[장상건 박사의 지상강좌] 최적의 인공치아의 조건은
<1755호에 이어 계속>
7. Changing Implant
“인공치아의 최상의 조건은 biocompatible material로 된 one body type의 일정한 길이의 biologic width를 가질 수 있는 인공치아가 최상의 인공치아이다.”라고 저자는 가정한다.
초기의 인공치아는 구조적인 문제와 표면처리의 문제로 많은 실패를 가지고 왔다. 구강내의 생리학적 기능에 적합할 수 있는 구조라기보다는 골과의 결합과 screw의 loosening예방과 abutment connection에 관한 사항과 보철학적인 방법의 연구에만 집중하여 거의 1990 년 후반까지 bio-functional mechanics에 관한 구조적 변화를 이루는데 많은 연구논문이 발표되었으며, 주로, 인공치아시술의 임상적 진일보를 이룬 다양한 surgical technique위주로 발전되어 왔다.
Carl E. Misch et al등은 J Periodon 2001;72:1276-1286에 발표한 문헌을 통하여 생체공학적 인공치아의 부하에 따른 선정된 골세포반응의 문헌적 고찰과 실험에서, 인공치아를 통하여 골세포에 가해지는 microstrain은 그 정도에 따라 bone remodeling rate가 달라지며, 정상적인 골세포의 활동 범위 내 부하를 가했을 때, bone turn over rate가 5microns/day를 넘지 않는다고 하였으며, 전자의 문헌과 동일한 결과를 얻었다고 보고 하였다.(그림15) 또한 이러한 결과를 바탕으로 bone remodeling rate는 bone to implant interface의 biomechanical condition을 결정짓는 척도로서 이용되며, 이러한 요소에 영향을 주는 원인과 인자는 1. loading conditions 2. implant의 design, 3. implant의 surface treatment등이라고 설명하고 있다.
1). implant 외형의 변화
1995년 Carl Misch는 bone quality에 따른 implant design의 변화를 주어 , Bioengineered implant system인 Maestro Implant을 개발하였다. 그의 내용을 보면, 모든 인공치아는 highest density bone을 제외하고는 trabecular bone으로 둘러쌓이게 되고, 이 trabecular bone의 특성은 최고의 강도와 탄성계수범위의 cortical bone의 구성으로 인하여 Frost"s mechanostat condition의 microstrain value에 적응하도록 되어있다. 이와 같은 bone 내 인공치아는 골재생을 위한 정상적인 bone remodeling rate(BRR)를 위하여 bone to implant interface에서 pathologic 혹은 mild overload zone 에는 미치지 않는 상태의 design이여야 한다는 개념으로 threads의 design이 axial force에 대해 shear loading을 감소시킬 수 있는 square design으로 threads형태 변모시켰다. 이러한 개념과 함께 연구가 들은 인공치아의 외형을 threads의 design의 크기, pitch의 변화, primary stability concept등과 surgical technique을 조화시키면서 v-shape에서 변모되어 왔다.
2007년 Heng-Li Huang et al 등은 3차원적인 유한요소법에 의한 stress 분산을 위한 인공치아의 외형의 design에서 parallel sided(cylindric) implant 외형에서 threaded implant(triangle 혹은 square 관계없이)가 crestal bone에서 peak stress가 증가 하였으며, stepped implant의 bone stress는 cortical bone에서는 감소하고 trabecular area에서는 증가하고, threaded and stepped implant에서는 threads와 steps의 valley에서 interfacial stress가 감소하고, taper design은 cortical area에서 32%까지 stress가 감소하며 trabecular region에서는 17%정도 감소한다고 보고 하였다. 이러한 실험결과를 바탕으로 인공치아의 외형은 현재 거의 tapered form의 square threads 구조를 취하고 있다.
2). titanium implant의 roughed surface 와 machine collar의 변화
8. 표면처리
인공치아는 bone 내에서 골세포의 부착능력에 따라 초기healing rate가 증가하며, 이 골세포의 반응은 표면의 화학적, 형태학적 요소에 따라 좌우되며(Kasemo B. Laumaa et al; J Biomed Mater Res 1988:145-158), cell differentiation 과 secretion은 surface irregularities와 roughness에 따라 영향을 받는다(Martin JY et al J Biomed Mater Res 1995;29:389-401)라고 보고 하였다.
거칠기를 위하여 machined titanium surface의 첨가 혹은 표면의 일부를 제거하는 방법을 이용하며, 첨가법으로 TPS 혹은 HA plasma coating방법은 더 많은 단점으로 인하여 최근출시제품이 줄어들었다. 주로 거칠기를 위하여 blasting 후 acid etching의 다양한 방법을 구사하고 있다. 이러한 다양한 기술에 따라 roughness rate는 다양한 화학적 구성과 형태학적인 특징을 가지고 온다.
그리고 Clara Cassinelli et al 등은 표면의 오염으로 인한 화학적 성분의 잔류 효과는 표면처리된 인공치아의 surface topography보다 먼저 나타나므로 특별한 특징 없이 표면처리 그 자체하나로만으로는 그 효과를 정확하게 설명되어질 수가 없다고 보고하였다. (INT J ORAL MAXILLOFAC IMPLANTS 2003;18:46-52) 그러므로 세정과정의 처리 결과에 따라서는 독성이 강한 불순물질이 표면에 잔류하거나, 금속의 합금 또는 제조공정상 불순물 등이 남아 골유착을 지연시켜 BIC level을 낮추거나 최악의 경우, implant와 host bone사이에 fibrous tissue가 게재하여 골유착이 일어나지 않은 원인이 된다.(그림 16.)
titanium surface의 처리방법에 따른 human mandibular osteoblast의 cell attachment의 능력과 분화에 관한 실험으로 TPS, 기계절삭한 표면, 그리고 절삭한 표면에 다양한 입자의크기의 Al2O3 (Ø100μm, Ø150μm), 그리고 ZrO2로 (Ø60μm, Ø120μm)로 각 각 blasting 하여 acid etching 한 후 세포배양을 한 후 24시간, 6일, 12일 후 전자 현미경적 조직 검사를 통하여 세포의 형태, 수, 분화(Alkaline phosphatase activity ALP)도 등을 측정하여 상호 비교하였다. 그 결과, 세포의 밀도와 adhesion property를 나타내는 growth curve는 smooth surface 및 TPS보다는 SLA type이 월등히 유의성이 있었으며, SLA표본에서도 많은 세포수를 관찰할 수 있었지만, ZrO2 Ø60μm으로 blasting 후 산 처리한 disk가 세포수가 가장 많았으며, ALP activity도 가장 높아 세포의 분화가 빠르게 진행되었다고 보고 하였다. 또한 그들의 best micro-roughness정도는 75%정도의 7μm~10μm을 가진 표본이였으며, roughness정도만 가지고 세포의 부착능력을 가늠할 수 없었으며, TPS 와 Smooth surface의 표면에서 다수의 세포수는 증가 하였지만, enzyme activity는 가장 낮아 세포의 분화정도가 가장 늦었다. 그들의 결론은 roughness의 depth의 크기, irregularity의 분산도(균일한 거칠기), cavity의 형태, 그리고 treatment도중 잔류 할 수 있는 오염물질 등이 세포의 활동에 중요한 요소가 된다고 하였다.
2007년, Jiri Protivinsky et al 등은 chemically modified titanium 의 protein absorption 과 osteoblast precursor cell behavior관찰에서 titanium 표면의 composition과 morphology는 protein absorption과 관련이 있으며, blasting and acid etching sample에서는 machined 및 alkali etching에 비해 fibronectin 흡수도의 친화력이 높았으며, sodium hydrogen(NaOH)의 Alkali etching 시편의 조직배양에서 protein absorption, ALP activity, osteocalcin production의 유의성이 다른 시편에 비해 높게 나타났다.
cell adhesion process는 인접세포들이 얼마만큼 잘 달라붙을 수 있는지의 능력에 따라 인공치아표면의 특성이 결정되는 아주 중요한 처리방법에 속한다. 지금까지 tissue-implant interface 간의 세포의 접착능력과정을 증진시킬 수 있는지 그리고 얼마만큼의 표면이 적당한지에 대하여서는 잘 알려져 있지 않다. 세포가 biomaterials에 착 달라붙는 능력 접착능력은 biomaterial의 표면의 흡입력(wettability)에 의존한다. 흡착능력은 특별한 액체를 표면에 적용시켰을 때 biomaterial 과의 contact angle을 측정( 0.175%농도의 ammonium hydrogen fluoride (NH4F-HF2)를 이용 static water contact angle assay로 평가하여 wettability의 능력을 세포친화예상지수(predictive index of cyto-compatibilty) 평가를 하게 된다.
골세포의 부착과 흡입능력을 증가하기위하여 titanium surface를 chemical modification할 경우 tissue adhesion 및 migration을 통하여 bony apposition이 증가한다고 보고하고 있다. 그러나 세포의 biochemical response에 대하여 oxide thickness, oxide crystal structure, surface topography, 그리고 골내 인공치아가 들어간 후의 dynamic surface changes에 대하여서는 거의 알려져 있지 않다.
hydrophilicity가 골세포의 initial biological cascade작용에 중요한 부분으로 인식되어 Buser D, Broggini N,Wieland M, et al.등은 인공치아를 만드는 과정 중 일정한 표면처리과정 중 외부로부터 인공치아를 보호 할 목적으로 isotonic water에 보관하여 세포반응 검사도중 초기 bone healing rate가 증가함을 발견하고, 실험을 통하여 hydrophilic TiO2 surface가 체내 protein adsorption증진으로 세포의 부착능력을 향상시켜 줌으로써 bone apposition에 중요한 역할을 한다고 보고 하였다. (Enhanced bone apposition to a chemically modified SLA titanium surface. J Dent Res 2004; 83:529-533.)
또한, Takashi Sawase, et al 등은 실험을 통하여 아래와 같은 결과를 발표하였다. anodized porous implant의 표면이 여전히 ultraviolet irradiation 후에도 photocatalytic hydrophilicity가 부족하고 bone apposition 능력이 충분치 못하다고 인정하고, anodized titanium surface TiO2 에 fluoride modificaton을 통하여 다공성의 titanium 표면에 photocatalytic properties 증가 시킨 후 pluripotent mesenchymal cell line, C2C12, 을 표본에 배양하여 cell attachment, morphology, and proliferation등을 관찰한 결과, 배양30분후 세포의 부착율이 ultraviolet-irradiated, fluoridemodified anodized TiO2 (p < .05)표면이 월등히 높은 비율을 보이며, 동시에 scanning electron microscope의 관찰에서 세포의형태가 납작하고 수평으로 확대되어 퍼진 형태를 취하고 있었으며, 24시간 후의 세포증식율은 control group에 비해 fluoridemodified anodized TiO2 처리 표면이 월등히 높음을 발표하여 hydrophilic property가 있음을 증명하였다.
Ryo Jimbo et al 등은 UV-irradiated TiUnit implant (Nobel Biocare AB,Goeborg, Sweden) 의 hydrophilicity는 단순 anodized TiUnit implant에 비해 contact angle 이 44°에서11°로 현격하게 흡착력을 보였지만, 동물실험에서 UV-irradiated anodized implant가 조직학적인 변화가 없음을 인지하였다. 이는 불충분한 anatase crystallinity가 원인임을 밝히고, 충분한 anatase crytallinity를 높이기 위하여 F-doping of photocatalytic TiO2 의 한 방법으로 fluoride modification을 적용하였다. Yu 등은 fluoride ions은 brookite 형성을 억제하고 anatase에서 rutile 로 변환되는 것을 막아 F-doped TiO2 samples은 UV-visible range에서 강력한 흡수력을 나타낸다고 하였다. 여기에 착안한 Ryo Jimbo et al 등은 the 0.175% NH4F-HF2 treatmented specimen이 0%-0.2%농도 가운데 가장 높은 hydrophilicity를 나타낸다고 보고 하였다.
한편으로, plasma HA coating의 단점을 보완하는 thin(1μm-5μm) calcium phosphate 와 HA coating 방법이 bone-implant osseointegration 영향에 대한연구 결과를 보면, Sunho Oh et al 등은 In vivo evaluation of hydroxyapatite coating of different crstallinities에서 supersonic particle technique(SPA)를 이용하여 만든 70% HA Crystalline coating이 30%, 50%, 90% crystalline coating 보다 골내이식 후 3주와 9주에서 bone to implant interface의 더 강한 결합을 이루며, 가장 긴 골접착 길이를 보였으며 유의성이 있다고 하였다. SPA 방법으로 만든 HA coating implant는 plasma coating 방법보다 early bone formation 과 bone bonding 효과가 우수하다고 하였다.
최근, collagen coated implant의 실험적 논문에서 bone to implant interface의 bone maturation과 mineralization 증가를 보였다고 문헌보고가 있고 growth factor와 함께 BMP coating 역시 초기 healing rate를 증가 시킨다고 하였다.
인공치아의 표면처리방법은 아직도 더 많은 검증을 거쳐 임상적으로 완성되어야 하며, 인공치아의 경쟁력의 우위를 점하기 위하여서는 우리나라의 manufacturer도 R &D 분야에 더 많은 투자를 하여야 한다고 저자는 생각하고 있으며, 치과의사 user들도 인공치아의 선택에 각 회사의 경쟁적 광고보다는 스스로의 판단능력을 향상시켜야 한다고 저자는 권고 하고 싶다.
9. 더 많은 연재거리와 의문점을 남기면서
인공치아의 시술에는 너나 할 것 없이 왕도가 없다고 여기며, 새로운 문헌의 보고를 참고로 하고(최근에는 상업적 문헌보고도 많이 출현하고 있음) 새로운 임상적 기술과 쏟아져 나오는 회사별, 그리고 골이식재의 종류와 그 accessory등을 분별하여 사용되어져야 한다. 어제의 이론과 지식이 언제까지 지속이 될지는 모르지만 오늘의 새로운 연구와 발표에 밑거름이 되듯이, 지속적이고 꾸준한 정보의 기회가 없다면 인공치아시술은 금방 뒤떨어진다고 저자는 생각하고 있다. 그 이유로, 수많은 도전적 임상접근법과 새로운 발명과 이론은 하루가 멀다않고 우리가 쉬는 동안에도 지구의 저편에서는 계속되고 있기 때문입니다. 저자 역시 마찬가지지만, 물론, 우리 모두가 전문가는 될 수는 없지만 내가 지금 어디에 서 있는지는 분명히 알아야 하기 때문입니다.
10. 인공치아의 미래
bio-compatible materials 다양성과 함께 기존의 CP titanium, titanium alloy, zirconium 등의 장기간의 조직.임상학적인 결과가 뒷받침되면서 더 많은 임상적 적용 후 정리가 될 것으로 예상되며, surgical procedure도 더 단순해질 것으로 예상된다.
현재 인공치아 진료의 모순점을 몇 가지 더 짚고 가자면,
1. 모든 인공치아는 one body type의 즉시 인공치아의 방법이 대두될 것입니다.
2. 지난과거는 osseointegration 이라면, 다음주제는 implant neck collar의 fibrointegration입니다. 이는 장기간의 survival rate에 중요한 요소로 작용되기 때문입니다.
3.single, free standing restoration 위주가 되어야 함에도 우리는 splinting mannerism에 빠져있다는 것입니다.
4. 인공치아의 인상채득법은 너무나 많은 오차를 만들고 있다는 것입니다. 미래의 인공치아는 인상채득이 필요하지 않을 것입니다.
5. early loading 과 progressive loading이라는 점진적 부하는 즉시부하의 골재생 이론과 임상적 결과로 인하여 더 이상 무의미 하며, 인공치아의 골계면의 골재생은 주변 인접골과 같은 bone remodeling rate보이는 lamellae bone의 density를 위하여서는 일정한 시간이(지금까지는 약 12개월) 필수적으로 기여하여야 한다는 사실입니다.
6. screw retained prosthesis는 제외하더라도, 영구보철의 방법으로 repair과정이 너무나 힘이 들거나 많은 새로운 치료비가 추가 된다는 것입니다. 짧은 시간동안 chair side에서 repair가 이루어져야 한다는 사실입니다.
7. bone defected site의 graft를 위하여 GBR technique는 항상 필요치는 않다는 사실입니다. 경우에 따라, 골내에서 membrane은 material의 degradation 정도와 vascular regeneration과 함께 생각하여야 한다는 것입니다.
8. 성공적 인공치아의 설명 중에는 bone loss 이외 bone gaining내용도 이 포함되어야 할 것 같습니다.
저자의 생각으로 더 흥미롭고 더 규명해야 할 사항들이 더 많이 있지만, 이 모두가 학술적 뒷받침과 임상적 data를 근거로 하여야 하기 때문에 위의 내용들은 의견의 일치를 이룰 수가 없다고 여기지만 생각이 곧 현실임을 과학의 역사가 증명하고 있다고 저자는 생각합니다.
그동안 연재된 글을 읽어 주신데 대해 감사를 드립니다.
사진설명
<그림 15> 인공치아의 이식 후 골조직의 재생 과 정상기능동안 골세포는 외부의 환경적 요인으로 골세포의 remodeling 이 생기는데 위의 인공치아 주위의 붉은 동심원은 lamellae bone의 구성을 의미하고, 좌우의 over stress는 골조직의 파괴를 의미하며, 인공치아의 정상적인 기능은 정상적인 bone remodeling rate(BRR) 한계 내(화살표)에서 영구적 기능을 보장받을 수 가 있다.
<그림 16> 부분 세정된 인공치아의 표본의 SEM images (300)
(위) conventional (15 kV accelerating voltage) image에서는 clean 한 상태로 보인다; (아래) same field of view obtained in LV-SEM mode (2 kV accelerating voltage). 그러나 이 모드에서는 불순물이 잔류되어 있다.
