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구강 및 정형외과적 수술은 종종 턱의 종양 및 낭종의 제거 후 골결손의 재건, 치조골 이식 및 상학동 거상술 후에 골 재생을 필요로 하며, 골이 채워질 공간을 제공하기 위해 차폐막을 이용한 골유도재생술(GBR)이 고려되어 왔다. 최근 GBR을 위한 티타늄 멤브레인의 적용은 탁월한 기계적 특성, 높은 예측 가능성 및 세균 오염에 대한 작은 감수성 등으로 인해 인기를 얻고 있다. 그러나 티타늄 메쉬의 높은 강성은 점막 자극을 유발하여 초기 노출로 이어질 수 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하고 GBR로서 ...

구강 및 정형외과적 수술은 종종 턱의 종양 및 낭종의 제거 후 골결손의 재건, 치조골 이식 및 상학동 거상술 후에 골 재생을 필요로 하며, 골이 채워질 공간을 제공하기 위해 차폐막을 이용한 골유도재생술(GBR)이 고려되어 왔다. 최근 GBR을 위한 티타늄 멤브레인의 적용은 탁월한 기계적 특성, 높은 예측 가능성 및 세균 오염에 대한 작은 감수성 등으로 인해 인기를 얻고 있다. 그러나 티타늄 메쉬의 높은 강성은 점막 자극을 유발하여 초기 노출로 이어질 수 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하고 GBR로서 Ti 멤브레인의 적합성을 증진시키기 위해 두께, 홀의 크기와 분포 등의 매개 변수를 향상시키기 위해서 설계 및 구조를 최적화 하기 위한 많은 연구가 수행되고 있다. Ti 메쉬의 물리적 성질 변화 외에도 생체 활성, 항균성 또는 성장 인자를 포함하는 표면개질에 대한 연구가 추진되고 있는 추세이다.
IIA 족 원소 인 스트론튬 (Sr)은 결합되지 않은 뼈의 리모델링을 촉진하는 인골에서 발견되는 미량 금속으로서, 골아세포의 분화를 촉진할 뿐만 아니라 파골세포의 분화를 억제하는 작용을 한다. 더욱이, Sr은 몇가지 생체세라믹에서 칼슘 (Ca)을 대체 할 수 있어서 고유의 물성에 영향을 미친다. 따라서 티타늄에 Sr 첨가 칼슘포스페이트 (Ca-P) 세라믹을 적용한 메쉬 또는 임플란트와 같은 티타늄 바이오 메디컬 디바이스는 잠재적인 약물전달 수단이며, 천연 미네랄 조직에 가까운 조성의 표면을 제공한다. 본 논문은 다양한 Sr 도핑 비율을 갖는 Ca-P 코팅을 얻기 위해 양극산화처리, 석회화 순환처리 및 열처리 (APH)에 따른 Ti 메쉬의 개질에 대하여 조사하였다. 개질된 표면은 Ti 메쉬의 골 재생 능력을 향상시키는 생체활성과 생체적합성이 우수한 표면으로서 제안되었다.
제1장은 치과에서의 Ti 사용에 대한 문헌 개요와 Ti에 Sr이 도핑 된 Ca-P 코팅을 실현하는 방법론 및 효과를 설명하였고, 또한 Ti 위에 Ca-P 코팅을 얻기 위해 성공적으로 적용할 수 있는 석회화 순환처리 방법을 소개하였다. 마지막으로 GBR로서 Ti 메쉬의 그 기능에 대해 논의하였다.
제2장은 Ti의 생체적합성에 대한 Sr 도핑 량 및 순환처리 횟수의 영향에 대하여 조사하였다. Sr 이온은 석회화 순환처리 동안 첨가되어 Ti 기판 상에 Sr 도핑 Ca-P 코팅층을 생성하였다. Sr 도핑의 정도를 최적화하기 위해, 다양한 Sr : Ca 몰비 (1 : 9, 3 : 7, 4 : 6 및 5 : 5) 및 처리주기 (10, 20 및 30)가 코팅층의 성분, 이온 방출 패턴, 생체활성 및 in vitro 생체적합성에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 침전 된 입자의 크기는 높은 도핑 비에서 감소하는 반면, 용해도는 Sr 함량이 증가함에 따라 증가하였다. In vitro 골아세포 반응을 조사한 결과, 20회 순환처리에서 Sr : Ca 비가 5 : 5 인 Sr 도핑 표면 (ASH)은 Sr 치환 비율이 0.14 이었고, 배양 첫날에 가장 양호한 세포 부착을 나타냈으며, 도핑되지 않은 표면 및 다른 조건의 도핑 표면과 비교하여 7 일 후에 더 우수한 증식을 보였다.
제2장에 기술 된 결과에 근거하여, 5 : 5 Sr : Ca 비를 갖는 ASH 표면이 추가적인 집중적 조사를 위해 선택되었고 (III 장), 세포 부착, 증식, 칼슘 침착 및 골 형성 관련 유전자 발현을 기반으로 in vitro 생체 적합성을 평가 하였다. Sr이 도핑 되지 않은 Ti 표면 (APH)과 비교하여 볼 때, ASH 표면은 in vivo 에서 석회화 순환처리된 임플란트의 골 재생에 중대한 영향을 줄 수 있는 골아세포 활동에 유리하게 작용할 것으로 생각된다.
마지막으로, 제IV장은 임상 치료에 응용할 수 있도록 ASH Ti 메쉬의 골재생능을 평가하였다. Sr 도핑 된 ASH Ti 메쉬, Sr이 도핑되지 않은 APH Ti 메쉬 및 미처리 Ti 메쉬를 쥐 두개골의 임계크기 결함의 골재생에 사용하였다. 이어서, 골 형성은 마이크로 컴퓨터 단층 촬영 (micro-computed tomography), 조직형태학적 분석법 (histomorphometric assays) 및 형광색소라벨링 (fluorochrome labelling)을 사용하는 포괄적인 분석을 통해 체계적으로 평가되었다. 이식 후 4 주 및 8 주째에 미처리 메쉬에서는 골층과 메쉬 사이에서 결합 조직의 개재가 관찰된 반면, 표면처리된 Ti 메쉬는 Sr 도핑량에 관계없이 조기에 메쉬와 접촉상태에서 골이 재생되었다. 또한, Ca-P 코팅의 Sr 도핑은 높은 골밀도로 골 재생을 촉진하고 골 결손의 치유를 향상시켰다.
요약하면, 이 논문은 복잡한 기하학적 형상에도 적용 가능한 석회와 순환처리를 통해 Ti 메쉬에 Sr 도핑 Ca-P 코팅을 적용하는 간단하고 효율적인 방법에 대하여 설명하였다. 또한 도핑 및 방출 된 Sr 양은 해당 용액 농도 및 사이클 회수를 변경하여 조정할 수 있다. 이러한 시너지 효과로 인해 5 : 5 Sr : Ca 비율의 ASH Ti 메쉬는 치과 및 정형 외과 분야의 응용에 가장 큰 GBR 잠재력을 가질 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Oral and orthopedic surgery often require bone regeneration, as exemplified by the reconstruction of bone defects after extirpation of jaw tumors and cysts, alveolar cleft bone grafting, and preprosthetic sinus lifting. Thus, guided bone regeneration (GBR) using barrier membranes that provide space ...

Oral and orthopedic surgery often require bone regeneration, as exemplified by the reconstruction of bone defects after extirpation of jaw tumors and cysts, alveolar cleft bone grafting, and preprosthetic sinus lifting. Thus, guided bone regeneration (GBR) using barrier membranes that provide space for the subsequently filled bone is critical for achieving proper bone augmentation and reconstruction. Recently, the application of titanium (Ti) membranes in GBR has gained popularity due to their superb mechanical properties, high predictability, and small susceptibility to bacterial contamination. However, the stiffness of these membranes can cause mucosal irritation, leading to their early exposure. Thus, to resolve these problems and promote the suitability of Ti membranes for GBR, a number of studies have been performed to optimize their design and structure, enhancing parameters such as thickness, occlusive/perforated structure, and pore size. Recently, besides physical property change, modification of the membrane surface with bioactive, antibacterial, or growth factors has become a popular trend, making the surface modification of Ti membranes highly relevant.
Strontium (Sr), a group IIA element, is a trace metal found in human bone that promotes ‘‘uncoupled” bone remodeling, i.e., it not only stimulates the differentiation of osteoblasts, but also inhibits that of osteoclasts. Moreover, Sr can replace calcium (Ca) in a number of bioceramics, affecting the intrinsic recipient material properties. Therefore, Ti biomedical devices such as implants or GBR membranes featuring Sr-coated calcium-phosphate (Ca-P) ceramics on Ti are a potential drug-loaded source, additionally providing surfaces with compositions close to that of natural mineral tissue.
This thesis describes the modification of Ti mesh surfaces by anodizing, cyclic precalcification, and heating (APH) to obtain Ca-P coatings with different Sr doping ratios. The modified surfaces proposed to achieve better bioactivity and biocompatibility for enhancing the bone regeneration capacity of the Ti mesh.
Chapter I presents a literature overview of the use of Ti in dentistry and the effects and methodologies for realizing Sr-(non-)doped Ca-P coatings on Ti substrates. Additionally, we introduce a cyclic precalcification method successfully applied to obtain Ca-P coatings on Ti substrates. Finally, we discuss Ti membranes and their functions in GBR.
Chapter II investigates the effects of Sr doses and treatment cycle numbers on Ti biocompatibility. Sr ions were added during cyclic precalcification to produce Sr-doped Ca-P coatings on Ti substrates. To optimize the degree of Sr doping, various Sr:Ca molar ratios (1:9, 3:7, 4:6, and 5:5) and treatment cycle numbers (10, 20, and 30) were investigated in terms of their effect on morphology, bioceramic coating components, ion release pattern, bioactivity, and cellular biocompatibility in vitro. The size of precipitated particles decreased at high doping ratios, whereas their solubility increased with increasing Sr content. Investigation of the osteoblast response in vitro revealed that the Sr-doped surface (ASH) at Sr:Ca ratio of 5:5 by 20 treatment cycles gained a Sr substitution ratio of 0.14 and exhibited the best cellular attachment at the first day of culturing and superior proliferation after seven days, as compared to non-doped and other doped surfaces.
Based on the results described in Chapter II, the ASH surface with a 5:5 Sr:Ca ratio was selected for further intensive investigation (Chapter III), and its biocompatibility was evaluated in vitro based on cellular attachment, proliferation, calcium deposition, and osteogenesis-related gene expression. Compared to the non-doped Ti surface (APH), the ASH surface favored osteoblast activity, which may have profound effects on bone healing on pre-calcified implants in vivo.
Finally, Chapter IV evaluates the GBR capability of the ASH Ti mesh in vivo to further tailor its application in clinical treatment. The Sr-doped ASH Ti mesh, the Sr-non-doped APH Ti mesh, and the pristine mesh were used to treat critical size defects of rat calvarial bone. Subsequently, osteogenesis was systemically assessed via a set of comprehensive analyses employing micro-computed tomography, histomorphometric assays, and fluorochrome labeling. At four and eight weeks after implantation, connective tissue interposition was observed between the bone layer and untreated mesh, while treated Ti barriers exhibited early contact osteogenesis regardless of the Sr level. Moreover, Sr doping of Ca-P coatings promoted bone regeneration with high bone mineral density and enhanced the healing of osteodefects.
In summary, this thesis describes a simple and cost-effective method of applying Sr-doped Ca-P coatings on Ti substrates via cyclic precalcification, which is also applicable to complex geometrical shapes. The amounts of doped and released Sr can be adjusted by changing the corresponding solution concentrations and the number of cycles. Due to its synergic effects, the ASH Ti mesh with a 5:5 Sr:Ca ratio displayed the largest GBR potential for application in dental and orthopedic fields.

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