Time-related modification of ultraviolet photofunctionalization on SLA-treated titanium surfaces

Abstract

I. 서론 1965년 티타늄 임플란트가 임상에서 처음으로 적용된 이후 고정체의 디자인, 표면처리에 대한 연구를 통해 현재 치과용 임플란트의 10년 생존율은 96% 이상으로, 임플란트 식립술은 임상적으로 매우 예지성 높은 술식이다. 그럼에도 불구하고 임플란트와 골계면간의 접촉률은 50-65% 수준이며, 골질이나 골양이 부족한 고령층이나 골대사와 관련된 전신질환 환자 등에서도 임상적으로 안정적인 결과를 얻기 위해서는 임플란트 골유착을 증진시키고 임플란트와 골계면과의 접촉률을 증가시킬 필요가 있다. 티타늄은 가공된 직후에 자연 산화막이 형성되는데, 이는 골유착(osseointegration)에 있어 매우 중요한 요소이다. 가공된 후 보관되는 과정에서 티타늄 표면은 공기 중의 탄소 오염원인 탄화수소의 흡착에 의해 산화막이 오염되고, 티타늄 표면에너지가 변함으로써 골형성세포의 부착능력이 저하되는 생물학적 활성의 감소, 즉 티타늄의 생물학적 노화(biological aging)가 발생한다. 티타늄의 노화는 표면의 소수성(hydrophobic)을 야기하며, 소수화된 티타늄 표면은 조직액 또는 혈액에 대한 젖음성이 매우 낮아 티타늄 표면으로 골모세포의 유입 및 단백질 부착을 방해함으로써 골유착 및 골계면간의 접촉률을 감소시킨다. 티타늄 표면의 친수성(hydrophilicity)을 높이기 위한 다양한 방법 중 자외선(ultraviolet) 조사를 통한 광기능화(photofunctionalization)는 표면의 세포부착, 분화, 골의 무기질화를 증가시키는 것으로 보고되고 있다.

II. 목적 이 연구의 목적은 SLA 처리된 티타늄 디스크에 다양한 조건으로 자외선 광조사를 시행한 후 시간에 따른 친수화 및 재소수화(rehydrophobization)에 대해 기계적, 화학적 특성을 분석하고 세포부착, 세포증식에 미치는 영향을 평가하고자 함에 있다.

III. 재료 및 방법 SLA 처리된 티타늄 디스크를 제작 후 8주간 상온의 멸균배지에 방치하였으며 대조군과 3개의 실험군으로 나누어 자외선을 조사하였다; 1) 대조군: 자외선 조사를 시행하지 않음, 2) 실험군1: 24시간 동안 자외선을 조사, 3) 실험군2: 24시간 동안 자외선 조사 후 24시간 동안 상온의 멸균배지에 방치, 4) 실험군3: 24시간 동안 자외선 조사 및 24시간 동안 상온의 멸균배지에 방치 후 24시간 동안 자외선 재조사. 티타늄 디스크 표면의 형상 변화를 전계방출주사전자현미경(FE-SEM)으로 분석하였고, X-선 광전자 분광법(XPS)을 통해 디스크 표면 원소의 화학적 조성과 결합 특성을 관찰하였다. 표면의 젖음성을 평가하기 위해 접촉각을 측정하였다. MC3T3-E1 세포를 티타늄디스크에 배양하여 24시간 이후 live/dead cell assay를 통해 세포의 증식에 미치는 영향을 비교하였으며 형광중첩사진을 통해 세포골격을 관찰하여 세포부착에 미치는 영향을 비교 평가하였다. 또한, 배양된 MC3T3-E1 세포의 alkaline phosphatase (ALP) activity를 측정하여 초기 세포 분화를 평가하였고 Alizarin-red assay를 통해 초기 세포의 광화정도를 평가하였다.

IV. 결과 FE-SEM 결과에서 자외선을 조사한 실험군1, 실험군2, 실험군3과 자외선을 조사하지 않은 대조군 사이에 디스크 표면의 구조적 변화는 관찰되지 않았다. 대조군의 접촉각은 108.4°로 측정된 반면, 실험군1, 실험군2, 실험군3의 접촉각은 각각 1.85°, 1.48°, 1.18°로 감소하였다. 이를 통해 자외선을 이용한 티타늄의 광기능화는 표면의 친수성을 증가시키는 것을 확인할 수 있었다. XPS를 통해 티타늄 표면 원소를 분석한 결과, 대조군에서 29.42%의 탄소가 측정되었으나 실험군1, 실험군2, 실험군3에서는 17.2%, 17.28%, 19.5%로 관찰되어 자외선을 조사한 모든 실험군에서 유의한 탄소량의 감소를 보였다. 산소는 대조군에서 53.37%, 실험군1에서 62.36%, 실험군2에서 62.68%, 실험군3에서 60.95%로 관찰되었으며, 대조군에 비해 모든 실험군에서 유의한 산소량의 증가를 보였으나 실험군 사이의 유의한 차이는 관찰되지 않았다. 세포배양 24시간 이후 live/dead cell assay 결과 실험군 모두에서 유의미한 차이가 관찰되지 않았으며 형광중첩사진을 통하여 세포골격을 확인한 결과 실험군간의 세포골격의 차이가 관찰되지 않았다. 또한, 세포배양 7일과 14일 후에 측정한 실험군들 간의 ALP의 활성도는 유의미한 차이를 보이지 않았으며 Alizarin red 염색을 이용한 티타늄 표면의 골아세포 칼슘 침착량 분석 결과 자외선 조사를 시행한 실험군 모두에서 칼슘침착 정도의 유의미한 차이는 관찰되지 않았다.

V. 결론 생물학적 노화가 진행된 티타늄 표면에 자외선 조사를 이용한 광기능화는 티타늄 표면의 물리적 특성을 변화시키지 않으면서 표면에 축적되는 탄화수소의 양을 감소시키고 표면의 젖음성을 증가시킴을 확인할 수 있었다. 또한, 친수화된 표면은 반복되는 자외선 조사나 단기간의 재소수화 과정에서도 친수성 및 향상된 세포 분화, 부착능력과 골 침착능력을 유지하고 있음을 확인할 수 있었다. 티타늄 표면의 자외선 조사를 통한 광기능화는 임플란트의 빠른 골개조와 조기 골유착을 증진시킬 수 있을 것으로 사료된다.