Improving Recovery of Diatoms Bio-silica Using Chemical Treatment with Ultrasonic Stirrer

Abstract

The primary cause of oral diseases in patients using dentures and prostheses is dental biofilm, which exhibits strong adhesion, forms diverse colonies, and releases inflammatory toxins. Recent studies have introduced methods using diatoms to remove biofilm adhered to dentures and prostheses. Traditional high-temperature baking is commonly used for removing organic matter from diatoms; however, it is associated with the production of harmful substances during prolonged baking and structural deformation due to high temperatures. To address these challenges, this study evaluated the efficiency of chemical treatment and vacuum-assisted ultrasonic stirring method for the removal of organic matter from diatoms. Using domestically produced Melosira nummuloides as the experimental material, vacuum-assist ultrasonic stirrer was used to uniformly distribute energy throughout the diatoms, facilitating the removal of organic matter. Sodium hypochlorite (NaOCl), a common endodontic irrigation agent in dentistry, was used to remove the organic matter casing from the silicate frustules of the diatoms. For optimal organic matter removal efficiency, the raw material Melosira nummuloides (RM) was used as the negative control, and high-temperature baked Melosira nummuloides served as the positive control. Experimental groups utilized an ultrasonic stirrer to mix Melosira nummuloides with 4.5% NaOCl, and Total Organic Carbon and Total Nitrogen (TOC/TN) removal efficiency was evaluated based on three variables: frequency (kHz), stirrer time (min), and the presence of vacuum. Analytical techniques such as SEM imaging, TOC/TN analysis, X-ray diffraction (XRD), and Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) were employed to assess the organic matter removal efficiency. The results showed that SEM imaging revealed uniform and homogeneous porosity in the cleaned frustules. TOC/TN analysis and comparisons with the control groups confirmed the removal efficiency of organic matter. XRD visually confirmed the removal of organic material, while EDS demonstrated changes in the elemental ratios of carbon (C), silicon (Si), and oxygen (O). Notably, while TOC analysis indicated a decreasing trend in total organic carbon removal efficiency with increasing ultrasonic frequency. In contrast, total nitrogen removal efficiency increased under the same conditions. In conclusion, SEM imaging, TOC/TN, XRD, and EDS analyses validated the removal of organic matter in the experimental groups compared to the negative control. These findings highlight the potential of chemical treatment and vacuum-assisted ultrasonic stirrer as a method for organic matter removal from diatoms while preserving their structural integrity.;서론: 의치 및 보철물을 사용하는 환자에게서 많이 발생하는 구강 질환을 일으키는 주원인은 강한 부착력으로 다양한 집락군을 이루어 염증성 독소를 방출하는 바이오필름(biofilm)이다. 최근 연구에서 규조류를 이용하여 의치 및 보철물에 부착된 바이오필름을 제거하는 새로운 방법들이 소개되고 있다. 기존의 고온 소결법은 규조류에서 유기물을 제거하는 일반적인 방법으로 사용되지만, 장기간의 소결 과정에서 발생되는 유해 물질과 고온으로 인한 구조 변형 문제가 동반되기에 결정성을 가진 바이오 실리카(Bio-silica) 제조에는 적합하지 않다는 한계가 있다. 본 연구에서는 규조류에서 유기물을 효과적으로 제거할 수 있는 방법으로 진공 보조 초음파 교반기(VAUSTM, Mirae Ultrasonic Tech., Korea)를 사용하여 유기물 제거 효율을 평가하였다. 재료 및 방법: 국내에서 생산된 규조류 Melosira nummuloides를 진공 초음파와 자기 교반기를 활용하여 규조류 전체에 에너지를 균일하게 전달함으로써 유기물을 제거하였으며, 치과에서 근관 내 세척 시 사용하는 NaOCl을 사용해 규조류의 실리케이트 규각에서 유기물을 제거하였다. 최적의 유기물 제거 효율 조건을 평가하기 위해 음성대조군으로 Melosira nummuloides 원물, 양성대조군으로 고온 소결한 Melosira nummuloides을 준비하였다. 실험군들은 ultrasonic stirrer를 이용하여 Melosira nummuloides와 4.5% NaOCl을 혼합한 후, 주파수(kHz), 혼합 시간(min), 음압 여부(vacuum), 총 3가지 변수에서 유기물 제거 효율을 비교하였다. 유기물 제거 후, 각 시료의 SEM 촬영, 전유기 탄소 및 전질소(TOC/TN) 측정, XRD 및 EDS 분석으로 유기물 제거율을 분석하였다. 결과: SEM 촬영 결과, Melosira nummuloides는 유기물 제거 후에도 균일하고 균질적인 다공성 구조를 손상 없이 유지하는 것으로 나타났다. TOC 분석 결과, 주파수에 따라 유기물 제거 효율의 차이가 관찰되었으며, 35kHz에서 가장 높은 제거 효율을 보였다. 반면, 혼합 시간이 증가함에 따라 초기 15분에는 제거 효율이 급격히 증가했으나 이후에는 포화 상태에 도달하여 제거 효율이 안정화되었다. 음압 여부는 제거 효율에 미치는 영향이 제한적이었으나, 진공 상태에서 미세 구조 손상이 감소한 것이 관찰되었다. XRD 분석에서는 실험군과 대조군 간의 유기물 제거에 따른 시각적 차이가 확인되었으며, EDS 분석 결과, 35kHz에서 원소 C의 비율이 가장 낮고 Si의 비율이 가장 높아 최적의 유기물 제거 조건임을 확인하였다. 이러한 결과는 주파수, 혼합 시간, 음압 여부가 유기물 제거 및 규소 구조 보존에 미치는 영향을 정량적으로 평가할 수 있는 근거를 제공한다. 결론: 본 연구는 규조류에서 유기물을 제거하기 위해 진공 초음파와 자기 교반기, 그리고 4.5% NaOCl처리 시 효과적임을 보여주며, 기존의 고온 소결법에 대한 대안으로 제시할 수 있다. 본 연구 결과를 통해, 지속 가능하고 효율적인 유기물 제거 방법에 대한 연구에 도움이 될 수 있으며 바이오 실리카의 대량 생산 및 치의학을 포함한 다양한 분야에서 응용될 수 있다.