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문제 정의
- 따라서 본 실험에서는 아직 개발단계에 있는 국내산 지르코니아 임플란트를, 상용되고 있는 타이타늄 임플란트와 골유착의 측면에서 비교하기 위해 6마리 돼지의 하지경골에 임플란트를 식립하고 1 주, 4 주, 12 주에 돼지를 희생시켜 조직형태 계측분석을 통해 얻은 결과를 보고하고자 한다.
가설 설정
- Light micrographs taken 12 weeks after insertion. A: Group T, Bone formation with high bone contact adjacent to titanium implants was seen. B: Group Z, A fibrous capsule was present in the interface.
제안 방법
- 0 mm 높이의 치유지대주를 체결하고 근육과 피부를 통상의 방법대로 층상봉합하여 술부를 관리, 유지해주었다. 1주, 4주, 12주후에 각각 2마리씩 전기 충격을 이용하여 희생시켜 임플란트와 주변 골조직을 포함하는 경골블록을 채집하여 즉시 포르말린에 보관하여 고정시켰다.
- 이후 갈색 유리병에 넣어서 3시간 이상 수세시켰다. 80-100% 알코올에서 6시간탈수시킨후, methyl metacrylate (Technovit 7200 VLC, Kulzer, Wehrheim, Germany)와100% 알코올 비율이 1:3 인 용액에 2일간 진공 하에 포매하여 알코올 농도를 계속 내리면서 5일간 과정을 반복하였다. 그후100% Technovit 7200 VLC 용액으로 몰딩한 후 Exact machine (MG-4200)으로 포매하였다.
- Azaperone (Stresnil, Janssen-Cilag, Vienna, Austria) 5 mg/kg과 tiletamine -zolazepam (Zoletil, Virbac, Carros, France) 5 mg/kg을 근육 주사하여 전신마취 유도하였다. 기관내삽관을 시행하고 1.
- T 군은 대조군으로서 상용 타이타늄 나사형 임플란트인 외부연결형태의 IMPLANT M(Shinhung Co., Ltd, Seoul, Korea)을 선택하였고, Z 군은 지르코니아 나사형 임플란트로 상용 3YTZP 블록(Acucera, Inc., Pocheon, Korea)을 기계절삭하였다. ZS 군은 동일하게 제작된 지르코니아 임플란트를 50 ㎛ 알루미나 입자로5 bar의 압력으로 샌드블라스팅 표면처리하였다.
- , Pocheon, Korea)을 기계절삭하였다. ZS 군은 동일하게 제작된 지르코니아 임플란트를 50 ㎛ 알루미나 입자로5 bar의 압력으로 샌드블라스팅 표면처리하였다. 가공시에 발생한 응력의 제거와 정방정계에서 단사정계로의 상변화를 다시 전환시키기 위해 1,200℃에서 2시간 동안 열처리 과정을 거친 후 에틸 알코올과 증류수의 순서로 각각 10분간 초음파 세척을 시행하고, 121℃의 고압증기멸균기에서 20분간 소독하여 밀봉 건조 용기에 보관하였다.
- 제작된 조직시편에서 광학현미경을 이용하여 가장 골유착이 잘 형성된 연속된 3개의 나사선 부위의 임플란트와 결합되어 있는 골의 길이를 Kappa image analyser (KAPPA opto-electronic GmbH Kleines Feld 6, D-37130 Gleichen, Germany)로 측정하고 골 임플란트 접촉율(BIC, bone to implant contact)을 계산하여 백분율로 표시하였다. 동일한 임플란트 나사산 내에서 일정한 면적 내에서 실제 골 조직이 차지하는 골의 면적을 Kappa image analyser로 측정하고 골면적율(BA, bone area)을 계산하여 백분율로 표시하였다.
- 비접촉식표면형상측정기인 SurfTest SJ-400 (Mitutoyo, Kawasaki, Japan)으로 중심선평균거칠기(Ra)값을 측정하였으며 각 군당 5개의 임플란트를 1개의 임플란트당 3부위에서 측정하였다.
- 실험동물을 측와위로 눕히고, 수술부위인 좌, 우측 하지 경골 부위의 털을 모두 깎고 베타딘 용액으로 소독하였다. 수술 부위는 에피네프린(1:100,000)이 포함된 2% 염산 리도케인 (Lignospan standard, Septodont, Creteil, France)으로 국소마취를 추가로 시행한 후 피부를 절개하고, 근육과 신경의 손상이 없도록 근막을 박리하였다. 시야가 확보될 수 있도록 근육을 견인하고 경골의 근심부에 2부위, 원심부에 1부위, 총3부위의 식립 위치를 선정하고, 시계방향으로 회전하면서 각 군의 식립 위치를 변화시켜 무작위 배치하였다.
- 수술 부위는 에피네프린(1:100,000)이 포함된 2% 염산 리도케인 (Lignospan standard, Septodont, Creteil, France)으로 국소마취를 추가로 시행한 후 피부를 절개하고, 근육과 신경의 손상이 없도록 근막을 박리하였다. 시야가 확보될 수 있도록 근육을 견인하고 경골의 근심부에 2부위, 원심부에 1부위, 총3부위의 식립 위치를 선정하고, 시계방향으로 회전하면서 각 군의 식립 위치를 변화시켜 무작위 배치하였다.
- 채집된 블록을 광학 현미경용 조직 시편을 제작하는 과정과 동일하게 레진 포매 과정까지 진행한 후, 임플란트 정중부에서절단하였다. 시편 크기로 트리밍하고 임계점 건조기(Critical point dryer SCP-II, Hitachi, Tokyo, Japan)에서 건조시킨 후, ion coater를사용하여20 nm 두께로 백금 도금하여 주사 전자 현미경 (JSM-840 A, JEOL, Tokyo, Japan)으로 임플란트 표면을 관찰하였다.
- 식립시에는 생리식염수 주수를 유지하면서 2,000 rpm을 넘지 않는 속도로 골 정중앙에 점진적인 골 삭제를 시행하였다. 제조사의 지시대로, T 군은point drill, 2.
- 식립직후와 희생시 각 방향에서 5 회 반복측정 후 가장 높은 측정값과 가장 낮은 측정값을 제외한 3개의 평균값을 측정값으로 산정하였고, Periotest(Siemens AG, Bensheim, Germany)의 손잡이는 치유 지대주 또는 지르코니아 임플란트의 플랫폼 상부에 수직으로, 4 mm 이상 떨어지지 않도록 하여 측정하였다.
- 실험동물을 측와위로 눕히고, 수술부위인 좌, 우측 하지 경골 부위의 털을 모두 깎고 베타딘 용액으로 소독하였다. 수술 부위는 에피네프린(1:100,000)이 포함된 2% 염산 리도케인 (Lignospan standard, Septodont, Creteil, France)으로 국소마취를 추가로 시행한 후 피부를 절개하고, 근육과 신경의 손상이 없도록 근막을 박리하였다.
- 제작된 조직시편에서 광학현미경을 이용하여 가장 골유착이 잘 형성된 연속된 3개의 나사선 부위의 임플란트와 결합되어 있는 골의 길이를 Kappa image analyser (KAPPA opto-electronic GmbH Kleines Feld 6, D-37130 Gleichen, Germany)로 측정하고 골 임플란트 접촉율(BIC, bone to implant contact)을 계산하여 백분율로 표시하였다. 동일한 임플란트 나사산 내에서 일정한 면적 내에서 실제 골 조직이 차지하는 골의 면적을 Kappa image analyser로 측정하고 골면적율(BA, bone area)을 계산하여 백분율로 표시하였다.
- 식립시에는 생리식염수 주수를 유지하면서 2,000 rpm을 넘지 않는 속도로 골 정중앙에 점진적인 골 삭제를 시행하였다. 제조사의 지시대로, T 군은point drill, 2.0 mm twist drill, 3.0 mm twist drill, 3.45 mm twist drill, 3.8 mm twist drill의 순서로, Z 군과ZS 군은 동일한 골삭제 후 tapping의 과정을 더하여 30 rpm으로 속도로 식립하였다. T 군은 Z 군의 플랫폼 상부높이와 동일한 3.
- 조직 블록은 약 1주일간 4% 완충 포르말린에서 고정시키고 관찰하고자 하는 부위를 중심으로 다이아몬드 톱(Exact Apparatebeau, Norderstedt, Germany)으로 절단하였다.
- 채집된 블록을 광학 현미경용 조직 시편을 제작하는 과정과 동일하게 레진 포매 과정까지 진행한 후, 임플란트 정중부에서절단하였다. 시편 크기로 트리밍하고 임계점 건조기(Critical point dryer SCP-II, Hitachi, Tokyo, Japan)에서 건조시킨 후, ion coater를사용하여20 nm 두께로 백금 도금하여 주사 전자 현미경 (JSM-840 A, JEOL, Tokyo, Japan)으로 임플란트 표면을 관찰하였다.
- 그후100% Technovit 7200 VLC 용액으로 몰딩한 후 Exact machine (MG-4200)으로 포매하였다. 포매된 블럭을 트리밍한 다음, 슬라이드를 제외한 시편조직의 두께가 약 30-40 ㎛가 되도록 연마하여 시편을 만들고, H-E (hematoxylin and eosin) 염색하여 광학 현미경(Olympus BX, Olympus, Tokyo, Japan)으로 관찰하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 임플란트의 유형은 Table 1과 같고 모든 임플란트를 직경4.0 mm, 길이8.0 mm로 표준화 하였다. 본실험에 사용된 타이타늄 임플란트와 지르코니아 임플란트의 모식도와 실제모습은 Fig.
- 본 연구에서는 몸무게 55-60 kg의 3-4개월 된3 원교 잡종돼지 6마리를 사용하였으며 모든 과정은 단국대학교 동물윤리위원회에 의해 승인되었다(승인번호dku-10-037). 돼지들은 수술1주일 전 실험실 옆의 사육실에 격리하여 실험실 환경에 적응시켰고, 술전 24시간 동안 절식시켰고, 물은 자유급수하였다.
- 0 mm로 표준화 하였다. 본실험에 사용된 타이타늄 임플란트와 지르코니아 임플란트의 모식도와 실제모습은 Fig. 1에나타내었다.
데이터처리
- 표면 거칠기 값(Ra) 및 PTVs와 조직계측학적 측정 결과를 SPSS� Version 12.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 이용하여 ANOVA를 시행하여 군간의 유의차를 알아보고 Scheffe test를 이용하여 사후 검증하였다(α=.05).
성능/효과
- 1. 각 군 임플란트의 평균 표면 거칠기(Ra)를 측정한 결과 T 군(0.70 ±0.03 ㎛)이 Z 군(0.26 ±0.01 ㎛)과 ZS 군(0.29 ±0.03㎛)에 비해 높은 값을 보였으며 이는 통계적으로 유의하였다(P<.05).
- 2. 임플란트 식립 직후, 1주, 4주, 12주에 측정한 PTVs는 T 군이 상대적으로 낮은 값을보였으나 군간, 주간 모두 통계적으로 유의하지는 않았다.
- 3. 식립 1주차 골접촉율 측정 결과 Z 군이 T 군, ZS 군에 비해 유의성 있게 높았고(P<.05), 골면적율은T 군, Z 군이 ZS 군에 비해 유의성 있게 높았다(P<.05).
- 4. 식립 4주차 골접촉율 측정에서 T 군이 Z 군, ZS 군에 비해 유의성 있게 높았고(P<.05), 골면적율은 군간 유의한 차가 없었다.
- 5. 식립 12주차 골접촉율은 T 군, ZS 군, Z군 순으로 낮아졌고 이는 통계적으로 유의하였다(P<.05).
- T 군, Z 군, ZS 군의 모든 시편에서 피질골 상부에서만 주로 골과 부착된 양상을 보이고 있었고 골-임플란트 경계면 주위로 염증세포와 조골세포를 관찰할 수 있었다. 골은 나사 홈 부위에서 절단되어 있었고, 출혈 현상으로 인한 혈액과 세포 성분들이 채워져 있었다.
- 골과 임플란트의 경계면에서 다수의 조골세포가 활성화되어 신생골로 채워지는 것이 확인되었으며 반전선이 뚜렷하게 관찰되었다. T 군과ZS 군에서는 식립 1주차에 비해골부착부위가 눈에 띄게 증가된 양상을 관찰할 수 있었으나, Z 군에서는 오히려 골-임플란트 접촉 사이에 간극이 증가된 양상이 관찰되었다(Fig. 3).
- 각 군의 표면거칠기값(Ra) 은 통계적으로 유의한 차이가 있었고(Table 2), 사후검증결과T 군이Z 군과ZS 군에 비해 유의하게 더 높은 값을 보였다.
- 골과 임플란트의 경계면에서 다수의 조골세포가 활성화되어 신생골로 채워지는 것이 확인되었으며 반전선이 뚜렷하게 관찰되었다. T 군과ZS 군에서는 식립 1주차에 비해골부착부위가 눈에 띄게 증가된 양상을 관찰할 수 있었으나, Z 군에서는 오히려 골-임플란트 접촉 사이에 간극이 증가된 양상이 관찰되었다(Fig.
- 이를 본 실험에서 선반 가공된 지르코니아 임플란트의 1주차 BIC 값이 가장 높았던 점과 연계하여 볼 때 식립 초기에는 지르코니아의 뛰어난 생체적합성으로 인해 골접촉율이 높게 나타나지만 제작과정 중 절삭유 잔존 등의 수세 과정의 부적합 또는 알루미나 샌드 파편의 잔존, 표면거칠기 부족 등으로 지르코니아의 BIC 값이 지속적으로 감소된 것으로 추측할 수 있었다.
- 이상의 결과로부터 지르코니아 임플란트는 상용 타이타늄 임플란트와 비교했을때 골유착이 충분하지 않으며 실제의 적용을 위해서는 표면 변형이 필요하다는 것을 알 수있다.
- 이상의 토끼 경골 연구에서 얻은 지르코니아 임플란트의 BIC 값은 본 실험에서 측정된 Z 군의 식립 4주차(27.8±11.1%) 및 12주차 결과(26.0 ±13.7%)와 유사하였다.
- 17,18 본 실험에서 타이타늄 임플란트와 지르코니아 임플란트의 BIC값에 큰 차이가 존재하는 것도 이러한 맥락에서 일부 설명될 수 있다. 즉, 본실험에 사용된 타이타늄 임플란트의 평균 표면 거칠기 값이 지르코니아 임플란트에 비해 2배 이상 크므로 BIC값에 많은 차이를 나타낸 것으로 보인다. 따라서 지르코니아 임플란트의 표면 거칠기를 증가시키는 것이 초기 세포 반응의 증진뿐만 아니라 지르코니아 임플란트의 장기간의 성공을 위해서도 필수적인 것으로 사료되었다.
- 22 그러므로 양성 단백질이 타이타늄 표면에 더 잘 부착한다. 즉, 표면 거칠기 뿐만 아니라 지르코니아와 타이타늄의 세포 수준의 골반응에도 차이가 있으므로 본 실험에서 식립 1주시에는 유의성이 없었던 T 군과 ZS 군의 BIC값이 12주에는 T 군이 유의성 있게 높은 값을 나타낸 결과는 타이타늄의 큰 표면 거칠기 값 뿐만 아니라 타이타늄의 재료적 특성에서도 그 원인을 찾을 수 있다고 사료되었다.
후속연구
- 본 실험의 결과에 타이타늄 임플란트와 지르코니아 임플란트의 형태와 표면 처리가 다른 점이 영향을 주었을 것으로 추측되지만 지르코니아 임플란트의 상용화를 위해서는 지르코니아 임플란트의 물성 개선과 표면 변형 방법의 개발은 필요할 것으로 생각되었다.
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