EFFECTS OF EARLY FUNCTIONAL LOADING ON BONE FORMATION AROUND TITANIUM PLASMA SPRAYED IMZ IMPLANTS IN DOGS

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Ⅰ. 서 론

Brånemark등⁽¹⁸⁾에 의하여 치과 분야에 처음으로 소개된 후 악골에 이식되어 골과의 직접 접촉으로 고 정되는 골유착성 치과 임플란트는 지난 20여년동안 완전 무치악, 혹은 부분 무치악 환자에서 결손치의 수복을 위한 치료 방법의 하나로서 광범위하게 임상 에서 사용되어 오면서 계속적인 많은 실험적, 임상적 연구결과를 바타으로 치의학에서 그 위치를 확고히 하여 나가고 있다.

치과 임플란트에서는 두개의 계면, 즉 임플란트 가 구강내로 노출되는 부위에서 형성되는 연조직 계면 과 그 하부의 골조직과의 계면이 형성되며 연조직 계 면의 임플란트의 예후에 중요한 역할을 한다는 것은 여러 연구(1, 33, 39)에서도 밝혀져 있으며 특히 골조직 과의 계면관계에서는 섬유유착성과 골유착성이 있는 데 섬유유착성 임플란트를 주장하는 일부 학자들은 골조직과의 계면에서 생겨난 섬유성 결합조직이 자 연치아의 치주인대와 같은 역할을 하여 교합압의 분 산을 도모한다고 주장하고 골유성 임플란트도 시간 이 경과함에 따라 골유착이 상실되어 섬유유착화 된

다고 하였다^{(9, 43)}. 그러나Albrektsson등(3, 4, 5, 6)은 섬 유성 결합조직으로 이루어진 계면은 곧 임플란트의 실패를 의미한다 하였으며, Brånemark는⁽¹³⁾장기간 의 연구를 토대로 일단 골유착이 일어난 임플란트는 특별한 임상적 문제를 야기하지않고 장기간 건강하 고 안정된 상태로 기능할 수 있음을 보여주었으며 현 재 대다수의 치과 임플란트는 골유착성 이론에 따라 시술되고 있는 현실이다.

오늘날 기능 하중하의 임플란트와 골과의 직접적 인 결합으로 정의되어지는 골유착 개념은⁽¹⁵⁾골내 임 플란트를 위한 최적의 결과로 받아들여지고 있으며 임상에서 임플란트의 성공이나 실패를 좌우하는 임 플란트와 조직간의 이러한 계면 상태는 재료의 생체

적합성(10, 11, 17, 37, 41, 45, 61), 외과적 치료술식⁽³¹⁾, 이식될

부위의 조직 상태, 그리고 임플란트에 가해지는 하중

등(2, 12, 16, 34, 35, 51, 54)에 의하여 주로 영향을 받게 된다.

Albrektsson등⁽³⁾에 의하면 골유착은 하중이 가해 지지 않은 상태에서만 일어날 수 있으므로 골유착이 이루어지기 위해서는 외과시술에 의하여 형성된 사 골(dead bone)이 골개형(remodeling)되는 동안의 일정한 치유기간이 필요하며 임플란트에의 기능적

- 대한 치과 보철학회지 Vol. 33 No. 3, 1995 -

성견에서 Titanium Plasma Sprayed IMZ 임플란트에 가해진 조기 기능하중의 골유착

및 골형성에 미치는 영향

연세대학교 치과대학 보철학교실

전영식ㆍ한동후

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하중은 그 이후에 이루어 져야 한다고 하였으며 이러 한 관점에서 보았을 때 임플란트 이식후 첫 일개월째 가 특히 중요하다고 하였다. 일단 골유착이 일어나고 그 이후 임플란트에 기능력이 가해지면 임플란트의 전반을 따라서 적절한 하중의 분산과 함께 골형성 (osetogenesis)을 위 한 조 건 이 형 성 된 다 . Uhthoff⁽⁶²⁾, Cameron등⁽²⁰⁾은 고정되지 않은 임플란 트의 움직임은 섬유성 결합조직의 형성을 촉진시킨 다고 보고하였으며, Armitage등⁽⁷⁾과 Nixon⁽⁴⁶⁾은 계 면조직이 새롭게 형성되는 골조직으로 치유되는 초 기 치유기간 이전에 조기하중이 가해지게되면 이는 골유착을 방해하는 결하조칙초(connective tissue sheath)가 형성되는 가장 중요한 원인이 된다고 하 였다. 따라서 Albrektsson^(3-6), Brånemark등⁽¹³⁾과 Sagara등⁽⁵⁴⁾은 이러한 조기하중을 피하기 위해서는 두단계 수술 방법이 이상적이라고 하였다. 그러나 임 상에서는 ITI등과 같은 한단계 수술방법을 사용하는 임플란트도 상당수 사용되어지고 있으며 이러한 임 플란트에서도 Akagawa등⁽²⁾은 골유착을 이루기위해 서는 조기하중을 피하는 것이 바람직하다고 제시하 고 있기는하나 실제 임상에서는 경우에 따라 조기 하 중이 허용되어지고 있다.

Deporter⁽²²⁾, Babbush⁽¹⁰⁾, Maniatopoulos등⁽⁴¹⁾은 조기하중이 골유착을 방해하지 않는다고 하였으며 Ducheyne⁽²³⁾은 어느 정도의 초기 치유기간이 지난 후에는 조기하중에 의한 기능적 자극이 골형성을 촉 진시킬 수 있다고 보고하였고, Roberts⁽⁵¹⁾는 임플란 트가 치밀골의 견고한 골상(bone bed)에 확고히 고 정만 되면 골유착은 조기하중하에서도 일어날 수 있 으나 초기 치유기간동안 하중을 가하지 않는 것이 가 장 이상적인 조건이라고 하였다. 국내에서는 양⁽⁶⁶⁾,박 등⁽⁶⁵⁾이 한단계 수술방법을 사용하는 screw type의 ITI임플란트를 성견의 하악골에 이식한 후 기능적 조 기하중을 가한 실험에서 조기하중이 골유착을 방해 하지않고 골형성을 촉진시킨다고 보고한 바 있다.

두단계 수술 방법을 사용하는 대부분의 골유착성 임플란트의 경우 임플란트 이식 후 상부구조를 연결 하여 보철물로서 기능회복을 기대하기까지는 상당한 기간이 필요하며 이 기간동안 환자는 저적기능의 상 실은 물론 심미적인 문제등을 감수해야 하는 만큼 임 시보철물등을 제한된 범위내에서의 기능 회복이나

심미적 해결방안들이 조기에 시행되어야할 필요가 있다. 본 연구에서는 titanium plasma spray된 원 통형의 IMZ임플란트를 이식후 기능하중을 초기 치 유기간중 조기에 가하여 이러한 하중 조건하에서 나 타나는 임플란트의 주위 골조직형성을 관찰하기 위 하여 성견에서 6주, 9주, 그리고 12주에 하중을 가한 군과 실험을 종료한후 16주까지 하중을 가하지 않은 군을 비교하여 골형성 시기와 골개형과정을 형광 현 미경상에서, 골접촉률과 주위 골조직의 조직학적 소 견을 광학 현미경상에서 얻고 EPMA분석을 통하여 석회화 정도를 확인하여 다음과 같은 지견을 얻었기 에 보고하는 바이다.

Ⅱ. 재료 및 방법

가. 실험동물 및 재료

건강 상태가 양호하고 영구치가 완전히 맹출된 15

㎏ 내외의 체중을 가진 성견 5마리를 실험에 사용하 였으며 직경 3.3㎜, 길이8㎜의 titanium plasma spray된 원 통 형 의 IMZ임 플 란 트 (IMZ, Friedrichsfeld, Germany) 15개와 기능 하중을 주 기위한 상부 구조로서 11㎜ IMZ temporay cylinder(IMZ, Freidrichsfeld, Germany) 10개를 성견의 치아와 유사한 길이올 조정하여 사용하였다.

나. 실험방법

무치악 치조제를 형성하기 위하여 성견의요축피정 맥(cephalic vein)에 ㎏당 30㎎의 Entobar^�(한림제 약, 한국)을 정맥주사하여 전신마취 시키고 시술부위 의 지 혈 을 위 하 여 2 % Lidocaine HCL (epinephrine 1 : 100,000)으로 국소마취시킨 뒤, 하악 좌우측 제 2, 3, 4 소구치를 모두 발거하였다.

이후 상처를 봉합하고 감염 방지를 위해 Cefazoline

�(유한양행,한국)을 정맥 주사하였다. 치아발거 3개 월 후 동일한 방법으로 마취한 다음 형성된 무치악 치조제 정상을 따라 절개하여 골막을 박리하고 해당 치아부위에 좌우 각각 2개, 1개씩 모두 3개의 임플란 트를 이식하고 절개부위를 3-0봉합사로 봉합한 후 감영방지를 위해 1일 500㎎의 Amcillin^�(종근당, 한 국)을 3일간 근육주사하였으며 모든 시술은 동일 술

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자에 의하여 IMZ임플란트 제조회사의 지시에 따라 이루어졌다. 기능 하중을 가하는 시기에 따른 임프란 트 주위조직의 변화를 보기위하여 실험I군은 이식후 6주, 실험Ⅱ군은 9주, 실험Ⅲ군은 12주째에 지대치 를 장착하였으며 대조군은 실험 종료시까지 기대치 를 장착하지 않았다. 기대치 장착을 위한 이차 수술 시 티타늄 피개부위가 노출되어 상태가 양호하지 못 한 임플란트 하나를 실험에서 제외시켰으며 대조군 은 실험동물당 각각 1개씩 5개를, 각 실험군은 각3개 씩을 개체간의 유의차를 없애기 위하여 5마리에 나 누어 장착하였다.

실험동물에서 골조직이 형성된 시기를 알아 보기 위하여 3종류의 형광약제를 Oxytetracycline hydrochloride(Terramycin, Pfizer Co.,한국), Calcein(Sigma Co., U.S.A) 그리고 Alizarin red S(Junsei chemical Co., Japan)의 순서로 임플란트 를 이식한지 일주일후, 실험Ⅰ군의 지대치를 장착하 기 일주일 전부터 매3주간격으로 4회, 그리고 마지 막 희생시키기 3일전으로 총6회를 ㎏당 약 20㎎씩 정맥주사하였다.

실험동물은 특별히 뼈등을 제외한 일반적인 성견 의 사료를 공급하였고 지대치 장착후 3일 간격으로 지대치 주위의 구강철결을 위하여 거-즈를 사용한 brushing을 시행하였으며 실험동물을 희생시키기 직전에 임플란트의 동요도와 주위 치주조직의 건강 상태를 관찰하여 임상적으로 골유착이 양호하게 일 어났음을 확인하고 임플란트를 이식한지 16주후에 실험동물들을 동시에 희생시켜 임플란트와 자연치아 를 포함한 인접 골조직을 baock section하였다.

다. 조직표본 제작

block section한 시편은 70% 에탄올 1주일간 고 정한 후, Bone trimmer(Maruto Co., Japan) 상에 서 충분한 준수하에 diamond disk를 이용하여 임플 란트 및 자연치아의 장축을 따라 협설 방향으로 이등 분하였다. Villanueva bone stain용액에 3일간 침 적시킨 뒤 에탄올의 농노를 상승시키며 탈수한 후, 아세톤에서 완전히 탈수시키고 진공상태에서 polymenthy l methacrylate로 포매하여 37℃항온 기에서 40일간 경화시킨 다음 이등분한 한쪽은

Crystal cutter(Maruto Co., Japan)를 이용하여 200㎛의 두께로 절단하고 나머지 한쪽은 임플란트 상부의 치밀골층과 하부의 해면층부위에서 각각 임 플란트의 장축에 수직되게 200㎛의 두께로 절단해 내어서 Hard tissue grinding system(Maruto Co., Japan)으로 연마하여 30㎛의 박편을 만들어 Vanox-S research microscope(Olympus, Japan)를 이용하여 광학 및 형광현미경적 관찰을 하 였다. 장축에 수직되게 절단해낸 나머지 시편은 EPMA분석을 위한 시편으로 사용하였다.

라. 광학 및 형광 현미경적 관찰

임플란트와 자연치아 주위의 골조직과 임플란트 계면에서의 조직학적 관찰과 형광약제 투여시기에 나타나는 석회화 및 골개형과정을 관찰하기 위하여 Vanox-S recharch microscope(Olympus, Japan)를 이용하여 광학 및 형광 현미경적 관찰을 시행하였다.

마. 형태계측학적 관찰

임플란트가 포함된 모든 시편에서 임플란트와 골 조직의 접촉 정도를 측정하기위하여 vanox-T microscope에 video camera를 연결할 후 컴퓨터 화 면 상 에 서 Optomax V image analyzer (Analytical measuring systems Ltd., U.S.A)를 이용하여 임플란트 표면길이와 골접촉 길이을 측정 하였으며, VIDS VI program을 이용하여 측정치를 통계처리 하였다.

바 . EPMA(The Electron Probe Microanalyzer) 분석

EPMA를 이용하여 칼슘, 인, 티타늄의 line profile 및 정량분석을 하기 위하여 EPMA장치안에 삽입가능한 5×5×5㎝의 원기둥 이하의 크기로 시편 을 자른 후 관찰할 표면을 carborundum을 이용하 여 1200mesh까지 grinding하고 직경이 9㎛, 6㎛, 3㎛, 1/4㎛인 diamond paste를 순차적으로 이용하 여 연마하였다. 연마후 시편 표면의 EPMA분석을 위 하여 carbon coating을 시행하였다. EPMA기종인 Superprob JXA-8600SX(JEOL, Tokyo, Japan)

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을 이용하여 칼슘, 인, 그리고 티타늄의 line profile 은 X-ray detecter 로 WDS(ware length dispersive spectrometer, JEOL, Tokyo, Japan) 를 이용하였고 정량분석은 Ultrathin Beryllium Window를 장착한 EDS(energy dispersive spectrometer, Oxford, England)를 이용하여 임플 란트와 조직의 계면에서부터 100, 300, 600㎛떨어 진 부위의 칼슘, 인, 그리고 티타늄의 양을 측정하였 다. 이때 이용한 분석 표준은 캄슘과 인의 경우는 rutile을 이용하였고 시료전류는 2.0nÅ, 각속전압 은 15㎸, beam의 직경은 약1㎛였다.

티타늄의 X-ray mapping은 Kα₁의 X-ray 파장 을 이용하였다.

사. 통계처리

형태계측학적 측정으로 얻은 임플란트의 표면길이 와 골접촉 길이를 각 군별, 각 부위별로 각각 배분율 로 확산하여 각 군별, 부위별 비교를 Kruskal- Wallis test로 시행하였다. EPMA를 이용한 정량분 석은 각 군별로 100㎛, 300㎛, 600㎛에서의 칼슘, 인, 그리고 티타늄의 값을 측정하여 각 군별로, 또한 각 군에서 계면에서의 거리별로 비교하여 Kruskal- Wallis test로 시행하였다.

Ⅲ. 실험결과

가. 광학현미경적 소견

1. 자연치아군

백아질과 치조골 사이에서 치주인대(perio dontal ligament)가 관찰되고 치조골은 치주인대 주위에 속 상골(bundle bone)과 치밀골로 구분되며 치밀골에 서는 일차골원과 이차골원이 발견되었으며 변연골에 서 골흡수 양상은 관찰되지 않았다.

2. 대조군

변연골 부위에서 골흡수나 상피조직의 하방 이주 등은 관찰할 수 없었으나 일부 시편에서는 치조정 하 방까지 급만성 염증세포들로 이루어진 결합조직이

기존의 골조직을 파괴시켜 나가는 양상을 관찰할 수 있었다. 치밀골에 접한 임플란트의 계면부위에서는 유골조직(osteoid tissue)이 많이 관찰되었으나 염증 조직의 개체없이 골접촉이 양호하게 나타났고(사진 부도 1,2), 전반적으로 피개된 티타늄이 완전히 떨어 진 곳은 발견되지 않았으며 다른 실험군과 동일하게 티타늄 입자들이 임플란트의 본체에서 유리되어 인 접 골조직에서 일부 관찰되었다.

골수조직에 위치한 임플랜트의 하단 부위에서는 띠모양의 섬유조직대가 다수 형성되어 있고 골소주 가 임플란트에 부착된 것이 관찰 되었으며 특히 vent내에서는 새로 형성된 골조직이 드물게 나타났 다(사진부도 3).

3. 실험 Ⅰ군

변연골 부위에서 협측 치조정이 불규칙하게 파괴 된 골흡수 양상을 보였으며 치밀골에 위치한 임플란 트 의 계면부위에서는 전반적으로 골접촉이 양호하 게 나타났으며 대조군에 비하여 유골조직이 드물게 나타나 있는 것을 관찰할 수 있었다(사진부도 4, 5).

골수조직에 접한 임플란트 하부에서느 대조군에 비하여 현저히 많은 양은 양의 골조직이 접촉되어 있 었으며 vent내부에서도 비교적 규칙적인 배열을 가 진 층판골이 얇게 접촉하여있는 것이 관찰되었다.

4. 실험 Ⅱ군

변연골의 치조정 부위에서는 대조군과 유사한 조 직 소견을 보였으며 임플란트의 계면 부위에서 나타 나는 치밀골의 접촉 정도와 조직 소견은 실험Ⅰ군과 대동소이한 양상을 보였다. 임플란트 하단부의 해면 골에서 골접촉 정도는 대조군에 비하여 많으나 유골 조직이 많고 일정한 배열을 가지지 못하여 실험 Ⅰ군 에 비하여 골개형 과정임을 나타내는 골흡수강을 다 수 볼수 있었으며 직접 골접촉이 일어나지 않은 부위 에서는 대조군에서 관찰된 것과 유사한 섬유조직증 식 양사을 볼 수 있었다(사진부도 6).

5. 실험 Ⅲ군

전반적으로 대조군과 유사한 조직 소견을 보였다.

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나. 형광현미경적 소견

1. 자연치아

치조정 부위의 골외막 아래에서부터 녹황적 녹황 의 형광대가 길게 층판을 이루며 나타나고 치주인대 를 따라서도 명확히 구분되는 3-4개의 형광대가 간 간이 층판으로 나타났으며 치밀골내에서는 선명하게 구분되는 4-5개의 형광대를 가진 동심원을 별견할 수 있었으나 그 수는 적었다(사진부도 7).

2. 대조군

치밀골에 접한 임플란트의 계면에서는 주로 황색 과 녹색의 형광대가 부분적으로 끊어진 채 임플란트 의 장축을 따라 띠모양으로 형성되어 있고 녹색과 적 생의 동심원이 다수 나타나며 인접한 기존 골조직에 서 녹색이나 적색으로 시작되어 3-4개의 형광띠를 가진 동심원 구조가 자연치아군에 비하여 구별될 정 도로 많은 수가 나타났다(사진부도 8). 임플란트 하 단부에서 해면골의 골내막의 바깥으로는 골내막쪽 으로 녹색, 적색의 형광대가 층판으로 간간이 이어진 채 나타났다.

3. 실험군 Ⅰ군

치밀골과 접한 임플란트의 계면에서는 주로 적색 이 관찰되었으며 대부분 황, 녹, 적색의 동심원도 관 찰되었다(사진부도 9). 협측 변연골의 치조정에서는 녹, 적색의 형광대를 가진 동심원 구조가 나타나며 이 동심원의 적색띠까지 골흡수가 나타나 있었다(사 진부도 10). 하단부의 해면골에서도 황색의 형광대가 넓고 불규칙하게 분포한 가운데 계면에서는 녹색과 적색의 형광대를 가진 동심원 구조가 관찰되었으며 골내막쪽으로 녹적황, 또는 녹적황녹색의 순서로 길 게 선상의 형광대가 나타나 보였다(사진부도 11).

4. 실험 Ⅱ군

치밀골에 접한 임플란트의 계면에서는 적색과 황 색의 형광이 주로 관찰되었고 계면에 인접한 치밀골 부위에서는 황, 녹, 적색의 형광띠를 가진 완전한 형 태의 동심원이 다수 발견되었다(사진부도 12).

하단부에 접한 해면골에서는 황색, 녹색, 그리고 적색의 형광대가 일정한 구조를 가지지 못한채 불명 확하게 엉켜져 나타났다(사진부도 13)

5. 실험 Ⅲ군.

치밀골에 접한 임플란트의 계면에서는 황색과 적 색의 형광대가 불규칙하게 나타나며(사진부도 14), 해면골 부위에서도 황색, 적색, 녹색의 형광이 불규 칙하게 분포하여 전반적으로는 실험 Ⅱ군의 소견과 거의 유사한 양상을 보였다.

다. 형태계측학적 관찰

임플란트의 장축을 따라 측정한 골접촉률과 횡측 절단시편에서 얻은 임플란트 상단부의 골접촉률, 그 리고 vent내면을 포함한 하단부의 골접촉률을 계측 한 결과 장축절단면과 횡측절단면에서의 골접촉률은 각 부위별에서는 물론 각 시편마다에서도 매우 다양 하게 나타났으며 각 군과의 비교에서 통계적 유의차 는 보이지 않았다(Table 1, 2).

라. EPMA분석 소견

EPMA를 이용하여 칼슘, 인, 그리고 티타늄의 정 량분석을 시해하여 자연치아군과 대조군, 실험 Ⅰ,

Ⅱ,Ⅲ군을 각각 비교하여 본 결과 칼슘과 인은 자연 치아군과 각군의 비교, 그리고 각 군끼리의 비교에서 전부 유의차가 없는 것으로 나타났다(Table 3). 계면 에서부터 100㎛이내의 거리에서 칼슘과 인의 line profile을 비교한 결과 실험 Ⅲ군에서는 칼슘과 인의 비율이 거리에 관계없이 일정한 비율로 나타났으나 대조군, 실험 Ⅰ군, 그리고 실험 Ⅱ군에서는 칼슘이 계면에서 60-80㎛떨어진 곳에서 갑자기 증가된 양 상을 보였다(사진부도 15, 16, 17, 18). 티타늄을 정량 분석한 결과 모든 군에서 실험에 이용한 기기가 오차 없이 측정할 수 있는 수치 이하로 극히 미량이 검출 되어 판정할 수는 없었으며 티타늄의 X-ary mapping에서는 임플란트의 전장을 따라 계면에서 10㎛정도의 거리까지는 타부위에 비하여 높은 밀도 를 보였다(사진부도 19).

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Ⅳ. 총괄 및 고찰

악골조직내에 인공치근으로서 임플란트 이식하여 무치악 상태의 보철시술을 도모하고자 할 때 임플란 트, 인접조직 그리고 임플란트와 조직 사이의 계면등 의 많은 문제점들을 만날 수 있다. 임플란트를 선택 함에 있어서도 임플란트 재료의 생체적합성, 표면 처

리, 외형, 기계적 성질등을 고려하여야 하며 임플란 트가 이식될 골상의 형태와 건강도를 파악하고 임플 란트와 조직사이의 계면에 영향을 주는 외과적 술식, 초기치유기간 동안의 하중조건, 그리고 장기적 하중 을 위한 보철설계등, 임상에서의 성공적인 결과에 영 향을 줄 수 있는 이들 모든 인자들에 대한 전반적인 지식이 필요하다.

Table 1. Comparison of bone-to-metal contact(%), Total surface

Table 2. Comparison of bone-to-metal contact(%), Longitudinal surface and horizontal Surface

Table 3. Quantitative analysis of calcium and phosphorus

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본 실험에서 사용한 IMZ임플란트는 순수 티타늄 으로 제작되고 표면은 titianium plasma spray된 피개면으로 처리되어 있으며 이러한 피개면은 거칠 은 티타늄 표면을 형성하여 조골세포(osteblast)의 유착을 도와주어서 직접적인 골유착을 촉진하고^{(19, 55)} 표면적을 넓혀 골과 임플란트의 접촉을 양 6배이상 넓힐 수 있는 것으로 알려져 있다⁽¹⁰⁾. 반면에 plasma coated surface는 sandbalsted surface에 비하여 인장력에 견디는 힘이 약하며⁽⁶⁾임플란트에서부터 티 타늄이 여러형태로 떨어져나갈 수 있다는 가능성이 보고되고 있어 Gotfredsene등⁽²⁷⁾은 티타늄 plasma 가 석회화된 골조직과 하버스관(haversian canal) 내에서 발견됨을 보고하였고 Osborn⁽⁴⁸⁾은 titanium spray된 IMZ임플란트 에서 금속이온이 유리되는 것 을 발견하고 이것이 골형성를 방해할 수 있다고 하였 다. Schliephake등⁽⁵⁶⁾은 티타늄이 이온화 상태나 미 세입자 형태로 유리되어 인접 조직과 폐등의 실질기 관에서도 축적됨을 보고하고 티타늄이 유리되는데에 는 기계적 마모와 부식(corrosion)이 가능한 원인이 될 수 있다고 하였으며 Haider⁽³¹⁾는 유리된 티타늄 입자가 거대세포와 대식세포에 둘러싸여 있음을 관 찰하고 이는 시편제작시 떨어져나간 입자가 박혀있 는 것이 아니라 실험동물의 희생이전에 형성된 것이 라고 설명하였다. 본 실험에서도 광학 및 형광현미경 적 관찰에서 티타늄이 입자의 형태로 떨어져 나와 흡 수강(resorption cavity)과 하버스관내에 침착되어 있는 것이 관찰되었으나 유리된 입자주위로 대식세 포나 거대세포등의 조직소견은 찾아볼 수 없었으므 로 시편 제작시 떨어져 나온 것인지 아니면 살지 실 험동물에서 나타난 것인지 구별할 수는 없었다.

EPMA를 이용한 line profie및 장량분석에서도 티 타늄의 양은 분석기기가 오차없이 분석해낼 수 있는 최소값이 하고 측정되어 600㎛이내에서는 티타늄에 대한 X-ray mapping에서는 계면에서 약 10㎛의 범 위에서 임플란트의 전체표면을 따라 티타늄의 농도 가 현저히 높아진 것만은 확인할 수 있었다. 이는 임 플란트 이식후 부터 실험동물을 희생시킬때까지의 관찰기간이 Osborn⁽⁴⁸⁾은 3년인데 비하여 16주로서 비교적 짧았기 때문에 티타늄의 유리정도가 미미하 고 계면에 인접하여 극히 제한된 범위에서만 나타났 다고 해석해 볼수 있으며 여기에 대한 장기적인 관찰

이 필요하리라 본다.

광학 현미경적 소견에서 기능하중을 가하지 않은 경우 치밀골 부위에서 유골조직이 상당수 관찰되어 기능하중을 가한 실험군과 대조를 보였으며 특히 임 플란트의 하단 부위에 접한 골수직에서는 기능하중 시기가 빠를수록 골형성이 많이 이루어 졌으며 기능 하중 시기가 느릴수록 골수조직에서 섬유조직 증식 이 많이 관찰되었다. 대조군에서 많이 관찰되는 유골 조직은 골형성 과정의 초기에 나타나기 때문에 기능 하중 시기가 빠른 경우 골형성 시기도 빨라지며 골유 착 가능성도 더 많은 것으로 보여진다. 그러나 대조 군에서 일부 관찰되는 해면골 부위의 골수조직내의 섬유조직 증식부위에서는 골형성이 더 이상 일어나 기 어려우므로 기능하중 시기에 따른 임플란트 하단 부에 접한 골수조직의 반응에 대해서는 보다 더 집중 적이고 체계적인 연구가 필요하리라 사료된다.

Fluorochrome labeling procedure는 형광 약제 를 투여한 시기에 나타나는 석회화 조직을 나타내 보 이기 위하여 사용되는 방법으로 골개형의 시기와 방 향, 정도를 파악하는데 가장 효과적인 방법으로 알려 져 있다. Tetracycline은 칼슘 등 생물학적 활성이 강한 이온과 결합하는 능력을 가지고 있어서 새로이 형성되는 골조직에 침착되어 황색형광을 나타내며⁽²⁵⁾ 실험에 사용된 양에서는 해독성이 거의 없으며 특히 골형성속도에는 영향을 끼치지 않는 것으로 보고되 어 있어서⁽⁶⁰⁾형광분석법에 주로 사용되고 있으며 순 서를 구분해 보기위해 적색 형광의 Alizarin red S 와 녹색의 형광을 나타내는 Alizarin red S와 녹색 의 형광을 나타내는 Calcein등이 함께 사용될수 있 다. Alizarin red S는 골형성에 유해할 수 있어서 동 물희생전 마지막 약제로 사용하는 것이 바람직하다 고 하였다⁽⁴⁷⁾. 본 실험에서 실험동물 희생 3일전에 투 여한Alizarin red S는 염색된 연조직과 유사한 색을 띠어 구분하기에 어려운 점이 있으므로 차후 Alizarin red S를 형광 약제로 사용시 고려할 필요 가 있다고 하겠다.

임플란트 이식후 치밀골에서 계면이 형성되어 나 가는 과정은 초기에 망상가골(woven callus)이 형성 되고 이 가골(callus)은 망상골(woven bone)로서 하 중에 저항할 능력이 없는 상태이나 여기에서 lamellar compaction의 단계를 거치면서 하중을 견

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뎌낼 수있는 강항 골조직으로 바뀌어지게되며 이 시 기가 성견에서는 약12주, 사람에서는 약 18주정도가

된다^{(52, 53)}. Lamellar compaction이 완성됨과 동시

에 임플란트와 접한 기존의 치밀골의 계면에서는 수 술시 손상받은 사골이 골개형을 이루기 시작하면서 임플란트의 장기적인 유지에 필요한 강한 계면으로 바뀌어지게 된다. 따라서 임플란트의 초기치유기간 이 끝나고 상부구조를 연결하여 기능적 하중을 가할 수 있는 시기를 lamellar compaction이 끝나는 시 기로 보는 것이 두 단계 수술방법을 사용하는 임플랜 트에서 보편적이다.

임플란트 이식 후 실험동물의 희생시 까지 기능하 중을 가하지 않은 대조군의 형광 현미경적 소견에서 는 황색과 녹색의 형광대가 임플란트와 치밀골의 계 면에서 관찰되어 11주를 전후로 석회화가 일어났다 고 볼 수 있으며 6주째에 상부구조를 연결한 실험 Ⅰ 군의 형광현미경적 소견에서는 치밀골 부위의 계면 에서 녹색과 적색띠가 불규칙하게 나타나고 그 사이 로 황, 녹, 적색의 일차골원이 나타나므로 8주를 전 후하여 석회화가 시작되었고 계면에서의 골개형은 11주를 전후로 하여 일어났다고 추측해 볼 수 있다.

9주군과 12주군도 6주군과 유사하였으나 6주군에서 는 적색으로 시작하여 적색으로 끝나는 일차골원이 간혹 발견됨으로 차이를 볼 수 있었다. 이를 종합해 볼 때 기능하중을 가한 군이 하중을 가하지 않은 군 에비하여 석회화가 빨랐으며 조기에 하중을 가할수 록 그 시기가 빨라질 수 있다고 사료된다. 대조군과 각 실험군 모두에서 신생골과 인접한 기존골의 계면 에서 임플란트 이식후 5주째에 투여한 녹색의 형광 대로 시작된 완전한 형태의 동심원적 구조를 다수 발 견할 수 있었으며 이는 자연치아 주위에서는 드물게 나타나 확연히 차이가 났으나 하중군과 비하중군 사 이에서는 차이가 없었으므로 하중여부와는 관계없이 나타난 것으로 볼 수 있다. 이러한 양상은 Hoshaw 등⁽³⁴⁾의 보고와 일치하며 Frost(26)는 골개형이 활발 히 일어나는 부위가 많아지는 것은 외과적 수술이나 외상등의 자극에 의한 것이라고 설명하고 이러한 양 상을 RAP(regional acceleratory phenomenon)이 라 명명했다. 따라서 조기하중의 영향을 형광현미경 상에서 분석해볼 때 조기하중의 주위의 골형성을 방 해하지는 않으며 오히려 골개형을 촉진시켰다고 볼

수 있다. Block등⁽¹²⁾은 초기에 형성된 망상골에 기능 적 자극이 가해지면 오히려 골개형이 촉진되어 조기 에 층판골로 대치된다고 하였고 Clemow등⁽²¹⁾도 기 능적 자극이 골형성에 도움이 된다고 하였는데 본 실 험에서 나타난 형광 현미경적 소견도 조기하중이 주 위의 골형성을 방해하지는 않으며 오히려 골개형을 촉진시키는 것으로 보아 이들의 연구결과에 일치하 고있어 조기하중의 가능성을 고려해 볼 수 있다 하겠 다.

형광 현미경적 소견에서 하중을 가한 모든군의 변 연골에서는 골외막 하부에서 새롭게 형성된 선상의 형광대가 부분적으로 끊어진 것이 관찰되어 어느 정 도 골흡수가 진행된 것을 알 수 있었다. 골흡수 양상 은 설측보다는 협측에서는 주로 관찰할 수 있었고 특 히 실험 Ⅰ군의 협측에서는 불규칙하게 파괴된 양상 을 보이며 녹색과 적색의 형광띠를 가진 동심원의 일 부가 파괴된 것으로 보아 하중을 가한2주이후, 즉이 식후 8주이후부터 흡수가 시작된 것으로 추정할 수 있으리라 사료된다. 치조정부위에서의 골흡수는 흔 히 기계적인 원인과 연관되어 연구되어 왔으며^{(1, 30)} Quirynen등⁽⁶³⁾은 치태등에 의한 치은염이 없는 상태 에서 기능하중을 가한후 초기 1년 후에 1㎜이상의 과 중한 변연골 흡수가 일어나면 이는 명백히 과대하중 에 의한 것이라고 결론을 내렸고 Lindquist등⁽⁴²⁾도 구강 위생 상태와 과도한 하중이 변연골 흡수의 주요 원인이라고 주장하였다. Adll⁽¹⁾은 변연골의 흡수는 골조직이 임플란트에 가해진 하중에 대해 골개형이 이루어지지 않은 상태에서 조기하중을 받았을 때 하 중분산이 부적절히 나타남으로서 변연골에 하중이 집중되기 때문이라고 설명하였고 Haraldson⁽³²⁾도 이 부위에서의 하중의 집중을 보고하였으나 본 실험 에서는 성견의 저작형태가 수직운동중심이고 측방운 동은 거의 일어나지 않으며⁽⁴⁹⁾자연치아의 형광현미 경적 관찰에서 나타난 바와 같이 하악 구치에서 협측 으로는 치아쪽으로 골형성이 일어나고 설측에서는 골외막 하부에서 골형성이 일어나 자연치아에서는 설측방향으로 하중이 가해지는 것을 알 수 있으며 하 악치아가 상악치아에 대해 설측으로 위치되는 성견 특유의 교합형태로 보더라도 임플란트에는 설측으로 교합형태로 보더라도 임플란트에는 설측으로 저작압 이 가해지리라 사료되는바 하중이 협측 치조정에만

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집중된다고 추론하기는 어렵다. 조기하중을 가한 실 험Ⅰ군에서 특히 협측에 심한 골흡수가 나타난 것은 상하악치아 협설측으로 엇갈려 맞물리는 교합형태에 서 볼 때 저작시 협측 치조정에 음식물에 의한 자극 이 하중에 저항할 준비가 되지않은 상태의 골조직에 유해하게 작용했을 가능성을 생각해 볼 수 있다. 여 기에 이차 수술시 치조정상에서 절개하여 골막에 손 상을 줌으로서 골막하에서의 골조직 형성에 장애를 초래했을 수 있으며 Hoshaw등⁽³⁵⁾은 이차 수술시의 외상, 즉 cover screw의 제거등의 술식이 변연골 흡 수의 주원인이라 하였으며 Roberts⁽⁵⁹⁾는 수술시 골 막에 손상을 가하면 임플란트 주위의 가골형성에 나 쁜 영향을 초래한다 하였다.

본 실험에서 대조군과 하중을 가한 실험군을 비교 하였을 때 각 실험군마다 차이는 있으나 대조군에 비 해서는 전박전으로 변연골부위에서 골흡수가 지행된 것으로 보아서 지대치 장착을 위한 이차 수술시 치조 제 정상에서 행한 절개에 의한 흡수를 가속시키는 이 차적인 원인의 하나로 작용할 수 있다고 사료된다.

임플란트와 골조직과의 정확한 접촉관계는 골유착 을 이루는데 중요한 역할을 한다.

Roberts⁽⁵¹⁾는 임플란트가 치밀골의 견고한 골상에 확고히 고정된다면 직접적인 골유착은 조기하중하에 서도 일어날 수 있다고 하였으며 Skalak⁽⁵⁷⁾은 screw 형태의 임플란트를 사용할경우 계면에서의 높은 압 축하중 때문에 골과의 결합이 일어나지않은 상태에 서도 인장력을 견뎌낼 수 있으며 따라서 screw형태 의 임플란트는 조기하중하에서도 골유착이 일어날 술 있다 하였다. 그러나 Haider⁽³¹⁾는 초기에 얻어진 골과의 긴밀한 접촉관계는 임플란트의 초기 안정에 는 필수적이기는 하나 특히 치밀골에 이식된 IMZ같 이 미세표면구조를 가진 임플란트 에서는 오히려 치 유과정을 저해할 수도 있다고 하였다.

Albrektsson과 Jacobsson⁽⁶⁾은 골유착성 임플란 트의 성공을 위해서는 치밀골 부위에서의 직접적인 골유착이 90-95%는 되어야 한다고 하였으며 Deporter등⁽²²⁾은 coronal, middle그리고 apical region에 따라, 또한 하중조건에 따라 골접촉률의 차이가 많은 것을 보고하였고 임플란트의 골접촉률 에 관하여서는 그외에도 많은 연구 결과가 보고되고 있다(8, 12, 28, 27, 29, 50, 57). Titanium coated IMZ임플란

트에서 골접촉률을 대조군과 실험 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ군에서 측정하여 비교한 결과 각 군사이에 통계적 유의차이 가 없는 것으로 나타났으나 임플란트가 이식된 부위 와 방향등에 따라 변화가 심하면 특히 일부 시편에서 는 임플란트의 하단부위까지도 완전히 치밀골에 위 치하는 경우도 있어 같은 군내에서도 차이가 많은 것 을 볼 수 있었다. Ettinger등⁽²⁴⁾이 주장한 바와 같이 임플란트와 골조직과의 계면은 역동적이고 삼차원적 개념으로 이해하여야 하면 골접촉률은 현시점에서 임플란트와 접촉하는 골조직의 상황에 따라 항상 변 화할 수 있으므로 골접촉률은 많은 변수와 함께 고려 되어져야 하리라 보며 광학 현미경상에서의 골접촉 률 측정은 시편의 두께로 인하여 겹쳐 보이게되어 골 접촉의 판정상 오류를 범할 가능성이 많으므로^{(38, 64)} 보다 정확한 판정을 위해서는 high resolution microradiography등의 보다 정확도가 높은 계측방 법이 요구된다 하겠다.

EPMA를 이용한 정량분석법은 무기물과 유기물의 미세분석에 사용되면 시편의 조성에 대한 정보를 1㎛

의 범위에서 얻을 수 있으며 동시에 X-ray scanning picture를 얻을 수 있는 장점이 있으나 생 물학적 시편을 분석시 연조직과 경조직이 함께 섞여 있는 등, 그 특성상 실지의 10%±의 정확도를 나타 낸다⁽³⁶⁾. 임플란트와 골조직과의 계면에서 EDX(The energydispersive x-ray spectrometer) 분석을 통 한 티타늄, 칼슘, 그리고 인의 정성분석은 시도된 바 있으나⁽¹⁸⁾본 실험에서는 EPMA를 이용한 칼슘과 인 의 line profile과 정량분석을 통해 임플란트에서 600㎛이내의 골조직에 대한 석회화 정도를 비교하고 X-ray mapping을 통해 티타늄이 조직내에 유리된 위치를 확인하여 광학및 형광 현미경적 소견을 보완 하기 위해 시도한 결과 칼슘과 인은 대조군과 실험군 모두에서 유의차가 없는 것으로 나타나 석회화정도 에는 차이가 없었으나 임플란트 주위와 자연치아 주 위를 비교했을 때 칼슘은 100㎛에서 자연치는 24.25, 임플란트는 평균 20.49, 300㎛에서 23.77과 20.43, 그리고 600㎛에서는 22.08, 20.62가 측정되 었고 인은 100㎛에서 22.08, 20.62가 측정되었고 인 은 100㎛에서 12.14과 10.08, 300㎛에서 11.08과 10.42, 그리고 600㎛에서는 11.37과 10.69로 측정되 어 통계적 유의차는없으나 10%±의 정확도를 고려

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해 볼 때 임플란트 이식후 16주까지는 자연치아의 주 위 골조직에 비해서 비교적 석회화 되지 못했다고 볼 수 있다.

광학과 형광 현미경적 소견, 형태계측학적 분석, 그리고 EPMA를 이용한 정량분석을 통하여 나타난 결과들을 분석해 볼 때 titanium plasma spray된 IMZ 임플란트를 성견에 이식하여 조기에 기능하중 을 가할 경우 골유착에 방해를 일으키지 않으며 오히 려 골형성을 촉진시킬 수 있었으나 본 실험에서는 정 상적인 치아형태를 가진 완전한 구조의 상부구조를 사용한 것이 아니라 stimulation을 줄 정도의 상부 구조만을 사용하였으므로 임상에서 보철치료 시기를 결정하기에 있어서는 한계적 범위 내에서 참고할 수 있으리라 보며 하중조건을 다양히 하고 장기적인 관 찰을 통한 보다 많은 연구가 계속 이루어져야 하리라 본다.

Ⅴ. 결 론

본 연구는 기능하중을 가한 시기가 임플란트 주위 의 초기 골조직 형성에 어떤 영향을 끼치는지를 보기 위하여 titanium plasma spray된 원통형의 IMZ임 플란트를 성견의 하악 소구치 부위에 이식하고, 6주 에 지대치를 연결시켜 기능하중이 가해지도록 한 것 을 실험 Ⅰ군, 9주는 실험 Ⅱ군, 그리고 12주는 실험

Ⅲ군으로 하고 실험동물 희생까지 기대치를 연결하 지 않은 군을 대조군으로 하여 비교하고 임플란트 후 방의 자연치아와 임플란트의 주위 골조직을 비교하 기위하여 광학 및 형광현미경적 관찰을 하고, 광학현 미경을 이용하여 형태계측학적 관찰을 하였으며 EPMA를 이용하여 티타늄, 칼슘, 그리고 인의 line profile 및 정량분석을 시행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 광학현미경적 소견에서 치밀골 부위에서는 하 중을 가하지 않은 군에서 유 골조직이 더 많이 관찰되었고 해면골에서는 하중시시가 빠를수 록 골형성 정도가 현저하였다.

2. 석회화 및 골개형 시기는 기능하중을 가한 경 우가 빨랐으며 그 중6주군이 가장 빨랐다.

3. 변연골 흡수는 6주군에서 가장 심하게 나타났 으며 주로 협측에서 관찰되었다.

4. 임플란트 계면에서의 골접촉률은 각 군간에 유 의차가 없었다.

5. EPMA를 이용하여 칼슘과 인을 정량분석한 결 과 각 군간, 거리간의 유의차가 없었다.

이상의 결과를 토대로 초기 치유기간동안 조기에 기능하중을 가할수록 골유착을 방해하기 보다는 오 히려 골형성을 촉진시킨다고 볼 수 있으나 실험기간 이 16주로서 비교적 단기간이었으며 임플란트의 상 부구조가 정상적 해부학적 구조를 갖추지 않았고 교 합면에서의 직접적인 치아 접촉으로 나타나는 하중 이 아니었으므로 하중조건을 고려한 보다 장기적인 연구관찰이 필요하리라 사료된다.

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(15)

논문사진부도 설명

<광학현미경적 소견>

CB : 치밀골, MS : 골수장, OB : 조골세포, TB : 골소주, I : 임플란, OT : 유골조직.

사진부도 1. 대조군. 횡축절단시편에서 골접촉이 양호하게 일어난 것이 관찰된다(×10).

사진부도 2. 대조군, 유골조직이 조골세포와 함께 관찰된다.(×50).

사진부도 3. 대조군, 일부 골소주가 임플란트에 부착된 것이 관찰된다(×10).

사진부도 4. 실험Ⅰ군. 종축절단시편에서 전반적으로 골접촉이 양호하게 나타났다(×3.3).

사진부도 5. 실험Ⅰ군. 횡축절단시편에서 대조군에 비해 골접촉이 잘 일어난 것이 관찰된다(×10).

사진부도 6. 실험Ⅱ군. 대조군에 비해 골수조직에서 골접촉이 많이 된것이 관찰된다(×10).

<형광현미경적 소견>

CG : 치밀골, MS : 골수강, I : 임플란트, PO : 일차골원, SO : 이차골원, PBG : 골막하 골성장, T : 자연치 아, PL : 치주인대.

사진부도 7. 자연치아군. 골외막 하부에서 층판의 형광대가 관찰되었다(×100).

사진부도 8. 대고군, 황색과 녹색의 형광이 주로 관찰된다(×100).

사진부도 9. 실험 Ⅰ군. 주로 적색의 형광이 관찰되며, 4층의 동심원이 보인다(×100).

사진부도 10. 실험 Ⅰ군. 협측 변연골의 치조종에서 골흡수 양상이 관찰된다(×100).

사진부도 11. 실험 Ⅰ군. 골내막 하부에서 규칙적인 선상의 형광대가 관찰된다(×100).

사진부도 12. 실험 Ⅱ군. 적색과 황색의 형광이 주로 관찰된다(×100).

사진부도 13. 실험 Ⅲ군. 황, 녹, 적색의 형광이 복잡하게 엉켜져 관찰된다(×100).

사진부도 14. 실험 Ⅲ군, 황색, 녹색이 주로 관찰된다(×100).

<EPMA>분석

Ca : 칼슘, I : 임플란트, CB : 치밀골, P : 인.

사진부도 15, 대조군. 칼슘과 인의 line profile.

사진부도 16. 실험 Ⅰ군. 칼슘과 인의 line profile.

사진부도 17. 실험 Ⅱ군. 칼슘과 인의 line profile.

사진부도 18. 실험 Ⅲ군. 칼슘과 인의 line profile.

사진부도 19. 티타늄의 X-ray mapping. 10㎛의 거리에서 티타늄의 높은 밀도를 보인다.

(16)

논문사진부도 ①

Fig. 1

Fig. 3 Fig. 4 Fig. 6

Fig. 2

(17)

논문사진부도 ②

Fig. 1

Fig. 3 Fig. 4 Fig. 6

Fig. 2

(18)

논문사진부도 ③

Fig. 15 Fig. 16

Fig. 17 Fig. 18

(19)

=Abstract=