심한 치조골 소실은 이상적인 임플란트 식립을 어렵게 한다. 잘못된 위치의 임플란트 는 최종 임플란트 수복물의 출현 윤곽에 영향을 미치고 심미적인 문제를 일으킬 수 있으 며 장기간의 성공률에 부정적 영향을 미칠 수 있다. 이를 해결하기 위해 골유도재생술이 가장 널리 이용되고 있으며 여러 문헌들에서 높은 성공률을 보고하고 있다[14,15]. 골유 도재생술을 위한 다양한 외과적 수술방법 중 입자형 골이식재와 흡수성 차폐막의 적용이 널리 사용되고 있으며 예지성 있는 결과를 보여주고 있다.
골이식재는 3차원적인 뼈대 역할을 통해 골 결손부위에서 공간유지를 하고 골형성을 촉진하는 골전도기능을 한다. 골이식재 중 입자형은 수술 중 혹은 수술 이후 치유기간 동안 이식된 형태를 유지하지 못하고 흩어지는 임상적 한계가 존재한다. Mir Mari 등 의 연구에서는 입자형 골이식재의 약 40%가 봉합 시 흩어지거나 전위되어 골유도재생 술과 동시에 식립된 임플란트 주위에 열개 가능성이 증가한다고 보고하였다[16]. 이식 된 부위의 공간 유지 및 안정성은 성공적인 GBR의 주요 요인 중 하나이기 때문에 골 이식재의 흩어짐 또는 골 이식재의 전위는 수술 부위의 골 재생을 방해한다[1,17].
이 연구에서는 이식재의 공간유지 및 안정성 확보를 위해 3D printer를 사용하여 만 든 PCL/β-TCP 3D scaffold 와 입자형 골이식재에 콜라겐 섬유를 첨가하여 만든 블록 형태의 골이식재를 사용하였다. PCL/β-TCP 3D scaffold는 골결손부에 맞게 3D printer로 제작될 수 있으며, 소수성인 PCL의 느린 흡수율 때문에 재혈관화, 골형성 세 포의 분화 및 확산 등이 일어나는 동안 공간유지가 가능하다. 또한 면역학적 부작용도 관찰되지 않는다[6-10]. 입자형 골이식재에 collagen 첨가는 임상적으로 이식재의 취급 을 용이하게 하며, 수술 시 골이식재를 골 결손부의 형태에 맞게 적용하여 고정 할 수 있어 공간유지와 안정화에 효과적이다. 어떤 결손의 형태에도 일관성 있게 적용이 가 능하며 면역학적 부작용도 관찰되지 않았다[3,18]. 최근에는 동종골, 이종골과 같은 생 물학적 이식편은 다른 사람 혹은 동물의 신체에서 채취되기 때문에 공급에 제한이 있 을 수 있어서 생체 재료를 사용하여 만든 합성 생체 적합 물질의 필요성이 대두되었 다. 현재 생체 재료를 이용하여 만든 3D scaffold 골이식재 대체물의 신생골 형성에 대 한 다양한 연구가 이루어지고 있다[11-13].
이 연구에서는 poly ε-caprolactone (PCL)과 β-tricalcium phosphate (β-TCP)을 이 용하여 제작한 3D scaffold의 신생골 형성 효과를 방사선학적 분석과 조직학적 분석을 통해 콜라겐을 첨가한 이종골 스케폴드(SB scaffold) 및 합성골 스케폴드(DBBM
scaffold)와 그 결과를 비교하고자 하였다.
수술 후 2주와 6주에서 대조군 및 실험군Ⅲ인 PCL/β-TCP scaffold에서는 결손부의 가장자리에서 신생골의 양이 방사선학적. 조직학적으로 관찰되었다. 실험군Ⅱ와 Ⅲ은 가장자리 및 결손부 중심부에서 신생골의 양이 관찰되었다. 2주와 6주에서 모두 실험 군Ⅰ인 SB scaffold의 평균 신생골 형성이 다른 두 실험군에 비해 높게 관찰되었다. 2 주 및 6주 군 모두 실험군Ⅲ인 PCL/β-TCP scaffold에서 평균 신생골 양이 가장 낮게 나타났다. 또한 2주, 6주군에서 PCL/β-TCP scaffold의 신생골 양이 대조군보다 평균 신생골 형성이 더 낮게 관찰되었다. 이 차이는 결손부 형성 시 가장자리에 남은 골편, 그리고 수술 후 상부의 불완전한 골막 봉합, 하방의 경막의 불완전한 차단 및 손상 때 문이라고 생각된다. 이식재 및 3D scaffold 적용 후 골막 손상 및 결손부 상방의 과도 한 이식재에 의해 골막 봉합시 대조군 및 실험군Ⅰ혹은 Ⅱ 부분의 상방은 피개 되었지 만 PCL/β-TCP scaffold는 부분적으로 피개 되었다. 이로 인해 연조직의 성장이 실험 군 Ⅲ 부위로 진행된 것으로 보이며 대조군의 골형성을 촉진시킨 것으로 생각된다. 또 한 3D-scaffold의 구조 및 표면처리의 조건 또한 영향을 미치는 것으로 보인다.
골이식재의 대체물로 다공성의 scaffold의 성공 여부는 생체 재료의 구조에 달려있다.
Scaffold 기공의 크기, 다공성, 기공의 모양, 섬유의 방향, 상호연결성, 표면의 특성 및 기계적인 특성, 생체적합성 및 분해성이 이에 해당한다. 이런 구조 변화는 cell seeding 의 효율성, 세포반응, 혈관신생, 골 형성 등에 영향을 미친다[19-21]. 골 이식재의 대체 물인 3D-scaffold의 구조적 변수와 표면 특성의 변화가 골형성 과정에 어떤 영향을 미 치는지에 대해 많은 연구가 수행되었다. 세포성장 및 영양소의 흐름을 위한 상호 연결 된 다공성의 구조를 가지고 조직 교체에 맞춰 분해 및 흡수율을 조절할 수 있는 생체 적합성 및 흡수성이 있으며 세포 부착, 증식, 분화에 적합한 표면의 화학적 특성, 이식 부위의 조직과 일치하는 기계적 특성을 가진 것이 이상적인 scaffold 라고 Thomson 등이 제안했다[22]. 작은 입자 크기와 큰 기공의 구성은 더 큰 표면적을 형성하여 더 빠른 생체 흡수와 향상된 골형성을 보여준다. 200-500μm의 기공 크기를 가진 다공성 구조의 scaffold는 혈관 및 골형성 세포의 내부 성장 환경을 제공할 수 있다. 또한 조 골세포의 성장과 분화에 적합한 환경을 제공한다. 작은 기공을 가진 다공성의 구조는 높은 cell seeding 효율성을 보이지만, 산소 및 영양소의 공급이 부족하여 골재생 능력 은 부족하다[23-25]. 높은 표면 거칠기를 가진 구조는 향상된 조골세포의 접착 및 기 능, 증가된 세포외기질 단백질이 관찰된다고 보고되었다. 또한 scaffold 와 이식 부위와
골전도성이 더 향상될 수 있다고 한다. Graziano 등의 연구에서 표면 거칠기가 증가된 scaffold가 부드러운 표면을 가진 scaffold 보다 더 높은 골형성 반응을 나타내었다고 보고했다[26]. Scaffold의 표면 특성은 세포의 접착, 부착 및 확산에 중요하다. CaP 코 팅, HA 입자의 첨가 등은 표면 거칠기 및 다공성 재료의 생체 활성을 향상시킬 수 있 다. 피브린, 피브로넥틴, 젤라틴, 성장 인자 및 프로테오글리칸 등의 단백질 복합물을 이용하여 스캐폴드를 코팅해서 표면 특성을 변화시키려는 여러 연구들도 소개되었다.
Double protein-coated PCL scaffolds는 우수한 초기세포의 부착, 증식 및 집락화 등이 관찰되었다[27-29]. β-TCP의 첨가는 골전도 능력을 향상 및 분해속도를 조절할 수 있 으며 소수성의 중합체에 친수성을 부여할 수 있다. β-TCP 혹은 CaP 등이 분해가 된 후에 생기는 칼슘이온은 줄기세포의 골형성 분화를 촉진한다. PCL은 상대적으로 소수 성이기 때문에 Scaffold로 사용하기 위해서는 표면처리를 통해 친수성을 부여해야 한 다. 물의 접촉각은 세포부착에 영향을 미치는데 최적의 물 접촉각의 값은 45–70° 또 는 30–60° 범위인 것으로 보고되었다. 친수성을 부여하는 방법은 CaP coating, HA, β -TCP 등을 첨가하거나 Plasma 처리를 하는 것이다. 산소 Plasma 처리는 Scaffold 표 면에 반응성을 향상시키는 산소기능기의 숫자를 증가시켜 친수성을 부여하고 표면의 거칠기를 변화시켜 세포성숙과 분화를 향상시킨다[30,31]. 이 연구에서 사용한 PCL/β -TCP scaffold는 기공의 크기가 200μm이다. 혈관 및 골형성 세포의 성장을 위한 최소 한의 크기로 설정하여 신생골 형성이 중심부로 이어지지 못하고 가장자리에 국한되어 형성된 것으로 보인다. 혈관형성을 위한 가장 이상적은 기공사이즈의 크기는 400μm인 것으로 알려져 있는 것으로 보아 기공크기 변화를 통한 추가적인 연구가 필요할 것으 로 보인다.[25] β-TCP의 비율 조정을 통해서 생물학적 반응성과 분해성을 제어할 수 있다. 본 연구에서는 10wt.% β-TCP를 사용하였으나 실험결과를 보았을 때 비율이 부 족한 것으로 생각된다. Lam 등에 따르면 20wt.% β-TCP 첨가를 통해 표면 특성 개 선, 젖음성 개선을 얻을수 있었고. 초기 골 형성이 향상되었다고 보고하였다[30]. 아직 까지는 ‘이상적인’ 다공성 생체재료 설계를 위한 정보가 있지 않기 때문에 scaffold 의 구조 및 표면조절을 통한 다양한 연구가 이루어지고 있다.
토끼 두개골의 결손 부위는 수많은 골이식재의 생물학적 안정성 및 골전도 및 유도성 을 평가하기 위해 실험에 사용되고 있다[32,33]. 두개골을 통한 실험을 하는 경우에 자 발적인 골 치유가 일어나지 않는 골 결손부의 크기를 설정하기 위해서는 critical size defect (CSD)를 고려해야 한다. CSD는 특정 기간 동안 치료를 받지 않으면 결순부위 가 자연 치유되지 않거나 동물의 일생 동안 10% 미만의 뼈 재생을 보이는 동물의 가
장 작은 골내 결손부위로 정의된다. 수많은 연구들에서 토끼 두개골의 CSD는 10-15mm라고 말하고 있다[34-36]. Sohn 등에 의하면 11mm 의 결손부와 15mm 의 결손부는 골 결손부 회복에 있어서 큰 차이가 없다고 말하고 있다. 8mm의 골 결손부 는 토끼 두개골 내에서 4개의 결손부를 형성할 수 있기 때문에 여러 재료를 비교하기 에 적합하며, 재료의 안정성이나 숙주의 반응과 같은 초기 치유반응을 평가하는데 적 합하다고 말하고 있다[37]. Hammerle 등은 8mm의 결손은 재골화 평가에서 CSD보다 작은 것으로 알려져 있으나, 골유도 및 골전도 효과를 판단하기 위한 유용한 결손모델 이라고 제시하고 있다[32]. 본 연구에서는 PCL/β-TCP scaffold를 다른 두 재료와 비 교하기 위해서 8mm의 4개의 결손부를 형성하여 실험을 진행하였다.
수술 후 결손부위 평가의 기간의 중요성도 여러 연구에서 언급하고 있다. 보통 재료 의 안정성이나 숙주의 반응과 같은 초기 치유반응을 평가할 때는 2-4주의 치유기간이 권장되며, 골 결합, 재료의 흡수, 골 재형성 혹은 골 재생량과 같은 후기 치유를 평가 할 때는 8주 이상의 치유기간이 권장된다고 하고 있다. Greenwald 등은 골결손부 신 생골 형성에 있어서 가장자리와 중심부가 차이가 있다는 것을 밝혔으며, 골 결손부의 가장자리와 골막과 경막 사이에서 골형성이 이루어진다고 말했다. 경막은 골형성 가능 성이 높지만 보통 손상이 되기 때문에 피질골에 혈액을 공급해주는 골막과 결손의 가 장자리에서 주로 골형성이 된다고 한다[38]. 실험에서 변수를 제거하기 위해서는 경막 을 핀셋 등으로 제거하거나 흡수성 차폐막을 적용하여 차단하고 연조직 함입을 배제하 기 위해 골막봉합을 통한 이식재 상방의 완전 피개를 이루어야 한다. 토끼 두개골을 통한 골이식재의 실험시 위와 같은 내용을 바탕으로 실험설계를 진행해서 일관성 있고 정확한 결과를 얻을 수 있도록 해야 한다.
이 연구에서 PCL/β-TCP scaffold 와 비교하기 위해 HA 60% 와 β-TCP 40%의 합 성골에 콜라겐 섬유가 첨가된 골이식재와 deproteinized bovine cancellous bone에 콜 라겐 섬유가 첨가된 골이식재를 사용하였다. Deproteinized bovine cancellous bone은 소뼈에서 유기물 성분을 완전히 제거하여 만들어져서 천연의 비항원성 다공성 뼈 기질 로 이루어져 있으며 사람의 뼈와 유사한 구조로 이루어져 있고 우수한 골전도성을 가 지고 있다. Wong 등의 연구에서 Deproteinized bovine cancellous bone 과립의 표면은 과립 주위에 새로운 뼈가 형성됨에 따라 광물화를 촉진하는 특성을 보여주었다[17,39].
합성골은 항원성의 부재, 질병 전파 가능성 없음, 제한이 없는 공급 등의 장점을 가지 고 있어 많은 연구가 이루어지고 있다. 합성골은 보통 신생골이 성장할 수 있는 골격
(β-TCP)를 적절히 혼합하여 제작한다. HA와 β-TCP의 이상적인 비율을 알아내고자 많은 연구가 이루어 졌다. HA의 비율이 β-TCP 보다 높은 것이 신생골 형성에 있어 서 더 우수하다고 밝혀졌다. Nery 등의 연구에서는 HA 60% 와 β-TCP 40% 혼합한 합성골이 가장 이상적인 비율이라고 주장했다[19,20]. Ortiz-Puigpelat 등의 연구에서 OsteonⅢ(60% HA + 40% β-TCP)는 다른 합성골에 비해 조골세포 및 파골세포 활성 면에서 우수한 scaffold 특성을 보여주었다[21].
이번 연구는 수술방법 및 결손부의 직경에 있어서 통일성을 유지하였으나, 모든 변수가 통제되지 않은 한계점이 존재한다. 이 연구에서 골 결손부의 높이가 일정하지 않았으며, trephine bur로 결손부 형성 시 경막을 손상시키지 않기 위하여 불완전한 골삭제가 이 루어져 가장자리에 골편이 남아있었다. 또한 골형성에 영향을 줄 수 있는 경막과 골막에 대한 완전한 통제가 이루어지지 않았다. Collagen이 첨가된 합성골 및 이종골의 block 형태를 골 결손부에 적용 시 모든 토끼에서 같은 양의 골양을 적용시키지 못한 것도 골 형성에 영향을 미친 것으로 보인다. 실험 기간이 2주 및 6주군은 짧은 기간에 해당하여 골형성의 초기 치유기간에 해당하므로 향후 8주 이상의 장기간의 결과 분석도 필요할 것 으로 보인다.