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임플란트 주재료인 티타늄의 표면형태와 작용하는 화학기는 성공적인 골 유착에 중요한 요소이다. 세포부착 시 임플란트 표면의 형태보다 화학기가 더 큰 영향을 미친다. 화학기 변화를 유도하는 한 가지 방법인 플라즈마 조사는 임플란트 표면을 친수성으로 개질하여 주변 조직의 세포와 단백질 흡착에 도움을 준다. 그러나 임플란트 표면개질을 유도하기 위한 화학기 변화는 시간이 지남에 따라 화학적 손실(aging)을 일으키기 쉽다. 이에 임플란트 개봉 즉시 표면개질을 유도할 수 있는 상온대기압 플라즈마 (Non-thermal AtmosphericPressure Plasma Jet; NTAPPJ)를 이용하여 화학처리가 손실되는 것을 최소화하고자 한다. 한편 다양한 표면형태 가운데 ...

임플란트 주재료인 티타늄의 표면형태와 작용하는 화학기는 성공적인 골 유착에 중요한 요소이다. 세포부착 시 임플란트 표면의 형태보다 화학기가 더 큰 영향을 미친다. 화학기 변화를 유도하는 한 가지 방법인 플라즈마 조사는 임플란트 표면을 친수성으로 개질하여 주변 조직의 세포와 단백질 흡착에 도움을 준다. 그러나 임플란트 표면개질을 유도하기 위한 화학기 변화는 시간이 지남에 따라 화학적 손실(aging)을 일으키기 쉽다. 이에 임플란트 개봉 즉시 표면개질을 유도할 수 있는 상온대기압 플라즈마 (Non-thermal AtmosphericPressure Plasma Jet; NTAPPJ)를 이용하여 화학처리가 손실되는 것을 최소화하고자 한다. 한편 다양한 표면형태 가운데 나노구조는 세포의 증식과 분화를 촉진하여골 유착에 탁월한 효과가 있다. 따라서 본 연구는 나노튜브 표면 형태와 조도 변화없이 친수성으로 표면개질하여 골유착을 유도하는 것이 최종목표이다. 시편 위에 NTAPPJ를 처리한 전/후 표면의 물리적, 화학적, 생물학적 특성 변화는 전계방출 주사전자 현미경, 광학적 표면조도 측정기, 접촉각 및 X선 광전자분광 장치를 사용하여 측정 하였다. Mouse fibroblast L929로 세포생존, 조골모세포주(MC3T3-E1)를 배양하여 세포부착 및 증식, 세포분화는 Rat Mesenchymal Stem Cells을 사용하여 real-time PCR로 평가 하였다. 질소와 공기 기반의 NTAPPJ조사 시 두 실험군 모두 나노튜브의 형태및 조도 변화는 없었다(P>0.05). 접촉각 측정결과는 실험군 모두 대조군에 비하여 접촉각이 낮았으며, 질소 그룹이 공기 그룹에 비하여 측정값이 더 낮아 초친수성으로 표면이 개질되었다(P<0.05). NTAPPJ조사 후 표면층에 남아있는 원소를 XPS로 분석한 결과 O-H그룹의 결합에너지가 다소 증가하였으며, COOH, NH그룹의 결합에너지는 급격하게 증가하였다. 세포부착과 증식률은 NTAPPJ조사 후 실험군이 대조군에 비하여 증가하였으며, 3일차부터 질소 그룹이 공기 그룹에 비하여 증식률이 더 높았다(P<0.05). 모든 골아세포의 분화 표지인자에서 NTAPPJ 반응 시 유전자발현이 증가하였으며, 배양한지 7일에서 14일까지 점점 증가하는 양상이 나타났다. 14일차에서 질소그룹이 공기 그룹에 비하여 발현이 유의하게 높았다(P<0.05). 시편 위에 NTAPPJ 조사 시 실험군 모두 세포의 부착, 증식 및 분화가 촉진되었으며, 질소 그룹이 공기 그룹 보다 골 형성 유전자 발현이 높았다. 그 이유는 질소-NTAPPJ를 조사하였을 때, 표면의 탄소 원자 비율이 더 낮아지면서 표면에너지가 증가하였기 때문이다. 본 연구는 나노튜브 표면에 NTAPPJ를 조사한 결과 친수성이 증가하였으며, 성공적인 골 유착을 유도하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The surface topography and chemistry of titanium implants are important factors for successful osseointegration. However, chemical modification of an implant surface using currently available methods often results in the disruption of topographical features and the loss of beneficial effects during ...

The surface topography and chemistry of titanium implants are important factors for successful osseointegration. However, chemical modification of an implant surface using currently available methods often results in the disruption of topographical features and the loss of beneficial effects during the shelf life of the implant. Therefore, the aim of this study was to apply the recently highlighted portable non-thermal atmospheric pressure plasma jet (NTAPPJ), elicited from one of two different gas sources (nitrogen and air), to TiO2 nanotube surfaces to further improve their osteogenic properties while preserving the topographical morphology. The surface treatment was performed before implantation to avoid age-related decay. The surface chemistry and morphology of the TiO2 nanotube surfaces before and after the NTAPPJ treatment were determined using a field-emission scanning electron microscope, a surface profiler, a contact angle goniometer, and an X-ray photoelectron spectroscope. The MC3T3-E1 cell viability, attachment and morphology were confirmed using calcein AM and ethidium homodimer-1 staining, and analysis of gene expression using rat mesenchymal stem cells was performed using a real-time reverse-transcription polymerase chain reaction. The results indicated that both portable nitrogen and air based NTAPPJ could be used on TiO2 nanotube surfaces easily and without topographical disruption. NTAPPJ resulted in a significant increase in the hydrophilicity of the surfaces as well as changes in the surface chemistry, which consequently increased the cell viability, attachment and differentiation compared with the control samples. The nitrogen-based NTAPPJ treatment group exhibited a higher osteogenic gene expression level than the air-based NTAPPJ treatment group due to the lower atomic percentage of carbon on the surface that resulted from treatment. It was concluded that NTAPPJ treatment of TiO2 nanotube surfaces results in an increase in cellular activity. Furthermore, it was demonstrated that this treatment leads to improved osseointegration in vitro.

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