수산화인회석 및 제삼인산칼슘의 혼합 비율에 따른 골 이식재의 특성비교

Abstract

I. 서 론

경제 성장과 의학의 발달로 인해 고령화 사회에 따른 노인성 구강질환 및 임플란트 시술 환자가 급증하고 있다. 노령 인구의 경우 감염성 질환이나 외상으로 인한 골 소실 환자가 많으며 특히 염증과 통증 및 구취 등을 동반하며 골 소실을 유도하는 치주질환은 노령인구 뿐 아니라 20대 이상의 성인 대부분에게서 발병률이 높은 질병으로 치료와 관리가 중요하다. 이러한 소실된 치조골의 치료방법으로는 골 이식재를 사용한 치주골 이식술 및 골유도 재생술 등이 있다. 골 이식술에 있어서 골 이식재는 임플란트와 치주조직 간의 결합력을 향상시켜 골 재생 효과를 높여주는 등의 기능적, 심미적 기능을 더해준다. 다양한 골 이식재 중 합성골 이식재는 자가골 이식재의 골 채득을 위한 부가적인 수술 및 채득량의 한계점이나 동종골, 이종골 이식재의 윤리적, 면역적인 문제점을 대체하기 위하여 지속적으로 연구 개발되어지고 있는 이식재 이다. 합성골 이식재는 일반적으로 인산칼슘계 생체재료인 수산화인회석 (Hydoxyapatite, HA) 과 제삼인산칼슘 (β-tricalcium phosphate, β-TCP) 혹은 이를 혼합한 이상인산칼슘 (Biphasic calcium phosphate, BCP) 등으로 합성하여 만들어진다. 이 중 가장 안정적인 HA와 용해도가 높은 β-TCP를 혼합한 BCP는 이들을 각각 단독으로 사용했을 때 보다 더 좋은 효과를 나타내는 것으로 보고되고 있다.

II. 연구목적

본 연구에서는 다양한 혼합 비율로 제작·사용되어지고 있는 HA/β-TCP 합성골 이식재 중 4:6, 5:5, 6:4 의 혼합 비율을 가진 합성골 이식재의 생물학적, 물리·화학적 특성을 분석하여 골 이식 시 예견성이 좋고, 효율적이며 경제적인 합성골 이식재의 혼합 비율 및 각각의 특성을 평가하고자 한다.

III. 실험재료 및 방법

A. 이식재 제조 HA와 β-TCP를 4:6, 5:5, 6:4 비율로 혼합하여 1% Alginic acid (Sigma-aldrich, 180947, USA) 수용액과 함께 교반하여 슬러리를 제조한 후, 21 G needle과 Syringe를 이용하여 액체 질소에 떨어뜨려 구형의 비즈를 형성하도록 하여 고체화 된 구형의 반응물을 획득하였다. 반응물을 회수하여 동결건조 시킨 후, 100 ℃/hr에서 1,230 ℃까지 고온소결 처리하였다. B. 골 이식재의 생물학적, 물리·화학적 특성평가 HA와 β-TCP를 4:6, 5:5, 6:4 비율로 혼합하여 제조한 합성골 이식재의 생물학적, 물리·화학적 특성을 분석하기 위해 한국 식품 의약품 안전처 (Ministry of Food and Drug Safety, MFDS)와 한국 식품의약품 안전평가원 (National Institute of Food and Drug Safety Evaluation, NiFDS) 에서 제공한 의료기기 평가가이드라인에 의거하여 세포독성 및 세포부착성 실험과 SEM, EDS, XRD, FT-IR, pH 측정, 용해도 및 젖음성 평가를 시행하였다.

IV. 실험결과

A. 이식재 제조 결과 이식재 입자간의 공간과 이식재 내의 기공을 통해 원활한 체액 순환과 이로 인한 이식재 흡수/분해 작용을 돕고, 골 재생 관련 단백질 생성 및 세포 부착/증식에 적합한 환경을 제공하기 위하여 인체의 해면골 구조와 유사한 다공성을 가진 구형의 이식재 형태로 HA/β-TCP 합성골 이식재를 제조하였다.

B. 골 이식재의 생물학적, 물리·화학적 특성분석 결과 HA와 β-TCP를 4:6, 5:5, 6:4 비율로 혼합하여 제조한 합성골 이식재의 세포독성 및 부착실험 결과, HA/β-TCP 비율이 4:6 일 때 구강정상세포와 인체 조골세포 모두에서 가장 높은 세포 생존율과 세포부착성을 보였다. 표면구조 관찰 결과에서도 HA/β-TCP 비율이 4:6 일 때 비교적 균일한 거칠기 구조와 큰 공극크기를 보였다. EDS 분석을 통한 Ca/P 성분비 분석 결과, HA/β-TCP 비율이 4:6 일 때 인체 경조직과 유사한 1.616으로 나타났다. 결정상 분석에서는 HA 상과 β-TCP 상 모두 관찰되었으며 비율에 따라 β-TCP 상의 피크가 변화함을 확인하였다. FT-IR 결과에서는 4:6 비율의 HA/β-TCP 합성골 이식재에서 HPO4 흡수파장(880 cm-1)이 형성되었으며 이를 통해 이식재가 비화학양론 (nonstoichiometry) 조성의 HA가 존재하거나 결정화도가 낮은 시료라는 것을 확인하였다. pH와 젖음성 평가에서는 HA/β-TCP가 4:6, 5:5, 6:4 일 때 모두 유사한 결과를 보였으며 용해도 시험 결과에서는 HA/β-TCP가 4:6 일 때 β-TCP 비율이 가장 높음에도 불구하고 다른 HA/β-TCP 혼합 비율에 비해 상대적으로 낮은 용해도가 나타났다. 반면 6:4 비율의 HA/β-TCP 합성골 이식재는 약 3 배 높은 용해도를 보였다.

V. 결 론

생체활성세라믹인 수산화인회석 (HA)과 제3인산칼슘 (β-TCP)을 4:6, 5:5, 6:4 비율로 혼합하여 제조한 합성골 이식재의 생물학적, 물리·화학적 특성을 평가한 결과들을 고려했을 때 모든 실험군에서 골이식재로 사용하기 위한 적절한 물리, 화학적 특성을 나타냄을 확인할 수 있었다. 특히 HA/β-TCP가 4:6 비율로 혼합한 합성골 이식재에서 골 형성세포의 성장에 보다 적합한 생물학적 환경을 제공함을 확인할 수 있었다. 본 연구에서의 시험관적 평가는 비교적 단기간의 제한적 평가로 좀더 진전된 평가가 필요하며, 특정한 표면구조 및 연결성을 가진 macropore가 부여된 HA/β-TCP의 생체 내 골 재생 과정에서의 생물학적 효과를 확인하기 위해서 향후 동물 실험 등을 통해 신생골 형성을 포함한 골재생양상의 평가가 요구되어진다.|ABSTRACT

Comparative evaluation of synthetic bone grafting materials prepared by the different mixing ratio of Hydroxyapatite and beta-tricalcium phosphate

Min-Ji Yim

Advisor: Prof. Su-Gwan Kim D.D.S., Ph.D.

Department of Bio Dental Engineering,

Graduate School of Chosun University

According to increasing aging-population by the economical growth and the advancement of medicine, patients with aging-related oral diseases and implant placement have being rapidly increased in recent years. Therefore, bone grafting therapy has become an integral part of dentistry. However, bone graft materials have played an important role in regenerative dentistry for many years. Furthermore, patients are requiring to develop better bone graft materials that is considering a predictability, biological function, bio-compatability, biological safety, economical cost, and esthetics in the oral clinical fields.

Bone graft materials are classified as four divisions according to the its basic compounds : autogenous, allograft, alloplast, and xenograft. The ideal bone graft materials has always been autogenous bone, which is derived from the individual for whom the bone graft is intended. Even though autogenous bone can permit the excellent predictability and have osteogenesis, osteoinduction, and osteoconduction with bio-compatability and biological safety, it need to harvest from the surgical patient from whom a second surgical wound site must be used. Although autologous bone graft have a major disadvantage, it offers the promise of high levels of success while avoiding the possibilities of antigenicity. Allografts are tissues taken from individuals of the same species as the hosts. A major advantage of allograft is that the materials can without the requirement of a secondary surgery to harvest the bone at other site. While, disadvantages are that the materials prepared from cadaver or donor have a cultural taboos, social ethics, and antigenicity. Xenografts are derived from other species. It is need to totally remove the their organic components to avoid the immunological reactions becomes nonexistent. Because the inorganic materials maintains the physiological dimension of the augmentation during the remodeling phases. Therefore, alloplastic bone graft materials guaranteed with biological safety have became noted. Alloplasts are synthetic bone graft materials which contribute to the repair of defective bone and to the enhancement of bone ingrowth. Today, with the use of synthetic bone graft materials composed of bioceramic tricalcium phosphate and hydroxyapatitie, it is possible to enhance the volume, width, and height of bone in deficient areas to regenerate the bone supporting implant replacement.

In this study, we aimed to compare the characteristics of synthetic bone graft materials according to various ratios (4:6, 5:5, 6:4) of hydroxyapatite (HA) and β- tricalcium phosphate (β-TCP). For this purpose, bone graft materials with different HA/β-TCP ratios (4:6, 5:5, 6:4) were investigated in terms of physicochemical properties and in vitro biocompatibility properties. These physicochemical properties were analyzed by scanning electron microscopy(SEM), energy dispersive X-ray spectrometer(EDS), X-ray Diffractometer(XRD), Fourier-transform infrared spectroscopy(FT-IR), pH measurement, water degradation, and wettability test. At all the ratios of HA/β-TCP, porous spherical bone graft materials with a particle size of 0.5 to 1.0 mm and pH value of 8 to 9 could be fabricated. Furthermore, the MG-63 osteoblasts-like cells actively adhered to the surface of bone graft materials while MG-63 cells and human normal oral keratinocyte (HNOK) did not have influence on the cell cytotoxicity of HNOKs. In particular, 4:6 HA/β-TCP bone graft materials (1.63), in the result of EDS, were more like a dental enamel (1.62). On the other hand, the degradation of 6:4 HA/β-TCP bone graft materials was higher than that of other HA/β-TCP ratios (4:6, 5:5) during the 120 hours. These data demonstrated that all of synthetic bone grafting materials prepared by the different mixing ratio of HA/β-TCP (4:6, 5:5, 6:4) have a physicochemical properties and biological safety resulted by the evaluation guide-line for synthetic bone grafting materials supplied from the Ministry of Food and Drug Safety, Republic of Korea. Particularly, synthetic bone grafting materials composed of 4:6 HA/β-TCP have more reasonable a physicochemical properties and biological safety more than others. Furthermore, biological evaluation of synthetic bone grafting materials in experiment animal model is required as our further study.