대한치주과학회지 : Vol. 36, No. 4, 2006 미세다공성 Biphasic calcium phosphate ceramics 의골이식대체재로서의기본특성에대한비교연구 박광범 1, 박진우 2*, 안현욱 1, 양동준 1, 최석규 1, 장일성 3, 여신일 2, 서조영 2 1. ( 주 ) 메가젠 2. 경북대학교치과대학치주과학교실 3. 경북대학교치과대학약리학교실 I. 서론 감염성질환이나외상, 임플란트식립과연관하여잔존골량이부족한경우결손된골조직을회복하기위해골이식술을이용한재건수술이시행되어진다. 이를위해골유도재생술과동반하거나또는단독으로사용되는여러종류의이식재중자가골이골형성, 골유도, 골전도의성질을모두가진이상적인이식재로평가되지만, 채득을위한부가적인수술부위가필요하고, 이로인한환자불편과합병증의가능성이증가하는단점을가진다 1-3). 이러한문제점으로인하여자가골을대체하기위한여러종류의골이식재에대해많은연구가이루어져왔다. 이중부분적으로골유도능을가지는것으로알려진탈회동결건조골을이용한골이식술이많이시행되어져왔다 4,5). 하지만골유도능을가지는것으로알려진골형성단백질의존재와양에대해의문이제기되었고, 질병전염의가능성을전혀배제할수없다는문제점을가지며, 또한임상에서사용시부적절한흡수율과강도가단점이될수있다 6-9). 동종골이식재와더불 어최근에는우골에서단백질을제거한이종골이식재 10), 생체유리와 11) 여러조성의인산칼슘염과 12,13) 탄산칼슘염 14) 등의질병전염의가능성이전혀없는합성골이식재에대한연구가광범위하게이루어져왔다. 1) 특히합성골이식재에관한연구가광범위하게이루어지고있으며, 전세계적으로골재건수술에서사용되는이식재의상당부분을합성골이식재가차지하는것으로보고되었다 15). 합성골대체재로가장일반적으로이용되어지는세라믹재료중인산칼슘계재료는골조직과치아의성분및구조와유사하며, 생체친화성을가지고있기때문에골이식재료로서많은연구가이루어져왔다 16,17). 인산칼슘계세라믹스중수산화인회석 (hydroxyapatite, HA) 과삼인산칼슘 (tricalcium phosphate, TCP) 혹은이두상을혼합한이상인산칼슘 (biphasic calcium phosphate, BCP) 은우수한생체친화성과골전도성, 그리고생분해성을가지고있어현재까지광범위하게연구 보고되고있다 18-20). 이중가장안정적인 HA 상과용해도가높은 β-tcp 상이혼합된 BCP 가치과와정형외 본연구는보건복지부보건의료기술진흥사업의지원에의하여이루어진것임 (A060412) * 교신저자 : 박진우, 대구광역시중구삼덕동 2 가 188-1 경북대학교치과대학치주과학교실, 700-412 ( 전자우편 : jinwoo@knu.ac.kr) 797
과에서성공적인골이식대체재로사용되고있다 19,20). BCP 는체내에서점진적으로분해되며체액으로방출된칼슘, 인산염이온이국소적인부위에서체액의과포화상태를유발하여세라믹표면에생물학적아파타이트의침전을이루는것으로알려졌다 21,22). 이러한아파타이트층이골형성세포의부착을조장하고 BCP 의골전도성에기여하는것으로보고되었다. 상기의합성골이식재들은생체내에서의흡수성이물리화학적성질에따라다르며, 이식재의표면적, 미세형태, 다공성 (porosity) 의정도와결정화도 (crystallinity) 에따라분해속도가다르게나타난다 23). 일반적으로결정화도가유사한경우개개이식재의입자크기가큰경우, 흡수와연관하여생체내잔존기간이비교적길고, 치밀한소결체가아니면마모입자 (wear debris) 형성시대식세포반응을유발하여이로인한골용해 (osteolysis) 발생의가능성을전혀배제할수는없다 24). 골이식재자체에존재하는 macropore 가골재생에긍정적인역할을하는것으로알려졌지만, 골이식재자체의 macropore 의크기나수가커질수록골충진재의강도가감소할수있다는단점을가지며, macroporous structure 외에이식재의조성, 마이크론단위의표면형태등의특성이골재생에영향을미치는중요한인자로작용하는것으로알려졌다 25,26). 이와연관하여골이식재의표면특성과관련된최근의연구는마이크론단위의미세다공성구조의중요성을강조하고있다. 직경 10 m이하의 micropore 는이식재내부로의체액순환을용이하게하여용해와분해에영향을미치고골재생과정에서단백질흡착, 세포부착과광물화를촉진하여골조직재생을향상하는가장중요한표면특성의하나인것으로알려졌다. 본연구에서는 macropore 는가지지않지만, 골재생과정에서중요한역할을하는것으로알려진삼차원적으로연결된 micropore 구조를가진결정화도가높은 HA 와 β-tcp 상의혼합된조성을가진구형의골이식대체재를제작하여, 동일한조성의 BCP 인 MBCP(Biomatlante, 프랑스 ) 를포함하여현재골증강술에광범위하게사용되고있는두종류의우골유래이종골이식재와비교하여향후골이식대체재로서의적용을위해기본적인물리화학적인표면특성과세포적합성을평가하고자하였다. II. 연구재료및방법 1. BCP 의제조본실험에사용될 BCP 분말 (MGSB 로명명 ) 은 Ca(NO 3) 2 4H 2O와 (NH 4) 2 HPO 4 를사용하여침전법 Figure 1. Flow chart of chemically precipitated BCP preparation procedure 798
(precipitation method) 으로제조하였다 (Figure 1). BCP 분말을합성하기위하여칼슘수용액에인산수용액을적하하면서교반하였다. HA/TCP 의비율이 60 : 40이되도록 Ca(NO 3) 2 4H 2O 분말과 (NH 4) 2 HPO 4 분말을 Ca/P 비율에적합하도록사용하였다. HA/TCP 에다양한비율로제조된 BCP 에관해많은보고가되고있지만 20,27), 아직까지는최적의비율에관해서는알려져있지않다. 하지만일반적으로현재정형외과및치과영역에서많이사용되어지는비율은 HA = 60%, TCP = 40% 의비율이많이사용되어지는데, 이러한비율에서 TCP 의용해성과 HA 의 scaffold 로서의기계적강도에서좋은조건이된다는보고를참고하여제조하였다 16,19,20). 각각의분말을완전히용해시킨후, 암모니아수를첨가하여 ph 를 8.5 로조절하였다. 혼합된두용액을 80 에서교반하면서숙성시켰으며, ph 조절에사용한암모니아수를제거하기위하여세척한후, 0.2 μm미세필터에통과시켰다. 이렇게채득한분말을충분한건조후, 분쇄하였다. 분쇄된분말은전기로에서 900 로 1시간동안하소하여 BCP 분말을제조하였다. 2. 골이식대체재상기의과정을통해제작된이식재인 MGSB 를동일한 BCP 성분의 MBCP(Biomatlante, 프랑스 ) 를포함하여아래와같이상용의두종류의이종골이식재와물리화학적특성및세포적합성을비교, 평가하였다. 1 MGSB( 메가젠, 한국 ); 1 mm 입자크기, 구형의미세다공성이식재, BCP 2 MBCP(Biomatlante, 프랑스, lot number; 0803E106,); 1 2 mm 입자크기, 다공성이식재, BCP 3 Bio-Oss(Geistlich-Pharma, 스위스, lot number; 300401); 250-1000 μm입자크기, 우골유래망상골이식재 4 BBP( 오스코텍, 한국, lot number;040603); 400 600 μm입자크기, 우골유래망상골이식재 3. 평가항목 1) 주사전자현미경관찰주사전자현미경 (scanning electron microscope (SEM); S-4200, Hitachi, 일본 ) 을이용하여이식재의미세한형태학적특성을관찰하였다. 2) 결정상과구성분석평가에사용된이식재의결정상을평가하기위하여, X-선회절분석기 (X-ray diffractometry(xrd); DMAX-2500, Rigaku Co. Ltd., 일본 ) 를사용하여 CuK (λ=1.5418 ) 로 10 60 까지 5 /min 의속도로측정하였고, 퓨리에변환적외선분광분석 (Fourier-transform infrared spectroscopy(ftir); DPX300, Bruker Co. Ltd., 독일 ) 을이용한구조분석을시행하였다. 3) 이식재내칼슘 / 인산염의비율각기이식재의 Ca 와 P의비율을조사하기위하여유도결합플라즈마원자방출분광분석기 (Inductively coupled plasma atomic emission spectrometer (ICP-AES); OPTIMA 3000, Perkin Emer Co. Ltd., 미국 ) 를사용하여, 표준용액으로 Ca 1000 (1004 mg/l), P 1000 (1006 mg/l) (Kanto Chem. Co. Inc, 일본 ) 를사용하여정량분석시행하였다. 4) 표면적측정시료의표면적을측정하기위해 Brunauer- Emmett-Teller(BET) 법을이용한비표면적 / 기공도분석기 (High Speed Gas Sorption Analyzer; Nova 2000-version 7.02, Quantachrome, 미국 ) 를이용하여고온, 진공하에서표면에부착된불순물을제거한시료에, 질소가스를흡착시킨후흡착등온선으로부터단위질량당표면적을측정하였다. 5) 세포활성도 / 세포증식평가 Mouse calvaria 에서유래한 MC3T3-E1 세포를사용하여, 각기이식재에대한세포활성도를평가하 799
Figure 2. SEM images of different bone substitutes at magnifications of 100 (upper) and 2,000 (lower). 기위해 MTT(3-(4,5-dimethylthiazol-2yl)-2,5 diphenyltetrazolium bromide; thiazol blue) assay 를시행하였다. 배양된세포를 well 당 25 mg 의이식재가함유된 24 well plate 에 2 10 4 개로세포를접종하여 CO 2 배양기에서 37 에서 1, 4 일간배양하였다. 각기해당일에배양액을제거하고인산완충생리식염수로 2회세척하였다. 각기 well 당 37 의 MTT 용액 250 μl를첨가하고같은조건에서 3시간동안배양하였으며, 750 μl의 dimethyl sulfoxide 를첨가하여혼합한후 150 μl씩의용액을이식재를포함하지않은새로운 96 well plate 로옮기고 ELISA reader(precision Microplate Reader, Molecular Devices, 미국 ) 를이용하여 570 nm 에서흡광도를측정하였다세포증식평가를위해상기와동일한방법으로 3, 5, 7 일간배양한후 trypsin-edta 처리후세포를수집하여 hemocytometer 를이용하여증식된세포수를측정하였다. 각기이식재에대한세포활성도와증식세포수의차이에있어서의유의성을 one-way analysis of variance(anova) 를이용하여통계분석시행하였다. III. 결과 1. 이식재의주사전자현미경관찰소견각기이식재의주사전자현미경을이용한미세형태학적관찰에서이식재표면은서로다른형태학적특성을나타었다 (Figure 2). 저배율관찰소견에서 ( 100) Bio-Oss, MBCP, BBP 는유사한거시적형상을보여주며, macropore 가관찰된다. MGSB 는이와는다른완전한구형을보여주고있다. 고배율의소견에서 ( 2,000) MGSB 는표면의 micropore 가삼차원적으로서로연결된기공형태로형성된것을관찰할수있고, MBCP 에서보다크고명확한마이크론단위의구조적특징을나타내었다. 2. 이식재의결정상과구성 X- 선회절분석의결과 MGSB 와 MBCP 는 HA 와 β-tcp 가혼합된 BCP 고유의상을나타내었고, Bio-Oss 와 BBP 에서는 HA 의상을관찰할수있었다 (Figure 3). MBCP 는보고되어진것처럼 60 : 40 의 HA 와 β-tcp 의비율을나타내었으며, MGSB 도 MBCP 와유사한비율을나타내었다. 합성된 MGSB 800
Figure 3. XRD patterns of different bone substitutes Figure 4. FTIR spectra of different bone substitutes 의경우다른 2차상이나타나지않았으며, MBCP 역시 α-tcp 및 calcium oxide 의 peak 을관찰할수없었다. Bio-Oss 와 BBP 는 HA 의 peak 을보여주지만, BBP 의경우결정화도가 Bio-Oss 에비해낮은것을볼수있다. FTIR 분석의결과에서이러한 2차상의유무와결정화정도를재확인할수있다 (Figure 4). Bio-Oss 와 BBP, MGSB 와 MBCP 가전체적으로는유사한 FTIR spectra 를형성하고있다. 3000 3570 cm -1 부근에서모두 H 2O 의흡수밴드 (OH 의 stretching vibration) 를관찰할수있지만, Bio-Oss 와 BBP 가더많이형성되어져있는것을보여준다. 특히, BBP 의경우 1640 cm -1 부근에서도 H2O 의흡수밴드 (OH 의 bending vibration) 가관찰되었다. MGSB 와 MBCP 는 3573 cm -1 와 631 cm -1 에서 OH 의흡수밴드 (stretching, bending vibration) 를관찰할수있는데, 이는일반적으로합성한시료에서볼수있는전형적인모습이다. 시료모두 940 1120 cm -1, 566 cm -1, 603 cm -1 에서 orthophosphate(po 4) 를관찰할 수있지만, 이식재간의차이점은 HPO 4 흡수밴드에서확연히구별된다. 880 cm -1 영역에서 Bio-Oss 와 BBP 는 HPO 4 흡수밴드를볼수있지만, MGSB 와 MBCP 는이러한흡수밴드를관찰할수없다. HPO4 흡수밴드는비화학양론적인 HA 가존재하거나, 결정화도가낮은경우에서만관찰할수있다. 또한, Bio-Oss 와 BBP는 1450 cm -1 에서 CO 2-3 의흡수밴드를관찰할수있는데, carbonated apatite 인이종골이식재와합성에의해제작된 MGSB, MBCP 와의차이점을 FTIR spectra 에서확인할수있다. 3. 이식재내칼슘 / 인산염의비율각기시료내의 Ca 와 P의비율을조사한 ICP- AES 의결과, X- 선회절분석결과에서, HA 의상을지니고있는 Bio-Oss 와 BBP 가 MGSB 및 MBCP에비해다소높은 Ca/P 비율을형성하고있는것을나타내었다 (Table 1). Bio-Oss 와 BBP 는동일한우골유래의골이식대체재이지만, Ca/P 비율이차이가 Table 1. ICP-AES results of different bone substitutes Calcium concentration (mg/l) Phosphorous concentration (mg/l) Ratio of Ca to P MGSB 18.13 8.404 1.667 MBCP 17.04 7.859 1.676 Bio-Oss 18.57 7.962 1.803 BBP 13.37 6.015 1.718 801
나며이는이식재제작에사용된우골의종 (species), 나이, 골유형에의존하는것으로보고되었다 28). MGSB 와 MBCP 는 HA 의화학양론적비율인 1.67 에근접하지만, 이재료들이이상인산칼슘 (biphasic calcium phosphate) 인것을감안하면, 그결과치가어느정도높게나온것으로추정할수있다. 4. 표면적측정 BET 법을이용한분석결과이식재의단위질량당표면적은 MGSB 는 1.52 m 2 /g, MBCP 는 3.04 m 2 /g, Bio-Oss 는 75.21 m 2 /g, BBP 는 2.79 m 2 /g 로측정되었다. 5. 세포활성도평가 MTT assay 를이용한세포활성도평가에서모든군에서 1일에비해 4일에세포활성도의증가양상을관찰할수있었다 (Figure 5). 4일째각이식재에대한 optical density 는 polystyrene culture plate (PS) 를제외하면, MGSB, MBCP, BBP 에서유사한수치를나타내었으며, Bio-Oss 는다른모든이식재에비해현저히낮은 optical density 를나타내었다 (p < 0.05). Figure 5. The optical density measured after 1 and 4d of culture at a wavelength of 570 nm by ELISA reader (n = 5 per group). * statistically significant difference compared to other groups (p < 0.05), ** statistically significant difference compared to MGSB and Bio-Oss groups (p < 0.05), statistically significant difference compared to Bio-Oss group at 1d of culture (p < 0.05), statistically significant difference compared to Bio-Oss group at 4d of culture (p < 0.05) Figure 6. Cell proliferation measured at 3, 5 and 7d of culture (n = 3 per group). * statistically significant difference compared to other bone substitutes at 3, 5 and 7d of culture (p < 0.05) statistically significant difference compared to Bio-Oss group at 3, 5, and 7d of culture (p < 0.05) Figure 7. SEM images of Bio-Oss at magnifications of 3,000(a) and 10,000(b). Numerous microparticles(arrows) can be seen on the surfaces of Bio-Oss. 802
6. 세포증식평가각기이식재에대한세포증식을평가한결과 3, 5, 7일의배양기간동안증식세포수는시간이경과함에따라증가하는양상을보였으며, Bio-Oss 는배양기간에따른세포증식이가장낮은것을나타내었다 (Figure 6). 3, 5, 7일의모든평가기간에서 Bio-Oss 는다른모든이식재에비해현저히낮은증식세포수를보였고 (p < 0.05), MGSB 는 3, 5, 7일의배양기간에서 PS 와유사한증식세포수를나타내었다. 동일한조성의 BCP 인 MGSB 와 MBCP 에있어서증식세포수는각기배양일에서 MGSB 에서더높은것을관찰할수있었다 (p < 0.05). IV. 고찰 상실된치아를회복하기위한임플란트시술의증가와더불어골재건수술의필요성또한증가한다. 임상에서장기간의성공적인기능을위해서적절한크기의임플란트의식립이요구되며이를위해서여러종류의골이식재를사용한골재건수술이위축된치조제를증강하기위해시행된다. 가장이상적인이식재인자가골이식재는채득을위한부가적인시술부위가필요하며이와연관된단점으로인해여러종류의골대체재에관해많은연구가이루어져왔다. 골유도능을가지는것으로알려진탈회동결건조골과우골에서단백질성분을제거한이종골이식재를사용한골재건수술에서성공적인결과가보고되고있으나질병전염의가능성을전혀배제할수는없다는문제점을가진다 6-10). 골이식재와관련된최근의연구는이러한문제점이없는합성골이식재에관해광범위하게진행되고있는추세이다. 일반적으로골형성능이나골유도능이없이단지골전도성만지니는것으로알려진합성골이식재는신생골형성을증진하기위하여자가골과적절한비율로혼합사용하는것이권장되었지만, 특히임프란트시술과연관한상악동골이식술에서의사용과연관한최근의보고에서합성골이식재를단독으로사 용하더라도자가골단독사용이나혼합사용시와유사한성공적인결과를얻을수있음이보고되었다 29-31). 골이식재의골유도능과관련된일련의연구에서이식재가이소성골형성 (ectopic bone formation) 을유도하기위해서화학적조성외에, 미세다공성의표면구조 (microporous surface structure) 를포함한특정한표면형태가중요한인자로작용함이제시되었다 32,33). 특정한다공성구조를가지는인산칼슘계이식재가골형성세포나골형성단백질의첨가없이도중동물의 extraskeletal site 에서골형성을유도하는것으로알려졌다 34-36). 골형성과정에서 macroporous structure 의중요성과더불어 Yuan 등 37) 은 macropore내면에존재하는 micropore가인산칼슘계세라믹의골유도능에있어서중요한역할을하는것으로보고하였다. 현재까지이식재의골유도능에관한정확한기전은설명되지않았지만칼슘과인을함유하는인산칼슘계세라믹의화학적조성, 상술한이식재의미세다공성구조와적절한용해도가이에기여하는것으로여겨진다. 인산칼슘계세라믹의화학조성은생체환경내존재하는성장인자등의표면흡착을조장하여차후표면에부착된골형성전구세포들의조골세포로의분화를촉진할수있는것으로제시되었고 38), 이식재내면의 microporous structure 역시골형성과정에영향을미치는성장인자등의흡착과함입을증가시켜국소적인부위에서골형성에영향을미치는특정수준까지의골형성인자들의농도상승에기여하는것으로알려졌다. 또한타이타늄임플란트에서의연구에서와같이분화를포함한골형성세포의반응이이러한미세구조 (microstructure) 에영향을받는것은잘알려진사실이다 39,40). Daculsi 등 21,22) 은용해도가높은 β-tcp 와안정된 HA 가혼합된 micropore 를가진 BCP 의표면상에생물학적아파타이트의침전을보고하였으며, 생체내에서이러한아파타이트상에골형성전구세포에의한골형성이촉진됨을보고하였다. 상기의많은연구에서알수있듯이골이식재의표면특성중내면의 micropore 의존재는골재생과정에관여하는중 803
요한인자로작용한다. 본평가의주사전자현미경소견에서관찰할수있듯이, MGSB 는수백마이크론직경의 macropore를포함하는 macrostructure는부여되지않았지만, 삼차원적으로잘연결된특징적인 micropore 의구조는골형성과정에서성장인자등의내부함입을촉진하여이식재주위로의국소적인농도를증가함으로써골형성을증진할수있는데기여할것으로기대된다. 이상적인골이식재는이식부에서신생골에의해완전히대체되어야하고, 이를위해적절한생분해성과골전도성이합성골이식재에서요구된다. 이러한이유로인해인산칼슘계세라믹중가장안정된상인 HA 는생체에서용해율이너무낮고, 반면 β -TCP 는용해율이너무높아단독사용시적절한골재생의결과를얻을수없는것으로알려졌다. 인산칼슘계세라믹중두가지상의장점이혼합된 BCP 가생체내에서최적의골전도성을나타내기위한 HA 와 β-tcp 의혼합비에대해서는명확히알려지지는않았으나, 동일한혼합비를가진경우에서보다 65 : 35 와 85 : 15 의조성일경우뛰어난골전도성이보고되었으며 20) 대략 60 : 40의 HA와 β-tcp 의비율이적절한것으로알려졌다 25,41,42). 본연구에서이식재의특성평가를통해 MGSB 는 MBCP 와유사한혼합비를가진것으로나타났다. 이식재의표면적측정을위해시행된 BET 분석결과 Bio-Oss 는다른문헌에서 43) 보고된 79.7m 2 /g과유사한수치인 75.21m 2 /g 를나타내어가장높은표면적을보였고, 이는지난연구에서보다높은값을나타내어측정에사용된제품별로어느정도의차이가있음을보여주었다 44). 이에비해 Bio-Oss 와동일하게우골에서유래한이종골이식재인 BBP 의표면적은 2.79m 2 /g 으로 Bio-Oss 와비교시현격한차이를나타내었다. MBCP 는문헌상보고된 1.8m 2 /g보다다소높은 3.05m 2 /g 의표면적을나타내었고, MGSB 는이보다낮은 1.52m 2 /g 의표면적수치를나타내었다. 이는문헌에서보고된 43) 다른합성골이식재인생체활성유리인 Biogran 의 0.2m 2 /g, Perioglass 의 0.6m 2 /g, β-tcp 인 Cerasorb의 1.2m 2 /g 보다는 높은수치이지만동일한성분인 MBCP 와비교시낮은수치로이러한차이는 MGSB 가 MBCP 에서의 macroporous structure 를부여하지않은구형입자인거시적구조의차이에서기인하는것으로생각된다. 한편동일한구형의이식재인 Cerasorb 보다증가된표면적수치는두이식재간 micropore 의구조적차이와연관이있을것으로생각되지만, 향후이와관련된추가적인분석이필요할것으로생각된다. MTT assay 를이용한세포생활력평가에서 Bio-Oss 를제외한세종류의골이식재는시간경과에따른 optical density 의명확한증가를관찰할수있었으며, polystyrene culture plate 를제외하면, MGSB, BBP, MBCP 는배양 4일째세포생활력에서유사한결과를나타내었다. 이에비해 Bio-Oss 에서는 1, 4일에서다른이식재에비해현저히낮은 optical density 를나타내었고, 특히배양 4일째에서 1 일에서와비교시큰차이를나타내지않았다. 이는세포증식평가의결과에서도유사한양상을나타내어 3, 5, 7일의배양기간동안뚜렷한세포수증식을나타낸다른이식재에서와달리 Bio-Oss 에서는그증가양상이완만하였고, 각기배양일에서의증식세포수또한다른이식재와비교시현저히낮은것을관찰할수있었다. 이는다른이식재에서와는달리 Bio-Oss 표면의무수한잔존 microparticle 의존재가적절한세포부착과증식을저해한결과인것으로보인다 (Figure 7). MGSB 는증식세포수에있어 polystyrene culture plate 와유사한수치를나타내었으며, Bio-Oss 를제외한다른이식재에서와같이시간이경과함에따라증가된세포활성도와세포증식을보여조골세포의성장에적절한환경을제공하는것으로평가된다. 본연구에서는향후상악동골이식술을포함한비교적많은부피의골증강술이필요한부위에서사용하기위해 HA 와 β-tcp 가 60 : 40 의비율로혼합된삼차원적으로연결된 micropore 의특징적인구조를가진구형의 BCP 인 MGSB 를제조하여그특성을평가하였다. MGSB 의골이식대체재로서의기본특성을평가하기위하여동일한조성의 MBCP 와현 804
재골증강수술에서많이사용되고비교적우수한결과가보고되고있는우골유래이종골이식재인 Bio-Oss 와이와유사한 BBP 를이용하여물리화학적표면특성과세포생활력을포함한세포적합성을비교, 평가한결과 MGSB 가골이식대체재로서의적절한요구조건을충족하는것으로나타났다. 하지만제조된골이식재인 MGSB 에부여된삼차원적인연결상을가진 micropore 의생물학적효과와동물실험을통한골재생능의평가를위해향후추가적인연구가요구된다. V. 결론 삼차원적으로잘연결된 micropore 의구조가부여된 60 : 40 의 HA 와 β-tcp 의조성을가지는 BCP 인 MGSB 는골이식재로사용하기위한적절한물리, 화학적특성을나타내었으며골형성세포의성장에적합한생물학적환경을제공하였다. 본연구에서의시험관적평가는비교적단기간의제한적평가로좀더진전된평가가필요하며, 특징적인형태와연결성을가진 micropore 가부여된 BCP 의생체내골재생과정에서의생물학적효과를확인하기위해, 향후동물실험을통해신생골형성을포함한골재생양상의평가가요구된다. VI. 참고문헌 1. Buser D, Dula K, Belser UC, Hirt HP, Berthold H. Localized ridge augmentation using guided bone regeneration. II. Surgical procedure in the mandible. Int J Periodontics Restorative Dent 1995;15:10-29. 2. Clavero J, Lundgren S. Ramus or chin grafts for maxillary sinus inlay and local onlay augmentation: comparison of donor site morbidity and complications. Clin Implant Dent Relat Res 2003:5:154-160. 3. Marx RE, Morales MI. Morbidity from bone harvest in major jaw reocnstruction: a randomised trial comparing the lateral anterior and posterior approaches to the ilium. J Oral Maxillofac Surg 1988;48: 196-203. 4. Mellonig JT. Bone allografts in periodontal therapy. Clin Orthop 1996;324:116-125. 5. Rosenberg E, Rose LF. Biologic and clinical consideration for autografts and allografts in periodontal regeneration therapy. Dent Clin North Am 1998;42:467. 6. Quattlebaum JB, Mellonig JT, Hensel NF. Antigenicity of freeze-dried cortical bone allograft in human periodontal defects. J Periodontol 1988;59:394-397. 7. Schwartz Z, Mellonig JT, Carnes DL, et al. Ability of commercial demineralized freezedried bone allograft to induce new bone formation. J Periodontol 1996;67:918-926. 8. Schwartz Z, Somers A, Mellonig JT, et al. Ability of commercial demineralized freeze-dried bone allograft to induce new bone formation is dependant on donor age but not gender. J Periodontol 1998;69:47-478. 9. Summitt MC, Reisinger KD. Characterization of the mechanical properties of demineralized bone. J Biomed Mater Res 2003;67: 742-750. 10. Zitzmann NU, Scharer P, Marinello CP, Schupbach P, Berglundh T. Alveolar ridge augmentation with Bio-Oss: A histologic study in humans. Int J Periodontics Restorative Dent 2001;21:289-295. 11. Xynos ID, Edgar AJ, Buttery LDK, Hench LL, Polack JM. Ionic dissolution products of bioactive glass increase proliferation of human osteoblasts and induce insulin-like growth factor II mrna expression protein synthesis. Biochem Biophys Res Commun 2000;276:461-465. 805
12. Mangano C, Bartolucci E, Mazzocco C. A new porous hydroxyapatite for promotion of bone regeneration in maxillary sinus augmentation: clinical and histologic study in humans. Clin Oral Implants Res 2003;18: 23-30. 13. Wiltfang J, Schlegel KA, Schultze-Mosgau S, et al. Sinus floor augmentation with β -tricalciumphosphate (β-tcp): does platelet-rich plasma promote its osseointegration and degradation? Clin Oral Implants Res 2003;14:213-218. 14. Papacharambous SK, Anastasoff KI. Natural coral skeleton used as onlay graft for contour augmentation on the face. Int J Oral Maxillofac Surg 1993;22:260-264. 15. Lewandrowski K, Gresser JD, Wise DL, Trantolo DJ. Bioresorbable bone graft substitutes of different osteoconductivities. Biomaterials 2000;21:757-764. 16. Daculsi G, Passuti N, Martin S, et al.. Macroporous calcium phosphate ceramic for long bone surgery in humans and dogs. Clinical and histological study. J Biomed Mater Res 1990;24:379-396. 17. Jarcho M. Calcium phosphate ceramics as hard tissue prosthetics. Clin Orthop 1981;157:259-278. 18. Bagambisa FB, Joos U, Schilli W. Mechanism and structure of the bond between bone and hydroxyapatite ceramics. J Biomed Mater Res 1993;27:1047-1055. 19. Cavagna R, Daculsi G, Bouler JM. Macroporous calcium phosphate ceramic: a prospective study of 106 cases in lumbar spinal fusion. J Long Term Eff Med Implants 1999;9:403-412. 20. Nery EB, LeGeros RZ, Lynch KL, Lee K. Tissue response to biphasic calcium phosphate ceramic with different ratios of HA/beta-TCP in periodontal osseous defects. J Periodontol 1992;63:729-735. 21. Daculsi G, LeGeros RZ, Nery E, Lynch L, Kerebel B. Transformation of biphasic calcium phosphate ceramics in vivo: ultrastructural and physicochemical characterization. J Biomed Mater Res 1989;23:883-894. 22. Daculsi G, LeGeros RZ, Heughebaert M, Barbieux I. Formation of carbonate-apatite crystals after implantation of calcium phosphate ceramics. Calcif Tissue Int 1990;46: 20-27. 23. Misch CE, Dietsh F. Bone-grafting materials in implant dentistry. Implant Dent 1993;2:158-167. 24. Sun JS, Lin FH, Hung TY, et al.. The influence of hydroxyapatite particles on osteoclast cell activities. J Biomed Mater Res 1999;45:311-321. 25. Gauthier O, Bouler JM, Aguado E., et al. Macroporous biphasic calcium phosphate ceramics: influence of macropore diameter and macroporosity percentage on bone ingrowth. Biomaterials 1998;19:133-139. 26. Fujibayashi S, Neo M, Kim HM, Kokubo T, Nakamura T. Osteoinduction of porous titanium metal. Biomaterials 2004;25:443-450. 27. Hashimoto-Uoshiina M, Ishikawa I, Kinoshita I, Weng HT, Oda S. Clinical and histologic observation of replacement of biphasic calcium phosphate by bone tissue in monkeys. Int J Periodontics Restorative Dent 1995;15:204-213. 28. LeGeros RZ. Calcium phosphate in Oral Biology and Medicine. In Meyers H (ed). Monographs in Oral Sciences Vol 15. Basel, Karger 1991. 29. Froum SJ, Tarnow DP, Wallace SS, Rohrer MC, Cho SC. Sinus floor elevation using anorganic bovine bone matrix(osteograf/n) 806
with and without autogenous bone: A clinical, histologic, radiographic an histomorphometric analysis-part 2 of an ongoing prospective study. Int J Periodontics Restorative Dent 1998;18:529-543. 30. Hallman M, Sennerby L, Lundgren S. A clinical and histologic evaluation of implant integration in the posterior maxilla after sinus floor augmentation with autogenous bone, bovine hydroxyapatite, or a 20:80 mixture. Int J Oral Maxillofac Implants 2002;17:635-643. 31. Tadjoedin ES, de Lange GL, Holzmann PJ, Kuiper L, Burger EH. Histological observations on biopsies harvested following sinus floor elevation using a bioactive glass material of narrow size range. Clin Oral Implants Res 2000;11:334-344. 32. Habibovic P, Yuan H, van der Valk CM, et al. 3D microenvironment as essential element for osteoinduction by biomaterials. Biomaterials 2005;26:3536-3575. 33. Yuan H, Yang Z, Li Y, et al. Osteoinduction by calcium phosphate biomaterials. J Mater Sci Mater Med 1998;9:723-726. 34. Ripamonti U. Osteoinduction in porous hydroxyapatite implanted in heterotopic sites of different animal models. Biomaterials 1995;16:31-35. 35. Yang Z, Yuan H, Tong W, et al. Osteogenesis in extraskeletally implanted porous calcium phosphate ceramics: variability among different kinds of animals. Biomaterials 1996;17:2131-2137. 36. Yuan H, Li Y, de Bruijn JD, de Groot K, Zhang X. Tissue responses of calcium phosphate cement: a study in dogs. Biomaterials 2000;21:1283-1290. 37. Yuan H, Kurashino K, de Bruijin JD, et al. A preliminary study on osteoinduction of two kinds of calcium phosphate ceramics. Biomaterials 1999;20:1799-1806. 38. de Groot J. Carriers that concentrate native bone morphogenetic protein in vivo. Tissue Eng 1998;4:337-341. 39. Marinucci L, Balloni S, Becchetti E, et al. Effect of titanium surface roughness on human osteoblast proliferation and gene expression in vitro. Int J Oral Maxillofac Implants 2006;21:719-725. 40. Sammons RL, Lumbikanonda N, Gross M, Cantzler P. Comparison of osteoblast spreading on microstructured dental implant surfaces and cell behaviour in an explant model of osseointegration. A scanning electron microscopic study. Clin Oral Implants Res 2005;16:657-666. 41. Ellinger RF, Nery EB, Lynch KL. Histological assessment of periodontal osseous defects following implantation of hydroxyapatite following implantation of hydroxyapatite and biphasic calcium phosphate ceramic. a case report. Int J Periodontics Restorative Dent 1986;6:22-33. 42. Gauthier O, Bouler JM, Aguado E, et al. Macroporous biphasic calcium phosphate ceramics: influence of macropore diameter and macroporosity percentage on bone ingrowth. Biomaterials 1998;19:133-139. 43. Wenz B. Characteristics of Bio-Oss and Bio-Gide. In: Maiorana C & Simion M, editor. Advanced techniques for bone regeneration with Bio-Oss and Bio-Gide. Seoul, Daehan publishing, 2003. p. 75 44. 박진우. 탈단백우골의골이식대체재로서의특성에대한평가 : 세종류의골대체재의기본특성에대한비교분석. 대한치주과학회지 2005; 35:863-875. 807
Comparative study on the physicochemical properties and cytocompatibility of microporous biphasic calcium phosphate ceramics as a bone graft substitute Kwang-Bum Park 1, Jin-Woo Park 2, Hyun-Uk Ahn 1, Dong-Jun Yang 1, Seok-Kyu Choi 1, Il-Sung Jang 3, Shil-Il Yeo 2, Jo-Young Suh 2 1. Megagen Co., Ltd. 2. Department of Periodontology, College of Dentistry, Kyungpook National University 3. Department of Pharmacology, College of Dentistry, Kyungpook National University Objective : The purpose of this study was to evaluate the physicochemical properties and cytocompatibility of microporous, spherical biphasic calcium phosphate(bcp) ceramics with a 60/40 hydroxyapatite/β-tricalcium phosphate weight ratio for application as a bone graft substitute. Materials and Methods : Microporous, spherical BCP granules(mgsb) were prepared and their basic characteristics were compared with commercially available BCP(MBCP; Biomatlante, France) and deproteinized bovine bone mineral(bio-oss; Geistlich-Pharma, Switzerland, BBP; Oscotec, Korea). Their physicochemical properties were evaluated by scanning electron microscopy, X-ray diffractometry, Fourier-transform infrared spectroscopy, inductively coupled plasma atomic emission spectrometer, and Brunauer-Emmett-Teller method. Cell viability and proliferation of MC3T3-E1 cells on different graft materials were evaluated. Results : MGSB granules showed a chemical composition and crystallinity similar with those in MBCP, they showed surface structure characteristic of three dimensionally, well-interconnected micropores. The results of MTT assay showed increases in cell viablity with increasing incubation times. At 4d of incubation, MGSB, MBCP and BBP showed similar values in optical density, but Bio-Oss exhibited significantly lower optical density compared to other bone substitutes(p < 0.05). MGSB showed significantly greater cell number compared to other bone substitutes at 3, 5, and 7d of incubation(p < 0.05), which were similar with those in polystyrene culture plates. Conclusion : These results indicated the suitable physicochemical properties of MGSB granules for application as an effective bone graft substitute, which provided compatible environment for osteoblast cell growth. However, further detailed studies are needed to confirm its biological effects on bone formation in vivo. 2) Key words : biphasic calcium phosphate, micropore, bone substitute, surface characteristics 808