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문제 정의
- 저자 등은 사람에서 발치된 치아들의 치관과 치근을 분리하여 법랑질과 상아질 분말로 처리한 골이식재료들과 임상에서 많이 사용되고 있는 동종골, 이종골 및 합성골에 대한 X선 회절분석(X-ray diffraction, XRD)을 통해 자가골의 구조와 유사성 여부를 평가하기 위해 본 연구를 시행하게 되었다.
제안 방법
- XRD graph에서 각각의 골이식재들의 domain size를 캘리퍼로 측정하였다. 측정된 peak의 정점과 기저부의 중간 부분에서 너비를 측정하였는데 쉐라 방정식(Scherrer’s equation)을 사용하여 계산하였다6.
- , Seoul, Korea), 동종골(irradiated cancellous bone, ICB, Rocky Mountain Tissue Bank, Coloradi, USA), 이종골(BioOss, Geistlich Biomaterials, Wolhusen Schweiz), 합성골(MBCP, Biomatlante, Vigneux de Bretagne, FRANCE)의 결정구조를 비교하였다. 각 시료들을 각각 열처리 전과 700℃에서 2시간 동안 열처리한 후 광물 결정상을 조사하였다. 열처리 전 시편들의 결정상을 조사하기 위하여 이들 시료를 액체질소로 급냉시킨 후 바로 분쇄하여 분말상으로 만들었다.
- 시편을 분쇄하여 가루로 만들어 분석용 홀더에 놓은 후 X-선 회절분석기(D8 Advance, Bruker AXS GmbH, Karlsruhe, Germany)를 사용하여 2θ를 10-90º까지 측정하였다.
- 악교정 수술 중 채취된 하악골의 협측 피질골편을 대조군으로 하였으며 자가치아골이식재 법랑질(AutoBT E+, Korea Tooth Bank Co., Seoul, Korea), 상아질(AutoBT D+, Korea Tooth Bank Co., Seoul, Korea), 동종골(irradiated cancellous bone, ICB, Rocky Mountain Tissue Bank, Coloradi, USA), 이종골(BioOss, Geistlich Biomaterials, Wolhusen Schweiz), 합성골(MBCP, Biomatlante, Vigneux de Bretagne, FRANCE)의 결정구조를 비교하였다. 각 시료들을 각각 열처리 전과 700℃에서 2시간 동안 열처리한 후 광물 결정상을 조사하였다.
- 각 시료들을 각각 열처리 전과 700℃에서 2시간 동안 열처리한 후 광물 결정상을 조사하였다. 열처리 전 시편들의 결정상을 조사하기 위하여 이들 시료를 액체질소로 급냉시킨 후 바로 분쇄하여 분말상으로 만들었다. 열처리 후의 시편은 냉각 후 분말형 시료를 제조하였다.
이론/모형
- 재료들의 화학식은 같아도 결정구조가 다를 수 있으며 회절분석을 통하여 결정구조와 결정의 크기를 추정할 수 있다. 결정 크기를 추정하기 위해 쉐라 방정식(sherrer equation)을 이용하게 된다. Hydroxyapatite, beta-TCP 등 각각의 형태에 대해 peak가 나타나는 2theta의 값이 일정하다.
- 측정된 peak의 정점과 기저부의 중간 부분에서 너비를 측정하였는데 쉐라 방정식(Scherrer’s equation)을 사용하여 계산하였다6.(Fig. 1)
성능/효과
- 즉 악골의 무기질 결정구조는 저결정성임을 의미하며 자가치아골이식재 상아질과 동종골의 결정 구조가 자가골과 가장 유사한 양상을 보이는 것으로 추정되었다. Domain 크기를 측정한 결과에서도 자가치아골이식재 상아질과 동종골이 대조군인 자가골과 가장 유사한 양상을 보였다.
- 본 연구에서 BioOss와 MBCP의 피크 위치가 유사하지만 BioOss의 피크는 MBCP와 알려진 HA의 XRD pattern에 비해 옆으로 퍼져 있는 양상을 보이고 있다. 즉 저결정성이며 결정의 크기(domain)가 작다는 것을 의미한다8.
- 저결정성 탄소아파타이트(low crystalline carbonic apatite)일 경우 가장 우수한 골전도 효과를 보인다13. 본 연구에서 다양한 골이식재들을 대상으로 XRD 분석을 시행한 결과 자가치아골이식재 상아질이 저결정성 아파타이트로 구성되어 있음을 확인하였다. 치아의 대부분을 차지하는 상아질과 백악질부분을 골이식재로 사용할 경우 골조직의 주요 광물인 저결정성 아파타이트이기 때문에 이식 후 우수한 골전도에 의한 골치유 및 골개조를 보일 것으로 예상된다.
- 이는 법랑질이 결정성이 높은 97%의 HA 광물로 이루어졌기 때문이다. 상아질은 파단면에서 직경이 약 1-2 ㎛로 긴 관상(tube type)의 기공들이 많이 발견되었는데, 이 기공들은 약 10 ㎛마다 주기적으로 배열되어 있음이 확인되었다. 파단면에서 기공과 기공 사이에는 XRD 관찰에서 얻어진 결과와 같이 결정성이 낮은 HA가 주광물이고 다른 calcium phosphate 계열의 광물질들과 콜라겐 같은 유기물들이 혼재하고 있는 것으로 사료되었다.
- 자가치아골이식재 법랑질과 MBCP의 domain size가 비교적 크면서 고결정성을 띠는 것으로 관찰되었다. 이종골 BioOss는 자가치아골이식, MBCP에 비해 저결정성을 띠는 것으로 나타났다.
- 자가골과 가장 유사한 결정구조를 보인 재료는 자가치아골이식재 상아질과 동종골이었다. 자가치아골이식재 법랑질과 MBCP의 domain size가 비교적 크면서 고결정성을 띠는 것으로 관찰되었다. 이종골 BioOss는 자가치아골이식, MBCP에 비해 저결정성을 띠는 것으로 나타났다.
- MBCP의 peak는 골이나 치아보다 훨씬 날카롭고 너비가 좁은 양상을 보였고 고결정성을 나타내는 골이식 재료로 판단되었다. 자가치아골이식재 법랑질은 상아질에 비해 peak가 좁으면서 매우 날카로운 양상을 보였다. 즉 무기질 함량이 많고 고결정성임을 의미한다.
- 자가치아골이식재 상아질과 동종골의 XRD pattern이 자가골과 가장 유사한 양상을 보였으며, 자가치아골이식재 법랑질, 이종골, 합성골은 약간 다른 양상을 보였다.(Fig.
- 즉 상아질과 백악질로 주로 구성된 치근 부위는 저결정성이며, 법랑질 성분이 많은 치관 부위는 고결정성임을 의미하였다3,4. 주사전자현미경을 이용한 표면구조 분석 결과 법랑질 부분의 경우 다른 부분에 비하여 표면의 형상이 아주 치밀한 조직을 지녔음을 확인할 수 있었다. 이는 법랑질이 결정성이 높은 97%의 HA 광물로 이루어졌기 때문이다.
- 대조군인 하악골은 피크의 너비가 옆으로 많이 퍼져있는 상태를 보였으며 자가치아골이식재 상아질과 동종골이 유사한 양상을 보였다. 즉 악골의 무기질 결정구조는 저결정성임을 의미하며 자가치아골이식재 상아질과 동종골의 결정 구조가 자가골과 가장 유사한 양상을 보이는 것으로 추정되었다. Domain 크기를 측정한 결과에서도 자가치아골이식재 상아질과 동종골이 대조군인 자가골과 가장 유사한 양상을 보였다.
- 상아질은 파단면에서 직경이 약 1-2 ㎛로 긴 관상(tube type)의 기공들이 많이 발견되었는데, 이 기공들은 약 10 ㎛마다 주기적으로 배열되어 있음이 확인되었다. 파단면에서 기공과 기공 사이에는 XRD 관찰에서 얻어진 결과와 같이 결정성이 낮은 HA가 주광물이고 다른 calcium phosphate 계열의 광물질들과 콜라겐 같은 유기물들이 혼재하고 있는 것으로 사료되었다. 백악질 부분도 저결정상의 광물과 콜라겐 유기물이 유무기복합체로 이루어져 있는 것으로 확인되었다11.
- 의 연구에서 고온처리한 치아회분말의 주성분이 HA와 β-TCP로 구성되어 있음이 보고된 바 있다. 한편 자가치아골이식재는 4가지 단계의 calcium phosphate가 모두 함유되어 있고 XRD pattern은 치관과 치근 부위에서 다른 양상을 보이는 것으로 확인되었다. 즉 상아질과 백악질로 주로 구성된 치근 부위는 저결정성이며, 법랑질 성분이 많은 치관 부위는 고결정성임을 의미하였다3,4.
후속연구
- 치아의 대부분을 차지하는 상아질과 백악질부분을 골이식재로 사용할 경우 골조직의 주요 광물인 저결정성 아파타이트이기 때문에 이식 후 우수한 골전도에 의한 골치유 및 골개조를 보일 것으로 예상된다. 본 연구의 한계는 XRD pattern의 피크를 캘리퍼로 측정하는 과정에서 많은 오차가 있을 수 있으며, data의 질이 좋지 않아 noise가 많고 noise에 의하여 peak가 넓게 보여져서 입자의 크기가 작게 측정되었을 가능성이 있다는 점이다. 따라서 정량적인 분석을 정확히 할 수 없었던 한계점이 있지만 아직까지 정교하게 domain size를 측정할 수 있는 방법은 잘 알려져 있지 않다.
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