[논문]다공성 티타늄 임플란트의 담지물질 방출거동

김영훈; 김남중

doi:10.14347/kadt.2014.36.3.179

다공성 티타늄 임플란트의 담지물질 방출거동
Release behavior of embedding materials on the porous Ti implants 원문보기

대한치과기공학회지 = The Journal of Korean Academy of Dental Technology, v.36 no.3, 2014년, pp.179 - 184

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Purpose: This study was performed to investigate the release behavior of bioactive materials as a BMP-2 embedding on the porous titanium implant. Methods: Porous Ti implant samples were fabricated by sintering of spherical Ti powders in a high vacuum furnace. Specimens diameter and height were 4mm and 10mm. Embedding materials were used to stamp ink. Sectional images, porosity and release behavior of porous Ti implants were evaluated by scanning electron microscope(SEM), mercury porosimeter and UV-Vis-NIR spectrophotometer. Results: Internal pore structure was formed fully open pore. Average pore size and porosity were $8.993{\mu}m$ and 8.918%. Embedding materials were released continually and slowly. Conclusion: Porous Ti implant was fabricated successfully by sintering method. Particles are necking strongly each other and others portions were vacancy. Therefore bioactive materials will be able to embedding to porous Ti implants. If the development of the fusion implant of the bioactive material will be able to have the chance to several patients.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 골 결손부가 크고 골다공증이나 다른 질병을 앓고 있는 고령의 환자들은 그 대상에서 제외되곤 한다. 이러한 요구에 부응하여 본 연구에서는 실제 생리활성물질을 사용하지 못한 제한점이 있지만 임플란트 고정체를 다공성으로 제조하고 그 다공질 내부에는 BMP-2와 같은 생리활성물질의 담지가능성 그리고 서방형으로 방출 가능한지의 여부에 대해 조사하였다.
뿐만 아니라 임플란트에 생리활성물질 외에 항생제 등의 약제를 동반하여 담지할 수 있다면 임플란트 시술 초기의 치료와 골 융합을 병행하여 치유기간을 더욱 단축시킬 수 있을 것이다. 이에 본 연구에서는 임플란트 내부에 BMP-2와 같은 생리활성물질을 담지할 수 있도록 티타늄 임플란트의 내부가 모두 연결된 개기공(open pore)으로 형성한 다공성 티타늄 임플란트를 제조하고 그 내부에 육안으로 관찰이 가능한 잉크를 담지한 다음 잉크가 빠져나오는 색의 농도를 UV-Vis-NIR spectrophotometer 장비로 측정하여 누적된 방출거동을 조사하였고 차후 생리활성물질이 담지된 융합형 임플란트의 개발 가능성에 대해 예측해보고자 하였다.

제안 방법

2) 분말(TLS Technik, Germany)을 내경이 4㎜인 석영(quartz)관에 10㎜ 높이까지 채우고 고진공(10-7 torr) 전기로에서 5℃/min의 승온속도로 900℃까지 온도를 상승시켜 2시간 동안 유지시킨 다음 전기로 내에서 서냉하여 석영관에서 시편을 분리하고 다시 고진공 전기로에서 5℃/min의 승온속도로 1200℃까지 온도를 상승시켜 2시간 동안 유지한 뒤 서냉하는 2차 소결법에 의해 제작하였다. 다공성 티타늄 임플란트 담지체의 단면은 주사전자현미경(S-4700, HITACHI, Japan)으로 관찰하였고 평균 기공크기 및 기공률 등은 수은 주입에 의한 기공률 측정기(Auto PoerⅣ, Micromeritics, USA)를 사용하여 확인하였다.
잉크가 담지된 다공성 임플란트 시편은 24시간 상온에서 건조하여 30㎖의 PBS(Phosphate Buffer Solution)가 채워진 바이알 병에 침지하고 24시간 동안 37℃의 항온기에서 보관하였다. 매일 같은 시간에 새로운 PBS에 시편을 옮겨 담았으며 하루 동안 PBS에 방출된 잉크는 UV-Vis-NIR Spectrophotometer를 사용하여 측정하고 누적 그래프를 얻었다.

대상 데이터

다공성 티타늄 임플란트 담지체는 25~32㎛ 크기의 구형 티타늄 분말을 소결하여 지름 4㎜, 높이 10㎜의 원통형으로 제조하였으며, 인접한 티타늄 입자간에 단단한 neck을 형성하였다. 담지체의 표면과 내부에 형성된 기공의 크기는 평균 8.
방출 거동을 확인하기 위한 잉크로는 리필용 스탬프 잉크를 사용하였으며, 담지를 쉽게 하기위해서 에탄올과 1:1로 혼합하여 담지하였다. 순수한 잉크는 담지체 내부로 침투시키기가 어려웠으나(Fig.
본 연구에서 제조한 다공성 티타늄 임플란트 담지체 시편은 25~32㎛ 크기의 티타늄(Gr. 2) 분말을 사용하여 제작하였고 기공률은 8.918%였으며, 에탄올과 1:1로 희석한 잉크에 담지체를 1/3 가량 잠기도록 침지한 결과 자연적으로 다공체 내부로 빨려 올라가 상단까지 채워지면서 비교적 쉽게 담지되었다.
실험에 사용한 시편은 25~32㎛ 크기의 지름을 갖는 구형의 순수 티타늄(cp Ti, Gr.2) 분말(TLS Technik, Germany)을 내경이 4㎜인 석영(quartz)관에 10㎜ 높이까지 채우고 고진공(10-7 torr) 전기로에서 5℃/min의 승온속도로 900℃까지 온도를 상승시켜 2시간 동안 유지시킨 다음 전기로 내에서 서냉하여 석영관에서 시편을 분리하고 다시 고진공 전기로에서 5℃/min의 승온속도로 1200℃까지 온도를 상승시켜 2시간 동안 유지한 뒤 서냉하는 2차 소결법에 의해 제작하였다. 다공성 티타늄 임플란트 담지체의 단면은 주사전자현미경(S-4700, HITACHI, Japan)으로 관찰하였고 평균 기공크기 및 기공률 등은 수은 주입에 의한 기공률 측정기(Auto PoerⅣ, Micromeritics, USA)를 사용하여 확인하였다.

성능/효과

구형 분말입자들의 경계에서는 서로 소결이 일어나 단단한 neck을 형성하고 있었으며 나머지 부분에서는 기공을 이루며 연속적으로 연결되어 개기공(open pore)이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 다공성 티타늄 임플란트 담지체에 수은을 주입하여 기공율 및 평균 기공크기를 측정한 결과는 [Table 1]에 나타내었으며 평균 기공크기는 10㎛이하로 나타났다.
담지된 잉크는 초기에 많은 양이 방출되었으나 9일 이상 지속적으로 방출되었으며 약 30일 까지는 육안으로도 방출된 잉크의 색을 육안으로 구분할 수 있었다. 이것은 담지된 생리활성물질이 단시간에 빠져나가지 않고 계속해서 영향을 줄 수 있다는 것을 의미하며 단순히 표면에 코팅되어 하루 정도의 단 시간 동안 영향을 주고 체내로 흡수되는 거동에 비해 매우 유효하다고 사료되며 생체 기능성 융합소재로의 개발이 가능할 것으로 기대된다.
다공성 티타늄 임플란트 담지체는 25~32㎛ 크기의 구형 티타늄 분말을 소결하여 지름 4㎜, 높이 10㎜의 원통형으로 제조하였으며, 인접한 티타늄 입자간에 단단한 neck을 형성하였다. 담지체의 표면과 내부에 형성된 기공의 크기는 평균 8.993㎛였고 총 면적은 0.011g/㎡으로 겉 표면적에 비해 39배로 나타났다.
방출 거동을 확인하기 위한 잉크로는 리필용 스탬프 잉크를 사용하였으며, 담지를 쉽게 하기위해서 에탄올과 1:1로 혼합하여 담지하였다. 순수한 잉크는 담지체 내부로 침투시키기가 어려웠으나(Fig. 1⒜) 에탄올에 희석한 잉크는 모세관현상에 의하여 스스로 잉크가 채워지는 것을 확인할 수 있었으며(Fig. 1⒝), 손쉽게 담지가 가능하였다.

후속연구

따라서 임플란트의 내부를 다공성으로 형성하고 빈 공간에 생리활성물질을 담지 및 서방형 방출을 유도할 수 있다면 표면 코팅법에서 보다 더 지속적이며 좋은 효과를 얻을 수 있으리라 사료된다. 담지된 물질이 빠르게 방출되지 않고 서서히 방출되면서 역할을 수행할 수 있는 생리활성 융합소재의 임플란트가 개발된다면 골질이 좋지 않은 특이성 환자들도 임플란트 시술의 기회를 가질 수 있을 것으로 기대된다.
그러나 코팅된 생체활성물질은 체내에 식립되면서 박리현상이 일어나고 생체내에서 빠른 흡수가 이루어져 기대하는 큰 효과를 보지 못하였으며 (Zhao et al, 2006) 골형성 단백질은 적절한 양의 담지 및 방출량 조절이 어려워 재현성이 떨어지는 결과를 얻고 있다. 따라서 골형성 단백질과 같은 생리활성물질을 임플란트체 내부에 담지하여 서서히 방출되도록 조절할 수 있다면 임플란트의 성공률을 높이고 고령인 환자 또는 골다공증 환자와 같이 골질이 좋지 못하거나 특이성 환자들에게도 임플란트의 수요가 증가할 것이다. 뿐만 아니라 임플란트에 생리활성물질 외에 항생제 등의 약제를 동반하여 담지할 수 있다면 임플란트 시술 초기의 치료와 골 융합을 병행하여 치유기간을 더욱 단축시킬 수 있을 것이다.
생리활성물질 등이 탑재 되었다 하더라도 짧은 시간에 전부 방출되면 지속적인 효과를 보기 어려울 것이다. 따라서 임플란트의 내부를 다공성으로 형성하고 빈 공간에 생리활성물질을 담지 및 서방형 방출을 유도할 수 있다면 표면 코팅법에서 보다 더 지속적이며 좋은 효과를 얻을 수 있으리라 사료된다. 담지된 물질이 빠르게 방출되지 않고 서서히 방출되면서 역할을 수행할 수 있는 생리활성 융합소재의 임플란트가 개발된다면 골질이 좋지 않은 특이성 환자들도 임플란트 시술의 기회를 가질 수 있을 것으로 기대된다.
다공성 티타늄 임플란트는 기공의 크기에 따라 그리고 기공률에 따라 강도와 탄성계수를 조절할 수 있다는 장점이 있으며 표면기공 크기에 따라 골모세포가 흡착하기 좋은 거친 면을 형성하고 분화장소를 제공하기도 하며 50㎛ 이상의 기공이 형성되면 내부로 신생골이 자라 들어가 강력한 골 결합을 얻을 수도 있다. 또한 10㎛ 이하의 기공들이 모두 연결된 개기공으로 형성시키게 되면 기공의 크기가 작아 골모세포의 분화장소를 제공하지는 못하지만 거친표면에 의해 흡착을 유리하게 하며 그 내부에 생리활성물질 내지는 항생제 등을 탑재하여 서서히 방출시키는 생체기능성 융합형 임플란트로도 사용할 수 있을 것이다. 생리활성물질 등이 탑재 되었다 하더라도 짧은 시간에 전부 방출되면 지속적인 효과를 보기 어려울 것이다.
본 연구에서 생리활성물질 대신 잉크를 사용한 이유는 rhBMP-2 등의 생리활성물질들은 대부분 무색 투명(Kim, 2013)하고 육안으로는 그 양상을 관찰하기 어려우며 고가의 비용부담 때문에 실제 생리활성물질의 방출거동을 예측하기 위한 예비실험이 필요하였다.
따라서 골형성 단백질과 같은 생리활성물질을 임플란트체 내부에 담지하여 서서히 방출되도록 조절할 수 있다면 임플란트의 성공률을 높이고 고령인 환자 또는 골다공증 환자와 같이 골질이 좋지 못하거나 특이성 환자들에게도 임플란트의 수요가 증가할 것이다. 뿐만 아니라 임플란트에 생리활성물질 외에 항생제 등의 약제를 동반하여 담지할 수 있다면 임플란트 시술 초기의 치료와 골 융합을 병행하여 치유기간을 더욱 단축시킬 수 있을 것이다. 이에 본 연구에서는 임플란트 내부에 BMP-2와 같은 생리활성물질을 담지할 수 있도록 티타늄 임플란트의 내부가 모두 연결된 개기공(open pore)으로 형성한 다공성 티타늄 임플란트를 제조하고 그 내부에 육안으로 관찰이 가능한 잉크를 담지한 다음 잉크가 빠져나오는 색의 농도를 UV-Vis-NIR spectrophotometer 장비로 측정하여 누적된 방출거동을 조사하였고 차후 생리활성물질이 담지된 융합형 임플란트의 개발 가능성에 대해 예측해보고자 하였다.
담지된 잉크는 초기에 많은 양이 방출되었으나 9일 이상 지속적으로 방출되었으며 약 30일 까지는 육안으로도 방출된 잉크의 색을 육안으로 구분할 수 있었다. 이것은 담지된 생리활성물질이 단시간에 빠져나가지 않고 계속해서 영향을 줄 수 있다는 것을 의미하며 단순히 표면에 코팅되어 하루 정도의 단 시간 동안 영향을 주고 체내로 흡수되는 거동에 비해 매우 유효하다고 사료되며 생체 기능성 융합소재로의 개발이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 생리활성물질 대신 잉크를 실험에 사용한 이유는 무엇인가?	본 연구에서 생리활성물질 대신 잉크를 사용한 이유는 rhBMP-2 등의 생리활성물질들은 대부분 무색 투명(Kim, 2013)하고 육안으로는 그 양상을 관찰하기 어려우며 고가의 비용부담 때문에 실제 생리활성물질의 방출거동을 예측하기 위한 예비실험이 필요하였다.
	다공성 티타늄 임플란트의 장점은 무엇인가?	다공성 티타늄 임플란트는 기공의 크기에 따라 그리고 기공률에 따라 강도와 탄성계수를 조절할 수 있다는 장점이 있으며 표면기공 크기에 따라 골모세포가 흡착하기 좋은 거친 면을 형성하고 분화장소를 제공하기도 하며 50㎛ 이상의 기공이 형성되면 내부로 신생골이 자라 들어가 강력한 골 결합을 얻을 수도 있다. 또한 10㎛ 이하의 기공들이 모두 연결된 개기공으로 형성시키게 되면 기공의 크기가 작아 골모세포의 분화장소를 제공하지는 못하지만 거친표면에 의해 흡착을 유리하게 하며 그 내부에 생리활성물질 내지는 항생제 등을 탑재하여 서서히 방출시키는 생체기능성 융합형 임플란트로도 사용할 수 있을 것이다. 생리활성물질 등이 탑재 되었다 하더라도 짧은 시간에 전부 방출되면 지속적인 효과를 보기 어려울 것이다.
	임플란트 표면에 골형성 단백질을 적용하고자 하는 연구는 어떤 문제에 봉착하였는가?	최근에는 임플란트 표면에 BMP-2와 같이 효과 빠른 골형성 단백질(Bone Morphogenetic Protein)을 적용하고자 연구하고 있다(Kim et al, 2008). 그러나 코팅된 생체활성물질은 체내에 식립되면서 박리현상이 일어나고 생체내에서 빠른 흡수가 이루어져 기대하는 큰 효과를 보지 못하였으며 (Zhao et al, 2006) 골형성 단백질은 적절한 양의 담지 및 방출량 조절이 어려워 재현성이 떨어지는 결과를 얻고 있다. 따라서 골형성 단백질과 같은 생리활성물질을 임플란트체 내부에 담지하여 서서히 방출되도록 조절할 수 있다면 임플란트의 성공률을 높이고 고령인 환자 또는 골다공증 환자와 같이 골질이 좋지 못하거나 특이성 환자들에게도 임플란트의 수요가 증가할 것이다.

참고문헌 (7)

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Zhao YT, Zhang Z, Dai QX, Lin DY, Li SM. Microstructure and bond strength of HA(+ ZrO2+Y2O3)/Ti6Al4V composite coatings fabricated by RF magnetron sputtering. Surface & Coating Technology, 200(18-19), 5354-5363, 2006.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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