이번 주의 무기화학 - 불소 이온 (F-)는 어떻게 치아를 보호할까? 치약 속 불소의 역할

최근에 문득 불소에 대한 궁금증이 생겼다. 어렸을 때 주기적으로 불소 가글? 을 학교에서 했던 것부터, 수돗물에 불소가 들어있는 것까지 생활 곳곳에 불소가 많이 사용되고 있는데, 그냥 치아에 좋다더라 하고 넘어갔던 것 같다. 근데 이제서야 다시 생각을 해보니 이게 왜 어떤 메커니즘으로 보호를 해주는건지 궁금했다. 적당히 나오는 결과로는 에나멜을 불소가 보호해준다는 것이었는데, 더 아리송해져서 더 깊은 메커니즘을 찾아보았다.

https://www.dentalcare.com/en-us/ce-courses/ce94/mechanism-of-action-of-fluoride

찾아본 결과를 요약하자면, 불소가 치아의 치아 표면을 코팅하여 손상되는 것을 막아준다는 것이다. 여기서 불소이온이 OH- (hydroxyl group)을 대체하면서 용해도가 낮아지고, 손상이 더뎌진다는 것이다.

더 자세히 살펴보면, 치아를 이루고 있는 물질은 hydroxyapatite 라고 불리는 광물인데, 이것이 OH 그룹을 가지고 있고, 불소 (F-)가 이 OH-그룹을 대체하면서 더 강한 수소결합, 빽빽한 결정구조 등 결과적으로 더 용해도가 낮은 물질 (Fluorapatite)을 만든다는 것이다.

물론 치아 깊은 곳까지 F-가 들어갈 수는 없어서 표면에서만 이런 작용이 일어나고, 우리가 음식을 계속 섭취하면서 치아 표면이 또한 다시 마모될 것이기 때문에 주기적인 양치를 통해서 코팅을 다시 해줘야 하는 것이다 (prevention of demineralization). 

F-는 Demineralization과 더불어 Remineralization에도 큰 영향을 미칠 수 있다고 한다. Remineralization은 부분적으로 녹아 나온 치아 에나멜 층을 일종의 substrate로 해서 손상된 치아를 고쳐주는 역할을 하는 것이다. apatite는 칼슘대신 마그네슘을 포함할 수도 있는데 이것의 용해도가 칼슘의 그것보다 높아서 손상이 더 쉽다. 하지만 remineralization이 일어나면서 용해도가 낮은 fluorapatite가 되고, 이것이 치아를 더 튼튼하게 보호해주는 것이다. 

이 remineralization과정은 supersaturaion (과포화) 과정에서 조절이 되는데, 입 속의 플라그와 침이 영향을 미친다고 한다. 과포화 정도가 너무 높으면 calcium phosphate가 치아 에나멜의 구멍을 빠르게 메우게 되는데, 이 과정은 치아 속 레진에 더 강한 fluorapatite를 만드는 과정을 방해해서 remineralization을 방해한다고 한다. 어쨌든 F-가 치아 속으로 파고들면서 더 용해도가 낮은 물질을 만들 수 있게끔 하는 것이 F-의 원리라고 할 수 있겠다. 이것이 치아를 보호하는 가장 주된 이유라고 한다.

다른 이유로 F-는 입 속 박테리아의 산 발생 정도를 줄여줄 수 있다고도 한다. 입 속 박테리아는 탄수화물을 소화시키면서 산을 만들어내는데, 이는 치아 부식의 원인이 되므로 산이 적을수록 좋은 것이 분명한데 이 과정에 관여하는 여러 가능한 이유중에 하나는 F-가 enolase라는 효소와 작용한다는 것이고, 또 phosphotransferase system (PTS)에 관여한다는 주장도 있다. 이쪽은 아직 더 연구가 진행중인 것 같다. 어쨌든 입속 pH를 덜 산성이 되게 만들면서 치아 부식을 막아준다는 것.

결론적으로, 불소는 여러 방면으로 치아 건강에 관여하고 있다는 것을 알 수 있다. 간단하게 요약하자면 치아를 강하게 코팅해서 부식을 막아줌과 더불어 부식된 치아를 다시 튼튼하게 만들어주는 과정까지 있으니 건강한 치아 관리를 위해서 불소가 포함된 제품을 사용하는 것이 꼭 필요하다고 할 수 있겠다.

https://www.nature.com/articles/news040119-8