아직까지 나노관련 기술이 티타늄 임플란트에 직접적으로 사용되는 부분이 상당히 미약하다. 하지만, 수직으로 정렬된 구조를 가지는 티타니아 나노튜브는 생체 내 대부분의 임플란트 재료로 사용되는 티타늄의 차세대 개발에 있어서 가장 중요한 영향을 미칠 것이다. 본문에 설명되어 있는 내용들 뿐 만이라, 티타니아 나노튜브는 파골세포의 골 흡수성 방지, 줄기세포의 특정 성체세포로의 분화, 연골세포의 재분화, 간세포를 이용한 생물 반응기(bio-reactor) 개발 등 생체재료의 여러 분야에서 많이 연구되고 있다. 특히, 줄기세포에 관한 연구는 차세대 임플란트 개발에 있어서 가장 중요한 연구 분야 중의 하나로서, 골을 형성하는 조골세포와 골을 파괴하는 피골세포 모두 줄기세포 로부터 만들어진다는 것을 유념해야 할 것이다. 만약, 티타니아 나노튜브의 독특한 나노구조를 이용하여 줄기세포의 조골세포로의 직접 분회를 제어하는 기술이 개발되어 상업화된다면, 이 기술을 기반으로 하여 현 재까지 개발된 모든 표면 증착 및 코팅 기술을 새롭게 이용하는 차세대 티타늄 임플란트의 개발을 위한 초석이 되리라고 본다.
아직까지 나노관련 기술이 티타늄 임플란트에 직접적으로 사용되는 부분이 상당히 미약하다. 하지만, 수직으로 정렬된 구조를 가지는 티타니아 나노튜브는 생체 내 대부분의 임플란트 재료로 사용되는 티타늄의 차세대 개발에 있어서 가장 중요한 영향을 미칠 것이다. 본문에 설명되어 있는 내용들 뿐 만이라, 티타니아 나노튜브는 파골세포의 골 흡수성 방지, 줄기세포의 특정 성체세포로의 분화, 연골세포의 재분화, 간세포를 이용한 생물 반응기(bio-reactor) 개발 등 생체재료의 여러 분야에서 많이 연구되고 있다. 특히, 줄기세포에 관한 연구는 차세대 임플란트 개발에 있어서 가장 중요한 연구 분야 중의 하나로서, 골을 형성하는 조골세포와 골을 파괴하는 피골세포 모두 줄기세포 로부터 만들어진다는 것을 유념해야 할 것이다. 만약, 티타니아 나노튜브의 독특한 나노구조를 이용하여 줄기세포의 조골세포로의 직접 분회를 제어하는 기술이 개발되어 상업화된다면, 이 기술을 기반으로 하여 현 재까지 개발된 모든 표면 증착 및 코팅 기술을 새롭게 이용하는 차세대 티타늄 임플란트의 개발을 위한 초석이 되리라고 본다.
Tissue engineering has been enhanced by advance in biomaterial nature, surface structure and design. In this paper, I report specifically vertically aligned titania ($TiO_2$) nanotube surface structuring for optimization of titanium implants utilizing nanotechnology. The formation, mechan...
Tissue engineering has been enhanced by advance in biomaterial nature, surface structure and design. In this paper, I report specifically vertically aligned titania ($TiO_2$) nanotube surface structuring for optimization of titanium implants utilizing nanotechnology. The formation, mechanism, characteristics of titania nanotubes are explained and emerging critical role in tissue engineering and regenerative medicine is reviewed. The main focus of this paper is on the unique 3 dimensional tubular shaped nanostructure of titania and its effects on creating epochal impacts on cell behavior. Particularly, I discuss how different cells cultured on titania nanotube are adhered, proliferated, differentiated and showed phenotypic functionality compared to those cultured on flat titanium. As a matter of fact, the presence of titania nanotube surface structuring on titanium for dental applications had an important effect improving the proliferation and mineralization of osteoblasts in vitro, and enhancing the bone bonding strength with rabbit tibia over conventional titanium implants in vivo. The nano-features of titania nanotubular structure are expected to be advantageous in regulating many positive cell and tissue responses for various tissue engineering and regenerative medicine applications.
Tissue engineering has been enhanced by advance in biomaterial nature, surface structure and design. In this paper, I report specifically vertically aligned titania ($TiO_2$) nanotube surface structuring for optimization of titanium implants utilizing nanotechnology. The formation, mechanism, characteristics of titania nanotubes are explained and emerging critical role in tissue engineering and regenerative medicine is reviewed. The main focus of this paper is on the unique 3 dimensional tubular shaped nanostructure of titania and its effects on creating epochal impacts on cell behavior. Particularly, I discuss how different cells cultured on titania nanotube are adhered, proliferated, differentiated and showed phenotypic functionality compared to those cultured on flat titanium. As a matter of fact, the presence of titania nanotube surface structuring on titanium for dental applications had an important effect improving the proliferation and mineralization of osteoblasts in vitro, and enhancing the bone bonding strength with rabbit tibia over conventional titanium implants in vivo. The nano-features of titania nanotubular structure are expected to be advantageous in regulating many positive cell and tissue responses for various tissue engineering and regenerative medicine applications.
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문제 정의
씨. 그리고 나노구조의 표면과 직접 접촉하는 세포 바닥의멤브레인이 인장과 완화의 기계적 응력에 의해 영향을받으면서, 세포 내의 구성성분을 재배열하고 세포 거동을 직접적인 영향을 주는 이온채널이 개방되기 때문이다对 이러한 일연의 연구 결과들이 다른 나노튜브의 직경이 세포의 반응에 큰 영향을 미쳤다는 본 연구결과에 대한 설명에 도움이 된다.
따라서양극산화 전압이 커지면 커질수록 나노튜브의 직경은커지는 것을 알 수 있다. 이러한 나노튜브의 크기, 특히 직경의 차이가 세포의 흡착, 성장, 기능, 그리고 사멸에 어떠한 영향을 미치는 지에 대해서 좀 더 심도있게 논의하고자 한다.
상당히 고무적인 의의를 가진다. 저자는 이미 앞서서 말한 연구 이외에 추가로 다양한 직경의 나노튜브30~lOOnm)를 제조하여 이러한 나노크기의 차이가 조골세포의 흡착, 형상, 분화 및 골 형성능에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 연구 결과, 나노튜브의이러한 작은 범위 내에서의 차이가 아주 독특한 조골세포의 거동 변화를 만들어낸다는 것을 발견하였다.
가설 설정
(d) Bone Wlding functionality represented by alkaline phosphatase activity of Neoblasts culUiredon the different sized nanotube surfaces.
제안 방법
하지만, 생체는 조골세포뿐만 아니라다양한 종류의 세포들이 존재하며 더 복합적인 환경으로 구성되어 있기 때문에, 생체 내 실험은 생체 외 실험과는 또 다른 결과를 나타낸다. 이러한 생체 내에서 나노튜브에 대한 생물학적 반응을 관찰하기 위하여 토끼를 대상으로 lOOnm 직경의 나노튜브 실험군과 티타니아 입자가 코팅된 실험 대조군을 비교 평가하였다. 자세한 동물실험에 대한 배경과 방법은 이미 출간된 논문에 나와 있다细 실험은 4주에 걸쳐서 이루어졌고, 실험 결과를 간략히 설명하면 다음과 같다.
성능/효과
자세한 동물실험에 대한 배경과 방법은 이미 출간된 논문에 나와 있다细 실험은 4주에 걸쳐서 이루어졌고, 실험 결과를 간략히 설명하면 다음과 같다. lOOnm 티타니아 나토튜브가 있는 티타늄 표면에서는 주변의 골과반응하여 새로운 골이 형성되는 것을 확인하였지만, 대조군으로 사용된 티타니아 입자 코팅 표면에서는 주변의 골과 직접적인 골결합을 방해하는 연조직 결합세포층이 형성됨을 관찰하였다. 기계적 인장 시험 결과에서도 티타니아 나노튜브 표면을 가진 실험군이 대조군에비하여 9배나 높은 인장력을 나타내었다.
그러나 세포 신장의 관점에서, 나노튜브의 직경이 커질수록 세포의 신장은 증가하였고, 100nm 나노튜브에서가장 큰 세포 신장률을 나타내었다. 골 형성능의 지표인 알칼리성 인산분해효소(alkaline phosphatase) 활동도에서도 세포 신장률과 유사한 경향을 나타내었으며, 나노튜브의 직경이 커질수록 알칼리성 인산분해효소 활동도가 커지는 것을확인하였다.
세포 흡착 및 분화의 관점에서, 나노튜브의 직경이 작을수록 세포의 흡착이 우수하였고, 30nm 티타니아 나노튜브에서 가장 우수한 세포 흡착 및 분화를 나타내었다. 그러나 세포 신장의 관점에서, 나노튜브의 직경이 커질수록 세포의 신장은 증가하였고, 100nm 나노튜브에서가장 큰 세포 신장률을 나타내었다. 골 형성능의 지표인 알칼리성 인산분해효소(alkaline phosphatase) 활동도에서도 세포 신장률과 유사한 경향을 나타내었으며, 나노튜브의 직경이 커질수록 알칼리성 인산분해효소 활동도가 커지는 것을확인하였다.
lOOnm 티타니아 나토튜브가 있는 티타늄 표면에서는 주변의 골과반응하여 새로운 골이 형성되는 것을 확인하였지만, 대조군으로 사용된 티타니아 입자 코팅 표면에서는 주변의 골과 직접적인 골결합을 방해하는 연조직 결합세포층이 형성됨을 관찰하였다. 기계적 인장 시험 결과에서도 티타니아 나노튜브 표면을 가진 실험군이 대조군에비하여 9배나 높은 인장력을 나타내었다.
세포의신장(Elongation)과 골 형성능 간의 경 계를 보이는 나노튜브 직경의 뚜렷한 범위가 있다는 것을 발견하였다. 세포 흡착 및 분화의 관점에서, 나노튜브의 직경이 작을수록 세포의 흡착이 우수하였고, 30nm 티타니아 나노튜브에서 가장 우수한 세포 흡착 및 분화를 나타내었다. 그러나 세포 신장의 관점에서, 나노튜브의 직경이 커질수록 세포의 신장은 증가하였고, 100nm 나노튜브에서가장 큰 세포 신장률을 나타내었다.
저자는 이미 앞서서 말한 연구 이외에 추가로 다양한 직경의 나노튜브30~lOOnm)를 제조하여 이러한 나노크기의 차이가 조골세포의 흡착, 형상, 분화 및 골 형성능에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 연구 결과, 나노튜브의이러한 작은 범위 내에서의 차이가 아주 독특한 조골세포의 거동 변화를 만들어낸다는 것을 발견하였다. 그림 2는 30, 50, 70, 그리고 100nm 티타니아 나노튜브의 주사전자 현미경 사진들이다.
이러한 생체 내 실험 결과들은 티타니아 나노튜브와인접한 골의 계면결합이 아주 강력하므로 쉽게 파절되지 않으며, 세포 실험에서 보여주었던 나노튜브에 의한조골세포의 골 형성능의 촉진이 생체 내 실험에서 우수한 골유착으로 이 어지는 것은 알 수 있었다(그림 3).
티타니아 나노튜브의 다른 직경 크기에 따른 효과를비교하면서, 조골세포의 초기 부착과 성장 vs. 세포의신장(Elongation)과 골 형성능 간의 경 계를 보이는 나노튜브 직경의 뚜렷한 범위가 있다는 것을 발견하였다. 세포 흡착 및 분화의 관점에서, 나노튜브의 직경이 작을수록 세포의 흡착이 우수하였고, 30nm 티타니아 나노튜브에서 가장 우수한 세포 흡착 및 분화를 나타내었다.
후속연구
특히, 줄기세포에 관한 연구는 차세대 임플란트 개발에 있어서 가장 중요한 연구 분야 중의 하나로서, 골을 형성하는 조골세포와 골을 파괴하는 파골세포 모두 줄기세포로부터 만들어진다는 것을 유념해야 할 것이다. 만약, 티타니아 나노튜브의 독특한 나노구조를 이용하여 줄기세포의 조골세포로의 직접 분화를 제어하는 기술이개발되어 상업화된다면, 이 기술을 기반으로 하여 현재까지 개발된 모든 표면 증착 및 코팅 기술을 새-롭게이용하는 차세대 티타늄 임플란트의 개발을 위한 초석이 되리라고 본다.
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