JKAOH Journal of Korean Academy of Oral Health

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J Korean Acad Oral Health 2024; 48(1): 20-25

Published online March 30, 2024 https://doi.org/10.11149/jkaoh.2024.48.1.20

Copyright © Journal of Korean Academy of Oral Health.

Microplastic chip occurrence at toothbrush bristle tips: an optical microscopy investigation

Seung-Hwa Jeong1 , You-Jin Cho1,2 , 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: February 17, 2024; Revised: February 26, 2024; Accepted: February 26, 2024

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 investigate the presence of microplastic chips at the tips of toothbrush bristles using optical microscopy.
Methods: Toothbrushes available in South Korea were tested. We randomly selected 12 toothbrushes, including four domestically produced and eight imported toothbrushes. Toothbrushes with tapered bristle ends were excluded. Toothbrushes with conventional bristle shapes based on visual inspection were included. Three identical toothbrushes were prepared. The outer bristles of each toothbrush were sampled using ScotchTM tape and prepared using a scalpel for optical microscopy. The inspector visually assessed both the bristle diameter and the presence of microplastic chips that remained attached to the ends of the toothbrush bristles under light microscopy (40× magnification).
Results: All toothbrush bristles met the criteria for soft bristles (diameters ranging from 0.2 to 0.25 mm). The incidence of microplastic chips varied among toothbrush bristles, ranging from a minimum of 3.6% to a maximum of 86.2%. Notably, toothbrushes with smaller diameter bristles exhibited higher levels of microplastic chips.
Conclusions: This study confirmed that the trimming conditions of toothbrush bristles and the occurrence of microplastic chips vary among different toothbrushes. Our findings suggest that toothbrush manufacturers need to improve their manufacturing processes to prevent the generation of microplastic chips during bristle trimming.

Keywords: Microplastic chip, Optical microscopy, Toothbrush bristle

미세플라스틱에 대한 명칭, 크기와 범주에 대한 국제적인 합의는 아직 없지만, 선행연구와 각 국가의 입법 규제에서 정의하는 미세플라스틱은 지름이 1 nm 이상 5 mm 이하인 고체형 플라스틱 입자를 말한다1). 2008년 미국 해양대기청이 주최한 바다 미세플라스틱 영향에 대한 국제 워크샵에서는 생물군에 의해 섭취될 수 있고, 생태계에 위협을 줄 수 있는 크기 기준으로 5 mm 이하의 작은 플라스틱 조각을 미세플라스틱으로 정의하였다2). 유럽화학물질청(ECHA)의 보고서 역시, 미세플라스틱을 고형폴리머로 구성된 물질로 1 nm-5 mm의 입자로 제안하였다1). 이처럼 미세플라스틱의 개념은 크기를 기준으로 정의하고 있다. 미세플라스틱은 발생 원인에 따라 2가지로 구분할 수 있으며, 1차 미세플라스틱(primary microplastic)은 특정 산업용이나 가정용 제품을 위해 미세 크기로 직접 제조되는 플라스틱을 말하며, 2차 미세플라스틱(secondary microplastic)은 큰 플라스틱이 물리적 마찰이나 자외선 등에 의해 5 mm 이하의 크기로 분해된 플라스틱을 말한다1).

미세플라스틱은 지구 환경에서 주로 바다로 유입되며, 해양 생물들이 미세플라스틱을 섭취, 흡수하면서 해양 생물의 대사, 생식 기능에 영향을 미쳐, 해양생태계에 영향을 미칠 수 있다2). 또한, 미세플라스틱은 매우 작은 크기이기 때문에, 호흡과 삼킴 과정에서 인체 내부로 흡수될 수 있다2). 미세플라스틱 입자가 인체 내부로 흡수될 경우, 염증 반응을 촉진하고, 호르몬 장애, 유전자 변형과 알러지 반응, 기침, 호흡곤란, 위장 장애, 신경계 장애 등과 같은 증상을 유발할 수 있다3). 하지만, 환경을 통해서 미세플라스틱이 인체에 축적되는 정도는 명확하지 않으며, 인체에 미치는 영향은 계속 연구될 필요가 있다. 미세플라스틱이 치아와 잇몸에 부착되면 치은염, 치주염 등의 구강질환의 위험인자로 작용할 수 있다4). 따라서, 미세플라스틱의 신체 및 구강 노출을 줄이는 노력이 필요하다5).

칫솔은 플라스틱의 환경 친화성을 강조할 때 자주 언급되며, 인류가 일상생활에서 빈번하게 사용하는 대표적인 플라스틱 제품 중 하나이다. 최초로 생산된 플라스틱 칫솔은 자연에서 아직까지도 분해되지 않았으며6), 분해되는 과정에서 다량의 미세플라스틱을 발생시킨다. 이러한 우려로 인해 최근에는 칫솔대를 나무 또는 생분해성 소재로 교체한 친환경 칫솔도 판매 중이지만7), 칫솔모(강모, bristle, filament)는 여전히 플라스틱 합성모를 사용하고 있다. Protyusha 등8)은 칫솔을 포함한 구강관리용품 6종에서 미세플라스틱이 관찰되었다고 보고하였다.

칫솔의 품질을 평가하는 주요 기준 중의 하나는 칫솔모 끝의 다듬질 여부이다. 칫솔모 절단 과정에서 발생한 날카롭거나 거친 표면을 가진 칫솔모는 칫솔질 시 칫솔모가 닿는 치은, 혀와 같은 구강연조직에 해로운 자극을 일으킬 수 있으며9-12), 세균 부착과 번식에 기여할 수 있다13,14). 따라서 국제표준에서도 모 끝 다듬질의 완성도를 칫솔 규격으로 제시하고 있다15). 모 끝 다듬질 과정이 잘 수행되면 모 끝이 둥근 형태를 갖추게 되며, 모 끝 다듬질 과정이 제대로 이뤄지지 않으면, 모 끝의 표면이 거칠어지고 미세한 플라스틱 칩(chip)이 남을 수 있다. 모 끝의 둥근 정도를 평가한 선행 연구들에서도 모 끝의 미세플라스틱 칩을 확인할 수 있다. 연마제가 주성분인 치약은 칫솔질하는 동안 치면과의 마찰력을 증가시켜 칫솔모 끝을 더 잘 마모시켜 칫솔모의 미세플라스틱 칩이 떨어져 나갈 가능성이 있고, 의도치 않게 삼킬 수 있다.

본 연구는 이러한 이론적 가설과 선행 연구 검토 결과를 바탕으로, 칫솔모 끝에 미세플라스틱 칩이 존재한다라는 가설을 세우고, 일부 칫솔의 칫솔모 끝을 현미경으로 확대 관찰하였다. 본 연구의 목적은 국내에 유통된 일부 칫솔들의 미세플라스틱 칩 발생 여부와 모 끝의 다듬질 상태를 확인는 것이다.

1.연구대상

국내에서 유통된 국산(4종) 및 외산(8종) 칫솔 제품을 임의로 선정하였다. 육안으로 관찰하였을 때, 모 끝의 형태가 뾰족한(tapered) 모는 제외하였으며, 모 끝이 일반적인 형태의 칫솔모를 선정하였다. 총 12개의 칫솔 제품의 칫솔모를 분석하였다.

2. 연구방법

2.1. 칫솔모 시편제작

각 칫솔 제품당 3개의 서로 다른 칫솔을 준비하였다. 칫솔모를 광학현미경으로 관찰하기 위하여 칫솔모 시편을 제작하였다. 칫솔머리로부터 칫솔모를 분리하는 과정에서 칫솔모의 손상을 막고 칫솔모 끝과 절단면의 구분이 안되는 것을 막기 위하여 스카치TM 매직 테이프(3M, USA)로 칫솔머리 측면의 칫솔모에 부착시킨 후, 칫솔머리 식립부의 칫솔모를 수술용 칼(scalpel)로 절단하였다. 이 상태에서 칫솔모 절단면 측 절반 부분에 새로운 테이프를 붙인 후, 이전 테이프를 새로운 테이프로부터 조심스럽게 제거하면, 칫솔모 끝이 노출되고 칫솔모 절단면이 테이프에 부착된 시편을 완성하였다. 이 칫솔모 시편을 슬라이드 글라스에 부착시켰다(Fig. 1).

Figure 1. The toothbrush bristle specimens prepared in this study.

2.2. 칫솔모 관찰

카메라가 연결된 광학현미경(BX41 SYSTEM MICROSCOPE, OLYMPUS, Japan)을 이용하여, 칫솔모 시편을 40배 확대된 영상을 컴퓨터 모니터로 출력하고, 분석 소프트웨어(Mosaic2.1, Tucsen, China)를 이용하여 영상을 캡쳐하였다. 칫솔모 시편의 모든 부분을 캡쳐하였다. 초점이 맞아 경계가 명확하게 캡쳐된 칫솔모를 무작위로 선정하여 분석 소프트웨어 상에서 직경(mm)을 측정하였다. 칫솔모의 다듬질 상태는 다듬질 된 부위와 그렇지 않은 부위에서의 모의 빛의 투과도와 반사도 차이를 바탕으로 육안으로 판정하였다. 칫솔모 끝을 다듬는 가공과정에서 제거되지 않고 칫솔모에 부착되어 남아있는 칫솔모 미세플라스틱 칩(toothbrush bristle microplastic chip)의 발생 여부를 육안으로 판단하였다.

모든 검사과정은 1인의 검사자가 수행하였다.

2.3. 자료분석

각 칫솔모 시편에서 측정한 칫솔모 직경의 평균, 최소값, 최댓값을 산출하였다. 미세플라스틱 칩의 발생 비율은 관찰한 전체 칫솔모 대비 미세플라스틱 칩 발생 칫솔모의 퍼센트 비율로 계산하였다.

1. 칫솔모의 직경

가장 작은 직경의 칫솔모는 107.3±2.12 mm였으며, 가장 큰 직경의 칫솔모는 206.4±5.21 mm로 측정되었다. 얇은모를 가진 2종(2군과 5군)의 칫솔의 칫솔모 직경은 각각 107.3 mm, 110.1 mm로 측정되었으며, 어린이 칫솔을 표방하는 칫솔의 칫솔모 직경은 153.9 mm로 측정되었다(Table 1).

Table 1 The diameter of the selected toothbrush bristles in this study (μm).

GroupNumber of bristles measuredMeanSDMinMax
130202.5 4.31 194214
215107.3 2.12 104111
343206.1 4.13 196215
449200.0 3.53 192208
527110.1 3.43 104116
633203.9 2.28 201210
716182.1 4.05 177193
849180.2 3.10 172189
924205.1 4.00 198215
1046202.5 5.44 189213
1140153.9 3.22 146159
1252206.4 5.21 197218

Imported (8 types): group 1, 3, 4, 5, 8, 9, 10, 11..

Domestically produced (4 type): group 2, 6, 7, 12..



2. 칫솔모 미세플라스틱 칩의 발생 비율

칫솔모 미세플라스틱 칩은 다듬질 처리가 수행된 모 끝과 모 측면 부위에서 주로 확인되었다. 칫솔모 끝을 다듬는 과정에서 발생한 미세플라스틱 칩의 발생 비율은 칫솔 제품에 따라 최소 3.6%에서 최대 86.2%까지 다양하게 나타났다. 동일 제조사인 칫솔 제품(1, 3, 4군)과 얇은모 칫솔 제품(2, 5군)에서 발생 비율이 45%보다 높게 나타났다(Table 2).

Table 2 Incidence of bristles with microplastic chips.

GroupNumber of bristles inspected (A)Number of bristles with microplastic chips (B)Incidence of bristles with microplastic chips (A/B×100)
1948186.2
221515471.6
31268668.3
41105247.3
525011546.0
61475839.5
7712129.6
81933216.6
91181815.3
10145139.0
11176148.0
1219573.6
Total184065135.4


칫솔모 끝 다듬질 후, 다듬어진 길이와 칫솔모의 형태는 제품에 따라 상이하였다(Fig. 2). 1, 4, 10군은 모 끝뿐만 아니라 모 측면까지 다듬질이 수행되어, tapered 형태의 칫솔모 형태를 나타냈으나, 이로 인해 측면에 거친 모 표면과 미세플라스틱 칩이 다수 관찰되었다. 3군은 칫솔모 절단 후, 모 끝 다듬질이 전혀 이루어지지 않아, 날카롭거나 파열되거나 뭉개친 모 끝의 형태가 다수 확인되었다. 칫솔모 직경이 약 100 mm인 2, 5군에서 모 끝 다듬질 과정에서 발생한 미세플라스틱 칩이 다수 확인되었으며, 특히 2군은 모 끝 다듬질 처리가 더 불량하였다.

Figure 2. Toothbrush bristles magnified at 40-fold in each toothbrush (left: bristles with normal finishing, right: bristles with microplastic chips).

칫솔모 끝에 대한 기존 연구들의 관심 분야는 모 끝 다듬질 여부에 한정되어 있었다. 칫솔모 끝을 광학현미경, 전자현미경을 이용하여 관찰한 뒤, 모 끝 다듬질 완성도에 따라 accept 여부를 판정하는 것이다11,16,17). 칫솔에 관한 ISO 국제표준에는 filament end-rounding 테스트를 위한 평가 기준이 제시되어 있으며, 이 기준에 따라 칫솔모를 평가했을 때, 통과(pass)하는 칫솔모의 개수가 50% 이상이어야 한다15). GB 중국 표준에 제시된 기준에 따라 칫솔모를 평가했을 때, 보통모의 통과 기준은 60% 이상이어야 한다18). 본 연구는 이와 같은 칫솔모 끝의 형상에 대한 선행 연구를 검토하는 과정에서, 칫솔모 끝의 다듬질 과정에서 제거되지 않고 남아있는 칫솔모 미세플라스틱 칩과 거친 칫솔모 표면 발생 가능성에 관한 가설을 설정하였으며, 이를 검증하기 위해 12종의 칫솔 제품의 칫솔모를 광학현미경을 이용하여 모 끝을 확대 관찰하였다.

칫솔머리에는 수백에서 수천개의 칫솔모가 식립되어 있으며, 칫솔모 끝을 관찰한 기존의 선행 연구들은 전자현미경17,19-21) 또는 광학현미경(실체현미경, 위상차현미경)19,22,23)을 이용하여 칫솔모다발(tuft) 또는 칫솔모(fliament)를 하나씩 관찰하였기 때문에 평가를 위한 시간과 비용이 많이 소요되고 단점이 있었다. 본 연구에서는 빠르고 간편한 방법으로 하나의 칫솔로부터 다수의 칫솔모를 동시에 채취하기 위한 칫솔모 시편 제작 방법을 고안하였다(Fig. 1). 이를 통해 하나의 칫솔에서 다수의 칫솔모의 일반적 특성과 불량모의 비율을 산출할 수 있었다. 이러한 칫솔모 시편 제조 방법은 칫솔모의 품질 평가에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

칫솔모의 직경은 칫솔모의 강도에 영향을 미치며, 직경이 클수록 강도는 증가하고 뻣뻣해진다. 1991년 미국치과의사협회는 칫솔모의 직경(inch)에 따라 Soft (0.007-0.009), Medium (0.010-0.012), Hard (0.013-0.014), Extra-hard (0.015)로 분류하였으며24), 이 기준을 바탕으로 2011년 백대일 등25)은 단위를 밀리미터(mm)로 변환하고 재분류하여 한국어로 약강도(0.2-0.25), 중강도(0.25-0.30), 강강도(0.30-0.35), 초강강도(0.38)로 명명하였다. 본 연구에서 선정한 12종의 칫솔모 직경은 0.11 mm (2종), 0.15 mm (1종), 0.18 mm (2종), 0.2 mm (7종)로 구분할 수 있으며, 약강도의 이하의 칫솔모 칫솔들이 주로 시판되고 있음을 알 수 있었다. 과거에 비해 얇은 칫솔모 제조 기술의 진보와 대중의 부드러운 칫솔모에 대한 선호도가 높아졌기 때문에, 0.007 inch 이하의 얇은 모에 대한 분류와 명명의 필요성이 있다.

12종의 칫솔 제품 중 3군 칫솔은 유일하게 모 끝 둥근 다듬질 처리가 전혀 안 된 칫솔이었다. 이 칫솔은 해외 유명 칫솔 브랜드의 칫솔로 칫솔머리의 절단면 상(cross-sectional profile)이 볼록한 형태(dome shpae)였다. 칫솔머리 모양을 만들기 위해 의도적으로 모의 모양을 재단한 것으로 보이나, 이 과정에서 뭉툭한 날에 의해 모가 뭉개지거나 뜯겨져 나간 것으로 예상되었다. ISO 국제표준의 모 끝 평가 기준에 의하면 가장 저품질의 칫솔모라고 판단된다. 추후 연구에서는 해당 브랜드의 다른 제품군들을 추가 수집하여 모 끝 다듬질 여부에 대한 추가 연구가 필요할 것이다.

기계산업 분야에서 사용되는 공작물이나 판금물의 홀 가공 시에 표면에 깨끗이 처리되지 않고 돌출되어 남아있는 작은 조각을 버(burr)라고 하며, 절삭과 연마 등의 가공 작업 중에 표면에 발생하는 작은 조각이나 파편을 칩(chip)이라고 한다26,27). 본 연구에서는 칫솔모 끝 다듬질 과정에서 형성된 미세한 플라스틱 조각을 칫솔모 미세플라스틱 칩이라고 명명하였다. 12종의 칫솔 제품 중, 모 직경이 상대적으로 얇은 약 100-110 mm인 2군과 5군 칫솔에서 칫솔모 미세플라스틱 칩 발생 비율이 높게 나타났다. 두 칫솔 모두 모 끝 다듬질 과정이 시행된 것으로 보이나, 전통적인 칫솔모 재료인 나일론이 아닌 PBT 또는 polyester 합성수지 특성(나일론보다 더 가는 직경의 칫솔모 제작이 가능하다)과 높은 모 밀도로 인해 모를 다듬는 그라인딩(트리밍) 기계와 접촉이 불완전하게 이뤄졌기 때문으로 예상된다. 특히 외산 제품(5군)을 모방한 국산 제품(2군)의 불량모 발생 비율이 높게 나타났으며, 얇은 모의 모 끝 다듬질 제조 공정에서 칫솔모 미세플라스틱 칩 발생을 줄이기 위한 공정 개선과 품질 관리가 요구된다.

칫솔모 끝을 기계적인 마찰 방법으로 다듬질하게 되면, 절단된 칫솔모 모서리 부분이 둥글어지며, 다듬질 시간이나 강도가 증가할수록 끝은 가늘어지고, 칫솔모 측면이 마모되어 tapered 형태의 칫솔모가 만들어진다. 1, 4, 10군 칫솔의 칫솔모는 이러한 특징이 관찰되었으며, 모 끝과 측면의 미세플라스틱 칩이 다수 관찰되었다. 칫솔모 끝의 과도한 다듬질은 칫솔모에 기계적인 마찰을 가해, 두께를 얇게 하고 칫솔모의 내구성을 떨어뜨리며, 불필요한 미세플라스틱 칩 발생을 증가시킬 수 있다. 칫솔질할 때 칫솔모의 끝 부분이 주로 치면에 작용하기 때문에28), 칫솔모 측면에 대한 기계적인 다듬질 과정은 불필요하며, 칫솔모 끝에 한정되어야 할 것이다. 따라서 제조사가 얇아지는 모의 특성을 구현하고자 한다면, 처음부터 모의 직경이 얇은 모를 선택하거나, 열처리나 화학 용액에 침지하는 방법으로 tapered한 형태의 칫솔모를 제조하는 방식을 선택하는 것이 더 바람직할 것이다.

최근까지 칫솔은 우리나라에서는 공산품으로 분류되어 정부기관의 관리의 사각지대에 놓여 있었다. 하지만, 2021년 10월, 공산품으로 관리되던 칫솔 등의 구강관리용품을 식품의약품안전처가 담당하기로 결정하였고29), 2023년 5월 칫솔 등을 위생용품으로 관리하기록 위생용품 관리법을 개정하였다30). 본 연구에서 사용한 칫솔모 끝 관찰 방법과 연구결과는 칫솔 관리기준을 수립하는 데 참고자료로 활용될 수 있을 것이다. 또한 본 연구결과는 칫솔 제조사가 칫솔모 끝 미세 플라스틱 칩 발생 비율을 낮추기 위해 자가 품질 관리 노력을 강화하는 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다.

본 연구의 한계점으로 첫째, 칫솔모 채취 과정에서 칫솔모의 가장 바깥쪽 모만을 채취한 것이다. 추후 연구에서는 칫솔머리 내측의 칫솔모의 채취하여 칫솔모의 위치에 따른 칫솔모 끝 다듬질 상태와 미세 부스러기 발생비율을 확인할 필요가 있을 것이다. 둘째, 본 연구에서는 국내에 유통되는 칫솔에는 수많은 칫솔 중에서 국내에 유통된 12종의 칫솔을 임의로 선정하고 각 군당 3개만을 평가하였기 때문에 연구 결과를 일반화할 수 없다. 본 연구에서 확인된 특정 칫솔 군의 모 끝 다듬질 불량 상태와 미세플라스틱 칩 발생 결과에 대해 관련 제조사와 연구자의 재검증이 필요하며, 다량의 칫솔 샘플에 대한 추가적인 분석 연구가 수행되어야 할 것이다. 셋째, 본 연구는 모 끝 다듬질 과정에서 형성된 칫솔모 미세플라스틱 칩의 발생 여부만을 확인하였으며, 이 칩이 칫솔질하는 동안 칫솔모로부터 탈락하는지에 대한 평가는 수행하지 않았다. 따라서 추후 연구에서는 실제 사람을 대상으로 구강 내에서 칫솔질을 반복 수행한 뒤에 미세플라스틱 칩의 잔존 및 탈락 여부를 평가하는 임상 연구를 수행할 필요가 있다.

본 연구에서는 새롭게 고안한 칫솔모 시편 제작 방식을 이용하여, 국내에서 유통된 12종의 칫솔의 칫솔모를 광학현미경으로 40배율로 확대하여 관찰하여, 다음과 같은 결과를 도출하였다.

1. 각 칫솔의 칫솔모의 직경은 200 mm, 180 mm, 150 mm, 110 mm 그룹으로 구분할 수 있었으며, 모든 칫솔의 칫솔모가 약강도 모의 직경 기준(0.2-0.25 mm) 이하로 나타냈다.

2. 칫솔모 끝을 다듬는 과정에서 발생한 미세플라스틱 칩의 발생 비율은 칫솔 제품에 따라 최소 3.6%에서 최대 86.2%까지 나타났다.

3. 칫솔모 직경이 작은 칫솔에서 칫솔모 미세플라스틱 칩의 발생 비율이 높게 나타났다.

본 연구를 통해 칫솔모 끝의 다듬질 상태와 미세플라스틱 칩의 발생 상태가 칫솔마다 다름을 확인하였다. 칫솔 제조사는 칫솔모 끝 다듬질 과정에서 미세플라스틱 칩이 발생하지 않도록 제조 공정을 개선할 필요가 있다.

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