이재훈 연세치대 보철과학교실 교수
임플란트의 생물학적 노화, 그리고 극복방법(하)

약 력
·2009-2010 미국 UCLA 방문 교수
·2008-현재 연세대학교 치과대학 보철과학교실 조교수 
·2000-2003 미국 Columbia 대학교 보철과 레지던트
·1999-2000 미국 Montefiore 병원 일반 치과 레지던트(GPR)

<2085호에 이어 계속>

티타늄의 생물학적 노화를 나타내는 in vivo 증거

● 골-임플란트 유착의 생체역학적 강도

뼈에 식립된 티타늄 임플란트의 생역학적 안정과 유지는 하중 지지와 고정 매개체로써 역할의 성공여부를 예측하는데 가장 중요한 요인이다. 티타늄 표면의 골유착 정도를 검사하려는 목적으로 쥐 모델에서 산부식처리 후 3일, 2주, 4주 동안 보관된 임플란트를 새로운 임플란트와 비교해 보았다. 식립 후 2주 경과했을때 push-in 수치로부터 계산된 새로운 임플란트의 골유착 강도가 37N이었던 반면 3일, 2주, 4주 동안 보관된 임플란트는 각각 36N, 24N, 16N으로 티타늄의 시간 의존적 성질을 통계적으로 유의할만한 수준에서 보여주었다. 4주된 임플란트의 골유착 정도가 새로운 임플란트의 반 이하로 나타난 점은 주목할만하다.
위에서 언급한 결과들은 티타늄의 나이가 골유착 형성 속도뿐만 아니라 골유착 정도에도 부정적인 영향을 미친다는 사실을 보여준다. 샌드블라스팅된 새로운 임플란트와 4주된 임플란트를 비교한 결과에서도 노화정도에 상응하여 감소하는 push-in 수치가 관찰되었는데 이는 티타늄의 생물학적 노화가 다른 종류의 티타늄 표면에서도 일어나고 있음을 보여준다.

● 임플란트 주변 골 형성

임플란트 주변 골 형성의 형태학적 분석을 위해 쥐의 대퇴골 모델에서 산부식처리된 임플란트 단면의 조직학적인 분석이 이루어졌다. 시술 후 2주 경과했을때, 식립된 임플란트 주변에 많은 양의 골형성이 광범위하고 지속적이었다. 반면에 4주된 임플란트 주변에서는 활발한 골형성이 이루어지지 않았고 골조직도 제한된 영역에서 비연속적으로 분포하고 있었다. 주목할만한 점은 새로운 표면에서의 골-임플란트 접촉률이 90% 이상이었던 반면 4주된 표면에서는 60% 이하로 나타났다는 점이다.
시간 변화에 따른 티타늄 표면의 특성
X-선 광전자 현미경을 이용한 표면의 정교한 화학적 분석은 티타늄 표면에서 탄소의 비율이 시간이 지남에 따라 증가함을 보여주었다. 산부식처리 직후의 표면에서는 탄소의 비율이 14%로 나타났지만 공기 중에 보관된 4주된 표면에서는 63%로 증가하였다. 표면의 탄소가 증가한 이유는 공기 중의 탄소가 탄화수소의 형태로 불가피하게 티타늄 표면에 부착하였기 때문이다. 더 중요한 것은 단백질과 골원성세포를 유인하는 티타늄 표면의 생물학적 기능과 표면의 탄소 비율이 반비례 관계를 보인다는 점이다. 이는 표면의 탄소 비율이 티타늄의 생물학적 기능을 결정하는데 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다.
시간에 따라 변하는 티타늄 표면의 또 다른 특성은 친수성의 소멸이다. 최근의 연구들은 가공된 직후의 티타늄 표면은 표면처리법에 상관없이 모두 물과의 접촉 각도가 0도 혹은 5도 이하를 나타낸다는 결과를 발표했다. 이러한 표면은 초친수성 표면이라고 칭한다. 초친수 성질은 2주 동안 서서히 약화되며 40도 이상의 접촉 각도를 나타나게 된다. 산부식처리 후 4주된 표면의 접촉 각도는 60도 이상이다. 노화된 정도가 다른 티타늄 표면에 물방울을 떨어뜨렸을 때의 이미지는 다음과 같다(그림 2).

● 과학적 의미

티타늄 표면의 연령은 표준화된 적이 없을 뿐만 아니라 임플란트 연구 분야에서 소개된 적이 없는 것으로 알려져 있다. 이 연구에서 소개된 티타늄의 시간경과에 따른 생물학적 활성의 변화는 다양한 방법으로 측정한 결과 최초 생성된 표면에 비해 2~5배의 차이를 보였다. 이 발견은 임플란트와 다른 티타늄 함유 생체재료에 대한 연구를 진행하는데 새롭고 중요한 방향을 제시할 수 있을 것으로 예상한다.
향후 연구를 진행하는데 있어 서로 다른 표면의 생물학적 기능과 골전도성을 비교할 때는 샘플 연령의 표준화에 따른 연구 결과의 해석에 주의를 기울여야 할 것이다.

● 임상적 의미

티타늄 임플란트 제품은 생물학적으로 안정적이며 불변적인 임상적 기능을 발휘한다고 알려져 왔다. 하지만 5년 정도의 살균만료 기간을 제외하고는 제품의 제조, 유통, 보관에 있어서는 그 어떠한 규정 또는 유효 기간도 정해져 있지 않다. 또한 현재의 순환 구조에 비추어 볼 때 제조일로부터 4주 후에 이용자에게 전달되는 것은 거의 불가능하다.
따라서 이러한 제품들은 확인할 수 없을 정도로 심하게 노화되어 생물학적 기능이 현저하게 떨어져 있다고 볼 수 있다.

● 결론

이 연구는 시간에 따라 저하되는 티타늄의 생물학적 활성에 대해서 소개하고 있으며 이 현상은 티타늄의 생물학적 노화로 정의했다. 동물 모델의 초기 회복 기간을 살펴본 결과 새로운 티타늄 표면에 비해 노화된 티타늄 표면의 골유착률이 50% 이하 감소한 것으로 나타났다. 또한 골-임플란트 접촉률의 경우 새로운 티타늄 표면은 90% 이상을 나타내는 반면 노화된 티타늄 표면은 60% 로 감소한 것을 볼 수 있었다. 이와 같은 저하현상은 노화된 티타늄 표면의 단백질 및 골세포 유인 기능의 감소와 밀접하게 관련되어 있다. 이 연구에서 소개한 발견의 과학적 및 임상적 의미는 골유착의 생물학적 과정의 이해를 돕고 임플란트 치료의 새로운 방향을 제시할 수 있을 것으로 생각된다.

티타늄의 생물학적 노화를 극복하는 방법

시간에 따라 저하되는 티타늄의 생물학적 활성을 극복하는 방법으로 자외선조사(uv)를 통한 광조사기능화(Photofunctionalization)로 명명된 연구 논문들이 소개되고 있다. 먼저 자외선 조사를 통한 임플란트 표면에서 일어나는 가장 큰 변화는 소수성의 티타늄 표면이 광유도에 의해 양친매성을 갖게 된다는 것이다. 이러한 특징은 이산화티타늄의 광촉매작용에 의한 표면 구조의 친수성화로 설명될 수 있다.
즉, 자외선 처리를 하면 전자의 전이가 발생되고 이산화티타늄의 Ti4+이 Ti3+로 대체되면서 산소빈자리(정공)가 생성되고 그 결과 O2-이온의 전도성에 의한 물의 해리성 흡착이 일어나면서 표면이 친수성을 갖게 되는 것이다. 이와 같이 친수성을 보이는 임플란트 표면은 표면에너지가 크기 때문에 임플란트-단백질-세포의 상호작용에 있어 높은 생체친화성을 나타내는 중요한 역할을 하는 것으로 생각된다. 뿐만 아니라 자외선 조사로 인해 임플란트 표면의 탄화수소와 같은 여러 유기불순물들이 제거됨에 따라 조골세포의 부착, 확산, 증식 및 분화를 촉진시키며, 알부민 또는 피브로넥틴과 같은 단백질의 흡착정도가 향상되는 결과를 여러 연구를 통해 보여 주었다.
일련의 연구 결과를 통해 밝혀진 많은 장점들에 착안하여 필자는 자외선을 조사한 SA표면 임플란트를 성견에 식립하여 기계적 및 조직계측학적으로 골유착 정도를 측정하여 기능적으로 크게 향상된 골유착을 확인 하였다.
또한 티타늄 표면에 플라즈마 에너지를 주었을때 얻을 수 있는 여러 장점들에 착안하여 현재 UV연구와 병행하여 플라즈마 연구를 수행하고 있으며 좋은 연구결과를 기대하고 있다.