 시판되는 치약의 종류는 매우 다양하며, 치약 속 함유된 연마제 성분 또한 제각각이다. 치약 속 연마제의 종류, 입자 크기, 함유량 등은 치면세균막의 제거 능력과 치아 마모에 영향을 줄 수 있는 중요한 정보이지만, 제조사는 연마제의 입자 크기나 함유량에 대한 정보를 소비자에게 공개하지 않는다. 적절한 치면세균막 관리 및 상아질 지각과민 관리를 위해서는 사용자의 구강상태에 맞는 적정 수준의 마모도를 갖는 치약 선택이 중요하다. 하지만, 치약마모도를 객관적으로 평가하기 위한 기존의 방법은 복잡하고 시간과 비용이 많이 들기 때문에, 기존 치약들의 마모도 정보는 매우 제한적이며, 이로 인해 치과전문가는 환자의 구강 상태에 맞는 치약 처방에 한계가 존재한다. 따라서 치약의 마모도를 객관적이고 간편하게 평가할 수 있는 평가법의 개발이 필요하다.

본 연구에서는 치약 마모도 평가를 위한 시편으로 쉽고 저렴하게 구할 수 있는 매끄럽게 표면처리된 투명 아크릴을 사용하였다. 치약에 관한 ISO 국제표준11) 및 대한민국 KS 산업표준15)에서는 치약의 마모도 평가를 위한 시편 재료로 발거한 사람 치아의 상아질 또는 법랑질을 권장하며, 시편의 복잡한 전처리 과정을 거쳐야만 한다. 하지만, 사람 치아 간의 변이, 시편을 제조하는 실험자의 숙련도에 따라 시편의 완성도와 물성은 달라질 수 있어, 표준화된 시편을 준비하기가 어려울뿐더러, 많은 시간과 비용이 소요된다. 또한 ISO에서 제시한 법랑질, 상아질 시편에 대한 왕복 칫솔질 횟수는 10,000회이다. 하지만, 본 연구에서 사용한 투명 아크릴 시편은 크기와 물성이 동일하였으며, 왕복 칫솔질 횟수도 20회로 짧은 시간에 치약마모도 실험이 가능했다. 본 연구에서 제안한 투명 아크릴 시편은 치약 마모도 평가의 시간과 비용을 획기적으로 단축시킬 수 있다.

치약-칫솔질에 의한 마모를 모사하기 위하여, 자동칫솔질기계를11,15) 이용하였다. 이 기계는 치약의 마모도 평가를 위해 ISO에서 권장하는 칫솔질 기계 사양에 준하여 국내 제작한 장비로, 시편을 위치시키고, 칫솔이 시편에 가하는 압력을 조정할 수 있으며, 왕복 횟수와 빠르기를 조정할 수 있는 장비이다. 200 g 칫솔 압력과 분당 60회의 왕복 칫솔질 속도 하에서 고마모도와 저마모도 치약 간의 아크릴 마모도 차이를 나타낼 수 있는 최적의 횟수를 찾기 위해 파일럿 실험을 수행하였으며, 이를 통해 최적의 횟수를 20회로 결정하였다. 칫솔질 횟수가 증가하면 마모도가 작은 치약도 마모가 누적되어 마모도가 높게 나타날 것이고, 마모도가 큰 치약은 초기의 급격한 마모 이후에 마모된 표면의 흡광도나 이미지상의 분석값이 정점에 이르러 치약 간 차이를 구분할 수 없을 것이다. 따라서 적정 칫솔질 횟수의 선택은 본 연구에서 매우 중요한 변수였다.

아크릴 표면의 치약에 따라 마모된 정도가 다름은 육안으로도 확인가능하다. 투명한 합성수지제는 표면 거칠기에 따라 빛의 난반사가 증가하여 투명도가 감소한다16). 본 연구에서는 이러한 차이를 정량적으로 평가하기 위하여, 분광광도계를 이용하여 흡광도 측정하였다. 흡광도 측정의 원리는 특정 파장의 빛이 평가하고자 하는 매질을 통과할 때 흡수되는 빛의 양을 측정하는 것으로, 주로 혼탁한 부유성 세균 배양액 속의 세균의 양을 정량적으로 평가할 때 사용된다17). 혼탁할수록 흡광도의 값은 높아진다. 이러한 원리를 활용하여, 투명한 아크릴 표면이 마모되어 탁해진 상태를 흡광도로 평가하였으며, 치약의 마모도가 높다고 알려진 치약(안티프라그)18)을 사용한 시편의 흡광도는 크게 나타났고, 마모도가 작다고 알려진 치약(센소다인)9)을 사용한 시편의 흡광도는 낮게 나타났다. 이러한 흡광도 측정 방법은 빠르고 간편하게 마모된 투명 아크릴의 객관적인 정량 지표를 산출할 수 있다.

아크릴 시편의 흡광도 측정법의 타당성을 증명하기 위해서, 편광현미경 이미지 분석법을 새롭게 고안하여 적용하였다. 100배 확대된 이미지를 촬영하여, 칫솔질 된 영역과 그렇지 않은 영역의 GV를 비교하여, 상대적으로 보정된 GV를 산출하였다. 각 치약군으로부터 얻어진 보정된 GV의 서열은 흡광도 서열과 유사하였으며, 매우 높은 상관성(r=0.948, P<0.001)을 나타냈다. 이를 통해 흡광도 측정 방법이 타당하다고 할 수 있다. 편광현미경 이미지 분석법이 객관적인 방법이지만, 분석시간은 흡광도 측정 시간에 비해 상당한 시간이 소요되었다. 따라서, 본 연구에서는 투명 아크릴 시편을 이용한 치약마모도 평가 방법으로서 분광광도계를 이용한 흡광도 측정법을 제안한다.

본 연구를 통해 제안한 아크릴 시편을 활용한 흡광도 평가 방법은 기존의 방법보다 더 단순하고 객관적이다. 첫째, 기존 방법의 상아질 시편은 경도 및 구성 성분의 변이가 존재하지만, 아크릴 시편은 동일한 경도와 재질로 표준화가 가능하다. 둘째, 짧은 칫솔질 횟수와 간단한 측정법으로 인해 다양한 치약의 마모도를 쉽게 측정할 수 있다. 셋째, 범용 광학 측정 장비를 활용함으로써 결과를 신뢰할 수 있고, 실험방법의 표준화가 가능하다. 따라서 본 연구에서 사용한 분석법은 치약의 상대적인 마모도를 정량적으로 나타낼 수 있는 간단하고 실용적인 평가법으로 이용할 수 있을 것이다.

본 연구에서 제안한 투명 아크릴 시편은 장점이자 한계점이 될 수 있다. 기존의 평가법은 실제 사람 치아의 법랑질과 상아질 시편을 이용했고, 실제 구강내 누적된 마모 상황을 재현하기 위해 10,000회의 칫솔질을 적용하였다. 하지만, 본 연구에서는 오로지 치약 간의 상대적인 마모도를 효율적으로 비교하기 위해 실제 치아와 물성이 다른 아크릴을 사용했고, 칫솔질 횟수도 20회로 제한하였다. 따라서, 본 연구에서 제안한 방법은 기존의 ISO 치약 마모도 평가법을 대체할 만큼 우수하다고 할 수 없으며, 신뢰성과 타당성을 뒷받침하는 추가적인 연구가 수행될 필요가 있다. 추후 연구에서는 새롭게 제안한 이 방법과 ISO 측정법에 따른 마모도 결과가 서로 상관성 있고 동일한 경향을 나타내는지 확인해 볼 필요가 있을 것이다.

본 연구에서는 투명 아크릴 시편과 분광광도계 흡광도 측정을 이용한 간단하고 객관적인 치약마모도 평가 방법을 고안하고 타당성을 확인하였다. 이 방법을 활용한다면, 국내 시판되는 수종의 치약의 마모도를 쉽게 모니터링할 수 있으며, 치약 사용자에게 치약 마모도에 대한 객관적인 정보를 비용-효과적으로 제공할 수 있을 것이다.

본 연구의 수행을 위해 연세대학교 치과대학 예방치과학교실의 자동칫솔질기계의 사용을 허락해 주시고 연구의 조언을 해주신 김백일 교수님께 감사의 말씀을 드립니다.

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