기고

티타늄 임플란트의 자외선 광조사기능화
(Photofunctionalization)

임플란트를 이용한 보철적 치료의 성공률을 높이고 적용범위를 확대하기 위해 티타늄 표면의 거칠기 조절 및 생체 활성화에 관한 많은 연구가 활발히 이루어져 왔다. 그러나 이러한 노력에도 불구하고 임플란트 표면의 골유착 및 제어에 대한 생물학적 이해는 아직 부족한 실정이다. 예를 들어, 골-임플란트 접촉 비율은 이상적인 100%와는 다소 거리가 있는 45±16%나 50~65%에 머무르고 있다. 이러한 기본적인 골유착의 기전이 밝혀지지 않는다면 골유착 치유시간의 단축, 골대사성 전신질환 환자에 대한 치료, 보다 짧은 임플란트의 최소 침습적 적용 등이 불가능할 것이다.

# 표면처리 노화로 골유착 떨어져

최근 일련의 연구들은 표면처리 후 시간이 지남에 따라 골전도성과 티타늄의 생물학적 기능이 상당히 변화한다고 보고하였다. 티타늄의 노화로 정의하는 생물학적 기능 저하에 대한 보고는 전례 없는 과학적 자료이며 임플란트 연구 및 임상 적용에 큰 파장을 줄 것으로 생각한다. 이러한 현상을 이해함으로써 골유착 정도가100%에 도달하지 못하는 이유와 향후 임플란트 표면을 개선하기 위한 획기적인 통찰력을 제시하였다.

티타늄의 노화문제를 해결하는 방법의 일환으로 미국UCLA 오가와 교수팀과 함께 티타늄 표면에 자외선을 이용한 광조사기능화(Photofunctionalization)방법을 연구하게 되었다. 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 노화문제의 주 원인으로 생각되는 여러 유기불순물들이 제거됨에 따라 조골세포의 부착, 확산, 증식 및 분화를 촉진시키며, 알부민 또는 피브로넥틴과 같은 단백질의 흡착정도가 향상되는 결과를 여러 연구를 통해 보여 주었다.

# 자외선 조사시 초기 고정력 1.5배 증가

일련의 연구 결과를 통해 밝혀진 자외선 조사로부터 얻을 수 있는 많은 장점들에 착안하여 필자는 임상에서 성공적으로 사용되고 있는 SA(Sandblasted with alumina and Acid etched) 표면 임플란트를 대상으로 자외선을 조사하여 이것이 골유착에 미치는 영향을 알아보았다. 현재까지 발표된 자외선 조사와 관련된 연구가 대부분 실험실 연구이고, 동물을 이용한 실험은 백서(Rat)에 한정되어 있다는 한계점을 극복하고자 본 연구에서는 성견을 대상으로 그 효과를 알아보았다.

이 연구 결과에 따르면, 자외선을 조사한 임플란트에서 통계적으로 확연히 향상된 골유착 정도를 나타내었다. 임플란트의 초기 고정력이 약 1.5배정도 증가하였으며 임플란트 표면의 골유착정도가 피질골에서 95%으로 증가되었고 광학 현미경상에서 자외선 처리를 한 임플란트에서 나사산 뿐만 아니라 나사골 부위에서도 골조직이 관찰되며 보다 연속적인 형태의 향상된 골결합 양상을 보여주었다. 또한 형광물질을 투여한 실험에서 자외선 조사가 티타늄 임플란트상의 신생골 형성에 큰 영향을 주었다. 특이할 만한 발견은 기존 임플란트에서 관찰되었던 초기 골 소실이 현저히 줄어 들고 잇몸하방의 피질골에서 안정적으로 골융합이 이루어지는 것이 관찰되었다. 이는 임플란트 시술 후 발생할 수 있는 치은 퇴축으로 인한 심미적인 문제를 해결하는데 큰 도움이 될 것으로 생각된다.

# 임플란트 최소 침습적 적용 가능

결론적으로 임플란트 표면에 자외선을 조사시키는 새로운 시술은 기존 티타늄 표면의 생물학적 노화현상 등에 의해 제한적일 수 밖에 없었던 골융합을 현저히 개선하여 임플란트 치유시간의 단축, 골대사성 전신질환 환자에 대한 확대된 치료, 그리고 불량한 골질에서 부가적인 골이식 등을 배제한 짧은 임플란트의 최소 침습적 적용 등이 가능하게 될 것이다. 따라서 자외선 광조사기능화(Photofunctionalization)방법은 치과 뿐만 아니라 정형외과영역에서 임플란트의 사용 범위를 보다 안정적으로 확대시키고 그에 따른 건강증진에 크게 이바지 할 것으로 생각된다.   
 
※ 이 글은 본지 편집방향과 다를 수 있습니다.

이재훈
연세치대 보철과 교수