Effect of Low-Intensity Pulsed Ultrasound on Bone Healing around Titanium Implant in Tibia of Diabetes Mellitus Induced Rats

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Original Article

원고 접수일 2012년 4월 13일, 원고 수정일 2012년 4월 25일, 게재 확정일 2012년 5월 4일

책임저자 김욱규

(626-770) 양산시 물금읍 범어리, 부산대학교 치의학전문대학원 양산부산대학교병 원 구강악안면외과학교실

Tel: 055-360-5112, Fax: 055-360-5104, E-mail: [email protected]

RECEIVED April 13, 2012, REVISED April 25, 2012, ACCEPTED May 4, 2012

Correspondence to Uk-Kyu Kim

Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Yangsan Pusan National University Hospital, Pusan National University School of Dentistry Beomeo-ri, Mulgeum-eup, Yangsan 626-770, Korea

Tel: 82-55-360-5112, Fax: 82-55-360-5104, E-mail: [email protected]

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당뇨유도 백서 경골에 티타늄 임플란트 매식 시 저출력 초음파 적용이 골치유에 미치는 영향

서영교ㆍ김욱규ㆍ박상준¹ㆍ이수운²ㆍ김용덕ㆍ황대석

부산대학교 치의학전문대학원 구강악안면외과학교실, 인제대학교 의과대학

1부산백병원 구강악안면외과학교실, ²해운대백병원 구강악안면외과학교실

Abstract

Effect of Low-Intensity Pulsed Ultrasound on Bone Healing around Titanium Implant in Tibia of Diabetes Mellitus Induced Rats

Young-Kyo Seo, Uk-Kyu Kim, Sang-Jun Park

¹

, Soo-Woon Lee

²

, Yong-Deok Kim, Dae-Seok Hwang Department of Oral and Maxillofacial Surgery, Pusan National University School of Dentistry,

Department of Oral and Maxillofacial Surgery,

¹

Busan Paik Hospital,

2

Haeundae Paik Hospital, Inje University College of Medicine

Purpose: Diabetes mellitus (DM) has been shown to alter the properties of the bone and impair bone healing around a titanium implant. The aim of this study is to investigate whether the low-intensity pulsed ultrasound (LIPUS), which has been known to stimulate the bone healing, improve the osseointegration of the titanium implant in tibia of DM-induced rats.

Methods: 16 rats were received streptozotocin (60 mg/kg) for inducing diabetes. A total number of 32 titanium implants were placed bilaterally into both tibiae of these rats. The right tibia of each rat received LIPUS application (10 min/day) during 7 days post-operation, while the left side received no treatment. The study was carried on for six weeks and the rats were sacrificed at 1, 2, 4, and 6 weaks postoperatively (4 rats for each week) for histomorphometric and histologic analysis. Bone-implant contact and bone area were measured. Comparisons between the groups were made using statistical analysis on histomorphometric analysis.

Results: The histomorphometry parameters showed that the bone-implant contact and the bone area values have decreased in the late osseointegration periods (4, 6 weeks) compared to the early osseointegration periods (1, 2 weeks) in both two groups. The bone-implant contact values of the LIPUS group were somewhat higher than those of controls at 1, 2 weeks, but the difference was not statistically significant. The bone area values of the LIPUS group were also higher than those of controls at 1, 2 weeks, but the difference was not statistically significant as well.

Conclusion: Results of this study indicate that LIPUS may have positive effects on early osseointegration but could not improve the long term stability of dental implants.

Key words: Ultrasound, Osseointegration, Dental implants, Diabetes mellitus

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서 론

평균수명이 점차 증가하면서 삶의 질을 높이기 위해 치아를 보존하고 상실된 치아를 수복하는 것이 중요성을 더해가고 있다.

이에 따라 치과영역에서 임플란트를 이용한 재건술식이 발전하고 있고 높은 성공률이 보고되고 있지만, 여전히 수개월에 걸친 치료 기간이나 부족한 골량, 전신질환 등이 제한요소가 되고 있다.

특히 임플란트의 성공과 장기예후에 영향을 미치는 대표적인 전신 질환으로는 당뇨를 들 수 있다. 당뇨는 광범위한 전신적 합병증을 일으키는데, 망막증, 신증, 신경병증, 미세혈관질환, 대혈관질환 및 상처 치유의 지연 등을 들 수 있다[1]. 당뇨와 관련해 미세혈관 계의 변화는 면역반응 감소와 골 재형성의 감소를 일으킨다[2].

당뇨환자에 있어서 임플란트 식립 시 골 재형성 과정에 변화가 생기고 골-임플란트 접촉을 감소시키는 결핍된 광화 작용이 관찰 된다. Oliver와 Tervonen[3]은 치과용 임플란트의 골유착률이 당뇨에 따른 이차성 골다공증과 관련되어 감소됨을 보고하였으며, 다른 연구에서는 당뇨 유도된 동물 실험군과 대조군을 비교했을 때 형성된 임플란트 주위의 골의 양은 비슷했지만 골 임플란트-접 촉의 감소를 보였다[4-6].

이런 점을 극복하기 위해 여러 성장인자나 골형성단백질 등을 임플란트 표면에 코팅하거나 국소적으로 적용하는 방법들이 시도 되고 있으나 임상적 유효성에 대해서는 아직 결론내기 어렵고 개발에 많은 시간과 비용이 소모된다[7-10]. 이와는 다른 접근법 으로 물리적 자극을 이용해 골치유를 촉진하는 방법들도 시도되고 있는데, 그 대표적인 것으로 초음파를 들 수 있다. 골형성세포는 여러 성장인자, 골형성 단백질 등의 생물학적 자극뿐만 아니라 물리적인 자극에도 민감한 것으로 알려지고 있다. 즉 낮은 전류, 저출력 초음파 에너지 영역, 그리고 특수한 파장의 전자장에 의해 골형성이 촉진될 수 있다고 보고된 바 있다[11]. 이는 비침습적이 고 임상적으로 적용이 용이한 장점이 있다.

초음파는 의료분야에서 치료, 수술, 진단 영역에서 다양하게 사용되고 있다. 수술용 초음파는 5∼300 W/cm

²

의 강도의 초음 파 신호를 전달하여 조직 내에 열을 생성하는 고출력 초음파로서 백내장과 같은 손상조직을 절단하고 결석을 파괴하는 등 여러 가지 용도로 사용되고 있다. 진단용 초음파는 조직에 과도한 열생 성을 피하기 위해 5∼50 mW/cm

²

의 저출력을 사용하며 태아의 상태와 혈관과 같은 중요한 기관의 검사 및 말초혈류량 연구에 이용되고 있다. 치료용 초음파는 열 효과와 생물학적 효과를 일으 킨다. 문헌상 최초로 저출력 초음파(low-intensity pulsed ultra- sound, LIPUS)를 골절치유 촉진에 응용한 사람은 Knoch와 Klug[12]로서, 1965년 저에너지 초음파가 뼈에 부딪칠 때 골표면 의 압전위(piezoelectric potential)가 변화하여 가골형성을 촉진 시키는 것을 발견하였으며, Duarte[13]와 Pilla 등[14]은 토끼 비 골 절골술 후 LIPUS를 조사하여 현저한 골절치유 촉진을 확인하

였다. 여러 학자들의 연구들에서 67명의 경골골절환자에서 이중 맹검법을 통하여 LIPUS의 임상적 효과를 연구하였으며, 그 결과 임상적 골유합을 약 1개월 단축시킨 사실을 확인하였다[12,13].

이 결과를 토대로 Food and Drug Administration은 1994년 초음파기기를 골절 치유과정을 촉진시킬 목적으로 사용할 수 있도 록 허가하였다. 아직까지 금속 내고정물 존재하에서의 치유과정 에 미치는 영향에 대해서는 많이 연구되지 않아 향후 많은 연구가 진행될 것이다.

이에 본 연구에서는 LIPUS가 조절되지 않는 당뇨환자의 골에 서 임플란트의 골치유를 촉진할 수 있는지 알아보기 위해 당뇨를 유도한 백서에서 조직형태 계측학적 분석과 조직학적 관찰을 시행 하였다.

연구방법

1. 실험 동물 및 재료

실험 동물은 일정 기간 동일 조건하에서 사육한 250 g 내외의 자성 백서 16마리를 이용하였으며, 당뇨 유도 후 각 쥐의 좌, 우측 경골에 임플란트를 매식하였으며 1주간 LIPUS를 조사한 좌측 경골을 실험군으로, LIPUS를 조사하지 않은 우측 경골을 대조군으로 이용하였다.

실험 재료는 순수 티타늄(commercially pure titanum-Grade 3)으로 주문 제작한 폭경 2.0 mm, 길이 3.5 mm (pitch height 0.4 mm)의 나사형 임플란트(Cowellmedi, Busan, Korea)가 사용되었다. LIPUS 조사를 위한 장비로는 BR-Sonic (ITO Co., Tokyo, Japan)이 사용되었다.

2. 연구 방법

모든 실험은 부산대학교 동물실험윤리위원회 운영규정에 따라 심의하고, 그 내용이 동물실험의 신뢰성, 안전성, 윤리성의 측면에 서 적합하여 동물실험을 승인 받았으며 모든 사항을 준수하여 시행하였다(승인번호: PNU-2009-22).

1) 당뇨 유발

Streptozotocin (Sigma-Aldrich Co., St. Louis, MO, USA) 을 citric acid (0.1 mol/L, PH 4.5)에 용해시켜, 60 mg/kg을 복강 내에 투여하는 방법을 사용하였다. 1주 후에 미정맥에서 혈액을 채취하여 혈당계(Accu-chek sensor, Roche, Basel, Swiss)로 혈당치를 측정하고 그 수치가 300 mg/dL 이상인 동물 만을 당뇨 백서로 인정하였다.

2) 임플란트 매식 및 LIPUS 조사

당뇨가 유도된 16마리의 백서에 enflurane (Gerolan,

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Jungwae Pharma. Co., Seoul, Korea)과 산소압의 농도를 1:1 로 혼합하여 흡입마취를 통한 전신마취 시행 후 좌, 우측 경골부를 골막까지 박리하고 골을 노출시킨 후 경골 근심 측 5 mm 부분의 경골 외측 최대 폭경부 중앙부에 직경 1.6 mm round bur를 이용하여 골구를 형성하고 임플란트를 골수강에 도달할 때까지 조심스럽게 매식하였다. 이후 항생제(Gentamycin 3 mg/kg, Jungwae Pharm. Co.)를 근주하였다.

임플란트를 매식한 다음 날부터 1주일간 매일 LIPUS를 좌측 경골(실험군) 임플란트 매식부에 3 MHz, 240 mW로 10분간 조사하였다. 우측 경골(대조군)은 LIPUS를 조사하지 않았다.

3) 표본 제작

임플란트 매식 후 1주, 2주, 4주 및 6주에 각각 4마리씩 선택하 여 흡입을 통한 전신마취를 시행 후 심장 관류법으로 흉곽을 열어 심장을 노출시킨 후 좌심실에 20 gauge 바늘을 삽입하여 겸자 고정 후 연동 관류 펌프를 작용시켜서 체순환시킨 후 우심방 벽을 절개하여 피를 배출시키고 phosphate buffered saline을 사용하여 체내혈액을 세척하였다. 이후 4% paraformaldehyde 고정액을 다시 30분간 펌프 관류시킨 후 대퇴 관절을 포함하여 경골을 절단하여 조직을 채취하였다. 각 주당 3마리에서 채취된 검체는 골-임플란트 접촉률과 골면적률을 측정하는 데 이용되었 다. 절취된 조직은 70% ethanol에서 3일간 고정을 한 후 Villanueva 용액에 10일간 두어 전염색을 시행하였다. 탈수와 탈색을 위해 50, 70, 80, 95, 100% ethanol을 각각 4시간씩 거친 후 잔여 ethanol을 제거하기 위해 propylene oxide에 담가 두었다. 이 후 epoxy resin (Eponate, TedPella Inc., Redding, CA, USA)을 사용하여 60

^o

C 인큐베이터에서 3일간 굳혀서 단단 한 블록을 만들었다. 시편은 경조직 절단기(Accutom50, Struers Co., Copenhagen, Denmark)를 이용하여 절단한 뒤 경조직 연마기(EXAKT, Exakt Co., Norderstedt, Germany)를 이용하 여 10∼20 μm의 두께의 시편을 얻었다.

각 주당 나머지 1마리의 조직들은 조직학적 관찰을 위해 사용되 었는데, 동일한 고정액에 24시간 고정시킨 후 10% ethyl- enediaminetetraacetic acid와 NaOH를 녹인 탈회액에 12주간 탈회시켰다. 그 후 조직을 조직캡슐에 넣어 흐르는 물에 12시간 동안 수세한 다음, 통상적인 방법에 따라 alcohol과 xylene으로 탈수와 투명화를 한 후 paraffin에 포매하고 6 μm 두께의 시상연 속절편을 만들었다.

4) 조직형태계측학적 분석

골접촉 정도를 평가하기 위하여 각 임플란트의 양측 4번째 나사산까지의 골조직을 광학현미경(Axioscop, Carl Zeiss, Jena, Germany)을 이용하여 100배율에서 관찰하고 Axiovision (Carl Zeiss) 프로그램을 이용하여 조직형태계측학적 분석을 시행하였

다.

(1) 골-임플란트 접촉률(bone-implant contact, BIC): 골과 접촉하고 있는 나사산의 길이/나사산의 총길이×100 (%)

(2) 골면적률(bone area, BA): 나사산 한계 내의 골의 총면적/

나사산 한계 내의 총면적×100 (%)

조직형태계측학적 계측치인 BIC 및 BA에 대한 통계적 분석을 시행하여 실험군과 대조군간에 유의미한 차이가 있는지를 조사하 였다. 통계적 분석을 위해 SPSS 12.0 (SPSS Inc., Chicago, IL, USA)을 이용하여 계측치에 대한 paired t test를 이용하여 유의성을 검정하였으며, P 값이 0.05 이하일 경우 유의하다고 판정하였다.

5) 조직학적 관찰

(1) Hematoxylin-Eosin (H&E) 염색: 통법에 의해 H&E 염색 처리 후 표본에서 골형성과 관련된 세포 및 세포외 기질을 관찰하 기 위해 광학현미경을 이용하였다(확대율 ×100).

(2) Masson's trichrome 염색: 교원질의 생성정도에 따른 광화된 골조직과 비광화된 골조직을 관찰하기 위해 상기 제작된 6 μm 두께의 파라핀 조직 절편을 xylene에서 파라핀을 제거하 고 Bouin 용액(Sigma-Aldrich Co.)에 실온에서 1일을 담가 놓은 후 조직표본의 노란색이 없어질 때까지 유수에 수세하였다. 증류 수로 여러 번 세척하고 Weigert's iron hematoxylin 용액 (Sigma-Aldrich Co.)에 10분간 핵 염색을 하였다. 이후 유수에 10분간 수세하여 핵을 청화시키고 Biebrich scarlet-acid fuchsin 용액(Sigma-Aldrich Co.)에 10분간 염색하였다. 증류수로 여러 번 세척 후 phosphomlybdic-phosphotungstic acid 용액에 10분간 처리하였다. 수세하지 않고 aniline blue 용액에 5분간 염색한 후 증류수로 여러 번 세척하였다. 이후 1% acetic acid 용액에 1∼3분간 적용시킨 다음 증류수로 여러 번 세척하였다.

탈수, 투명과정을 거친 후 봉입하였다.

결 과

1. 조직형태계측학적 분석(Fig. 1∼3) 1) 골-임플란트 접촉률(BIC)

티타늄 임플란트를 식립한 지 1, 2, 4, 6주에 각각 조사한 BIC를

살펴보면, 1주에 실험군이 47.65±3.56, 대조군이 42.03±8.20

으로 실험군이 대조군에 비해 높았으나 유의하지는 않았다. 2주에

실험군이 42.01±15.05, 대조군이 30.84±17.32로 실험군이 대

조군에 비해 높았으나 역시 통계적으로 유의하지는 않았다. 4주째

실험군이 24.97±4.35, 대조군이 27.14±9.83이었고, 6주째 실

험군이 26.45±5.70, 대조군이 32.48±8.28으로서, 4주와 6주

째에는 대조군이 실험군에 비해 높았으나 통계적으로 유의하지는

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Fig. 3. Photomicographs measuring bone-implant contact and bone area. (A) non-LIPUS group, (B) LIPUS group at 2 weeks (Villanueva stain, ×100). LIPUS, low-intensity pulsed ultrasound.

Table 1. Mean bone-implant contact in each weeks

Weeks LIPUS group Non-LIPUS group P

1 wk 2 wks 4 wks 6 wks

47.65±3.56 42.01±15.05

24.97±4.35 26.45±5.70

42.03±8.20 30.84±17.32

27.14±9.83 32.48±8.28

0.622 0.083 0.810 0.058 Values are presented as mean±standard deviation.

LIPUS, low-intensity pulsed ultrasound.

Fig. 2. Mean BA in each weeks. BA, bone area; LIPUS, low-intensity pulsed ultrasound.

Fig. 1. Mean BIC in each weeks. BIC, bone-implant contact; LIPUS, low-intensity pulsed ultrasound.

Table 2. Mean bone area in each weeks

Weeks LIPUS group Non-LIPUS group P

1 wk 2 wks 4 wks 6 wks

37.07±15.67 34.91±29.70 22.70±17.29 23.21±7.74

34.74±1.20 28.54±26.03 23.98±14.79 21.76±12.00

0.877 0.112 0.472 0.619 Values are presented as mean±standard deviation.

LIPUS, low-intensity pulsed ultrasound.

않았다(Table 1, Fig. 1).

기간별로 보았을 때 임플란트의 초기 골유착에 특히 중요한 첫 2주까지는 통계적으로 유의하지는 않지만 실험군이 대조군에 비해 높은 BIC 값을 보이다가 4주, 6주에는 감소하는 것으로 나타났다.

2) 골면적률(BA)

1, 2, 4, 6주에 각각 조사한 BA를 살펴보면, 1주에 실험군이 37.07±15.67, 대조군이 34.74±1.20으로 실험군이 대조군에 비 해 높았으나 유의하지는 않았다. 2주에 실험군이 34.91±29.70, 대조군이 28.54±26.03으로 실험군이 대조군에 비해 높았으나 역 시 통계적으로 유의하지는 않았다. 4주째 실험군이 22.70±17.29, 대조군이 23.98±14.79였고, 6주째 실험군이 23.21±7.74, 대 조군이 21.76±12.00으로서, 4주와 6주째에도 통계적으로 유의 한 차이는 없었다(Table 2, Fig. 2). 기간별로 보았을 때 BIC와 마찬가지로 초기 1, 2주에는 실험군이 대조군에 비해 다소 높은 값을 보였으나 유의하지는 않았고, 실험군과 대조군 모두 초기 골치유기(1, 2주)에 비해 후기 골치유기(4, 6주)에 수치가 감소하 는 것으로 나타났다(Table 2, Fig. 2).

2. 조직학적 분석(Fig. 4∼19) 1) 대조군

H&E 염색 표본을 살펴보면 1주군에서 임플란트 계면부위로

요철상의 골기질과 골소주를 관찰할 수 있었고, 2주군에서는 골기

질이 더 두꺼워졌으며 미성숙한 양상을 보였다. 4주군에서는 생성

된 골의 성숙된 양상을 볼 수 있었으나 임플란트 계면부위의

골 양은 감소된 것으로 나타났다. 6주군에서 역시 골 양은 감소하

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Fig. 4. H&E stain of low-intensity pulsed ultrasound group at 1 week (×100).

Fig. 6. H&E stain of low-intensity pulsed ultrasound group at 2 weeks (×100).

Fig. 5. H&E stain of non-low-intensity pulsed ultrasound group

at 1 week (×100). Fig. 8. H&E stain of low-intensity pulsed ultrasound group at 4 weeks (×100).

Fig. 7. H&E stain of non-low-intensity pulsed ultrasound group at 2 weeks (×100).

(6)

Fig. 10. H&E stain of low-intensity pulsed ultrasound group at 6 weeks (×100).

Fig. 15. Masson's trichrome stain of non-low-intensity pulsed ul- trasound group at 2 weeks (×100).

Fig. 12. Masson's trichrome stain of low-intensity pulsed ultra- sound group at 1 week (×100).

Fig. 13. Masson's trichrome stain of non-low-intensity pulsed ul- trasound group at 1 week (×100).

Fig. 14. Masson's trichrome stain of low-intensity pulsed ultra- sound group at 2 weeks (×100).

(7)

Fig. 16. Masson's trichrome stain of low-intensity pulsed ultra-

sound group at 4 weeks (×100). Fig. 18. Masson's trichrome stain of low-intensity pulsed ultra- sound group at 6 weeks (×100).

Fig. 17. Masson's trichrome stain of non-low-intensity pulsed ul-

trasound group at 4 weeks (×100). Fig. 19. Masson's trichrome stain of non-low-intensity pulsed ul- trasound group at 6 weeks (×100).

였으나 생성된 골은 좀 더 성숙된 양상을 보였다. 전 기간에 걸쳐 염증세포의 침윤이 많은 것을 볼 수 있었다.

Masson's trichrome 염색 표본을 살펴보면 1주군에서 coll- gen 및 비광화된 기질을 의미하는 푸른색이 임플란트 계면 주위 로 나타났으며, 2주군에서 그 양이 더욱 증가하며 두꺼워졌으며, 4주군에서 골기질이 더욱 증가하고 일부에서 성숙된 골을 의미하 는 붉은 색이 관찰되기 시작하였으나 그 양은 많지 않았다. 6주군 에서도 비광화된 기질이 관찰되었고 골 성숙부위가 증가하였다.

2) 실험군

H&E 염색 표본을 살펴보면 1주군에서 임플란트 계면부위로 나사상의 부분적인 골재생이 관찰되며, 대조군에 비해 나사산 내에 더 많은 양의 골을 볼 수 있었고, 더 광화된 형태를 보였다.

2주군에서도 대조군에 비해 더 많은 요철상의 골 재생을 볼 수 있으며, 아직 미성숙된 골기질이 더 두꺼워진 양상을 나타냈다.

4주군, 6주군에서 임플란트 주위로 재생된 골의 성숙을 나타내고 있었으나 골 양이 증가하지는 않았다.

Masson's trichrome 염색 표본을 살펴보면 1주군에서 대조군 에 비해 더 뚜렷한 골형성 부위가 관찰되었고, 2주군에서도 대조 군에 비해 더 규칙적인 골기질의 배열을 나타내었다. 4주군, 6주 군에서는 대조군과 마찬가지로 골은 부분적으로 성숙부위가 넓어 졌으나 염증세포의 침윤과 함께 불규칙한 양상을 보였으며, 골의 양은 증가되지 않았다.

고 찰

임플란트 주위의 골형성은 골치유의 정상기전을 통해 얻어지며

골유착의 장기적인 유지는 생리적인 골 재형성에 달려 있다. 많은

선학들에 의해 당뇨환자에서 골과 무기질대사가 변화한다는 것이

확인되었다.

(8)

당뇨병이 골에 미치는 영향은 광범위하다. 고혈당 상태가 골모 세포 분화를 억제하고 체내 칼슘과 인의 대사를 조절하는 부갑상 선 호르몬의 반응을 변화시킬 뿐만 아니라 골기질(bone matrix) 과 그 구성 요소에 해로운 영향을 미치고 세포외 기질(extra-cel- lular matrix)의 부착, 성장, 축적에도 영향을 준다[14]. Nyomba 등[15]에 의한 당뇨 쥐에서 골 무기질 대사에 관한 연구에 의하면 무기질대사, osteoid의 생산, 골 형성이 당뇨의 여러 가지 실험적 모델에서 감소되었음을 보여주었다. 당뇨에 의한 이러한 부정적 인 영향이 티타늄 임플란트의 골유착 과정에도 유의하게 작용한다 고 알려져 있으며, 이는 혈당의 엄격한 인슐린 조절로도 완전히 개선되지는 않는다고 하였다[13,16]. 본 연구에서도 BIC 및 BA 수치가 1, 2주군에 비해 4, 6주군에서 오히려 감소함으로써 당뇨 에 의한 골형성 감소를 확인할 수 있었다.

당뇨와 같은 전신질환에서 상처치유와 조직재생이 저하되는 것은 대부분 저하된 혈관형성이 주요원인이라고 할 수 있다. 중등 도의 저산소증은 교원질 합성을 유도하고 대식세포를 활성화해서 혈관형성을 촉진함으로써 상처치유를 돕는다. 그러나 저산소증이 심해지면 lysine과 proline의 hydroxylation이 저하되면서 섬유 모세포의 이주가 감소하고 교원질 합성이 감소한다. 교원질의 성숙과 교차결합은 저산소증의 정도에 반비례하며 약간의 산소농 도 증가에도 반응한다고 하였다[17]. 치료적 혈관형성이라는 용어 는 국소적인 저혈관상태를 치료 또는 예방하기 위해 신생혈관화와 신생세포화 과정을 유도하거나 자극하는 것을 말한다[18]. 이러한 치료적 혈관형성을 위한 방법은 혈관형성인자의 국소적 적용이나 생체 외에서 배양된 자가모세혈관 내피세포의 식립 등이 연구되고 있다. 초음파 치료는 치료적 혈관형성을 생성하는 가장 간단한 방법 중의 하나로서, Young과 Dyson[19]은 백서 피부병소에서 초음파의 혈관형성 유도를 보고하였고 이를 뒷받침해주는 많은 문헌이 보고되었다[19,20]. 이것은 골절치유나 임플란트 매식과 같은 상황에 LIPUS를 적용할 때 초기에 골치유를 돕는다는 것을 의미하며, 골성숙과 재형성기에는 영향을 주지 않는 것으로 보인 다. Duarte[13]의 토끼 골절단부를 이용한 실험에서도 LIPUS는 첫 10∼12일째에 가장 큰 효과를 보였고 이후 안정화되었다고 하였다. 이러한 결과들은 본 연구에서 실험군이 대조군에 비해 1주와 2주에 걸쳐 다소 높은 골형성을 보였던 것을 설명해준다.

그러나 이러한 차이는 통계적으로 유의미하지 않았는데, 표본의 수가 적고 표본 간의 계측치 편차가 심했기 때문으로 생각하였다.

조직형태계측학적 분석은 임플란트 주위 조직을 정량적으로 분석 하는 데 가치 있는 방법으로서, BIC와 BA가 대표적이다. BIC는 매식된 임플란트의 고정 정도를 의미하고, BA는 특정 조건하에서 의 임플란트의 안정성을 반영한다고 할 수 있다. 본 연구에서의 BIC 값이 가지는 의미를 비교분석하기 위해 사람에서의 골-임플 란트의 접촉률에 관한 연구를 살펴보면, Trisi 등[21]은 사람의 상악 후방에 microimplant를 매식하였을 때 2개월 후의 BIC는

machined surface를 가진 임플란트는 19.00%인 반면 dual acid-etched surface는 47.81%라고 보고하면서 조직형태계측학 적으로 보았을 때 기능적인 하중에 견딜 수 있을 만큼의 충분한 골이 존재한다고 하였다. Grassi 등[22]은 sandblasted acid-etch- ed surface를 가진 임플란트에 하중을 가하지 않은 2개월의 치유 후 BIC는 42.83% (±9.80%)인 데 반해 machined surface를 가진 임플란트는 23.08% (±11.95%)였다고 하였다. 그리고 Shibli 등[23]은 oxidized surface를 가진 임플란트가 하중을 받 지 않은 상황에서 2개월의 치유기간 후에 BIC는 39.04%

(±5.75%), machined surface는 21.71% (±13.11%)였다고 하였다. 또한 Albrektsson과 Johansson[24]은 임플란트 보철물 이 안정적인 결과를 얻기 위해서는 50%의 골접촉이 있어야 한다 고 언급한 바 있다. 본 연구에서는 관찰기간이 6주라는 제한이 있지만 실험군과 대조군 모두 전 기간에 걸쳐 그 기준에 미치지는 못했다. 따라서 조절되지 않는 당뇨로 인해 지속적으로 골밀도와 골 재형성이 감소하는 상황에서는 LIPUS를 임플란트에 적용 시 초기에 골치유를 촉진한다 하더라도 장기적인 성공률을 높이기에 는 불충분할 수 있다고 생각한다. 그럼에도 불구하고 임상적인 상황에서는 이러한 불량한 증례에서도 초기 골유착률을 증가시켜 점진적인 부하를 가할 여건을 만들어 줄 수 있다면 좀 더 적응증을 높일 수 있을 것으로 기대한다. 차후 조절되는 당뇨에서 LIPUS가 골유착을 증진시키는지에 대해 연구가 필요할 것이다.

치료용 초음파는 1∼3 MHz의 주파수와 0.1∼2.0 W/cm

²

의

강도로써 열적, 비열적(nonthermal) 기전에 의해 세포와 조직에

물리적 효과가 일어나도록 한다. 열적 효과는 급성 외상, 좌상,

동통완화 등의 치료를 위해 물리치료용으로 사용된다. 비열적

효과는 조직의 재생, 정맥류 궤양(varicose ulcer)의 치유[25],

척추손상의 치유[26], 만성적 허혈근육에서의 혈액흐름[27], 섬유

모세포에서의 단백질 합성[28,29], 건 치유[30]를 촉진시킨다고

하였으며, Harris[31]는 하악골의 방사선 골괴사에서 초음파의

비열적 치유 효과를 보고하였다. 이런 다수의 연구결과에도 불구

하고 LIPUS의 생물학적 효과에 대한 정확한 기전은 아직 명확히

밝혀져 있지 않다. 이에 관해 제시되고 있는 몇 가지 세포수준의

기전으로 첫 번째로는 미세공기방울(microbubbles) 혹은 공동

화(cavitation)가 생기면서 초음파에 의해 압박을 받으면 미세공

기방울들이 진동운동과 음향흐름을 일으켜서 세포막의 침투성을

증가시킬 수 있는데, 이온이나 단백질의 세포막 이동변화는 유전

자 발현을 위한 세포 내 신호를 변화시킬 수 있다. 두 번째로는

세포표면에 기계적인 압박이 가해지면 Sachs[32]에 의해 제안된

양이온통로에서 신장수용기(stretch activated channels)를 활

성화시킨다는 것이다. 이러한 양이온 농도의 변화로 인하여 유전

자 발현을 조절하는 세포 내 신호가 변화된다. 세 번째로는 초음파

에 의해 전달된 기계적 에너지가 세포 외 기질에 대한 세포 내

골격(cytoskeleton)의 부착의 변화를 활성화시킬 수 있다는 것이

(9)

다. Wang 등[33]은 세포 내 골격에 대하여 기계적 힘을 적용시키 면 세포대사와 유전자 발현에 영향을 미친다고 보고하였다.

골치유를 촉진하는 데 적절한 LIPUS parameter를 결정하기 위해 여러 가지 다른 강도와 주파수로 연구가 진행되어 왔다.

초음파에 대한 세포반응이 강도에 따라 크게 좌우된다고 했는데 alkaline phosphatase가 초음파의 강도가 증가함에 따라(120, 390, 1,490 mW/cm

²

) 점차 증가했다고 했고, Heybeli 등[34]은 백서의 대퇴골에서 초음파 강도를 11.8 mW/cm

²

로 약하게 했을 때도 골절치유가 촉진되고 골밀도가 증가되었다고 했다. Yang 등[11]은 백서의 대퇴골에서 50 mW/cm

²

와 100 mW/cm

²

의 강 도로 치료한 결과 골절치유 촉진에 긍정적인 효과가 있었다고 보고하였으나, 어느 강도에서 더 효과적인지에 대해서는 규명하 지 못했다. Lehmann과 Lateur[35]는 100 mW/cm

²

강도의 초음 파로 2∼5분간 적용하여 무기질화와 가골 형성에 긍정적인 효과 를 얻었으나 1,000 mW/cm

²

의 강도에서는 효과적이지 않았다고 하였다. 또한 토끼의 골절 모델에서 행해진 일련의 연구들은 500 mW/cm

²

의 강도에서 골형성이 촉진되었으나, 1,000 mW/cm

²

의 강도에서는 골형성이 오히려 억제되는 것으로 나타났다. 이러 한 선학들의 연구들에 기초해 골형성을 촉진하기 위해서는 50∼

500 mW/cm

²

의 강도를 사용하는 것이 적절한 것으로 판단되었 고[13,14], 본 연구에서는 240 mW/cm

²

를 사용하였다.

출력주파수에 대해서도 연구되었는데, Dyson과 Brookes[36]

는 500 mW의 비교적 높은 강도의 초음파를 백서 경골 골절에 사용하되 출력주파수를 달리 한 실험에서, 1.5 MHz에서는 78.6%, 3.0 MHz에서는 56.2% 더 치유가 촉진되었다고 했다.

Wang 등[37]은 30 mW/cm

²

의 LIPUS를 백서 대퇴골에 사용했을 때, 0.5 MHz와 1.5 MHz에서 유의한 차이는 없었으며, 양쪽 모두 대조군에 비해 최대토크가 증가했다고 했다. 이상의 문헌들 을 종합했을 때 주로 사용되는 주파수는 1∼3 MHz인데, 본 연구 에서는 적용부위가 작은 것을 감안하여 에너지 확산범위가 적은 3 MHz를 사용하였다. 임플란트에 적용할 LIPUS의 적절한 pa- rameter에 대해서는 더 연구가 필요할 것으로 생각한다.

결 론

본 연구에서는 조절되지 않는 당뇨를 유도한 백서에 임플란트 를 식립한 후 LIPUS를 조사했을 때 골치유가 증진되는지를 확인 하고자 실험을 진행하였으며, 수술 후 6주까지 관찰한 결과 다음 과 같은 결론을 얻었다.

1. 실험군과 대조군의 골-임플란트 접촉률 비교에서 1, 2, 4, 6주에 걸쳐 통계적으로 유의한 차이는 보이지 않았으나, 초기 골치유기인 1주와 2주에서는 실험군이 대조군에 비해 다소 높은 수치를 보였고, 양 군 모두 초기 골치유기(1, 2주)에 비해 후기 골치유기(4, 6주)에 감소된 수치를 보였다.

2. 실험군과 대조군의 나사산 내 골면적률 비교에서 1, 2, 4, 6주에 걸쳐 통계적으로 유의한 차이는 보이지 않았으나, 1주, 2주까지는 실험군이 대조군에 비해 다소 높은 값을 보였고, 양 군 모두 1, 2주에 비해 4, 6주에 감소된 수치를 보였다.

따라서 조절되지 않는 당뇨환자에서 임플란트가 매식되었을 때 골유착이 감소될 가능성이 있으며, 식립 초기에 LIPUS를 조사 하는 것은 임플란트의 초기 골유착을 증가시키는 효과는 어느 정도 기대할 수 있겠으나 장기적인 예후를 높이기에는 불충분하다 고 판단한다.

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