순환 석회화전처리가 Ti-6Al-4V 합금제 교정용 미니스크류의 생체활성도에 미치는 영향

서 론

교정적 고정원을 위한 미니스크류는 기존에 얻기 힘들었던 고정원을 환자의 최소 협조 만으로도 가능하게 함으로써 교정치료를 단순화시키는 유용한 도구로서 치과임상에서 널리 사용되고 있다. 식립과정이 간편하고, 보철수복용 임플란트에 비해서 가격이 저렴할 뿐만 아니라 immediate loading이 가능한 등의 다양한 장점이 있지만 기존의 교정용 미니스크류는 골유착성 임플란트와 달리 기계적인 유지력에 의존하므로 10% 내외의 실패율을 보였다(1). 가장 빈번한 실패는 첫 1~2개월 내에 일어나고, 전체 탈락의 90%가 식립 후 4개월 이내에 일어난다고 보고되었으며(2), 이러한 문제점을 개선하여 임상에서의 성공률을 높이기 위해서는 미니스크류에도 골유착의 도입이 필요하다고 생각한다.

임플란트의 소재로서 순 티타늄은 높은 응력이 발생하는 부위에는 강도가 충분하지 않으며, 이를 대체하기 위해 강도와 가공성이 우수한 Ti-6Al-4V 합금이 도입되었다(3). 티타늄의 우수한 생체적합성은 임플란트의 제작과 멸균처리의 과정에서 표면에 생성되는 루틸 구조의 TiO₂ 산화피막층에서 기인하는 것으로 알려져 있다(4). 안정한 산화피막층의 존재는 생체 내의 열악한 환경에서 티타늄이 생분해되는 것을 막아주는 장점도 있지만, 임플란트 표면에 생체불활성을 부여하므로 생체활성의 재료에 비해 골유착이 일어나기 어려운 단점도 있다(5-7). 근래 티타늄 임플란트의 표면에 생체활성을 부여하여 골유착을 촉진하기 위한 방법의 하나로 순환 석회화전처리법이 소개되고 있다(8-10)

본 연구에서는 Ti-6Al-4V 합금제 교정용 미니스크류의 골유착에 대한 기초자료를 얻기 위해 전기화학적으로 양극산화처리를 하여 나노튜브 TiO₂ 층을 형성하고 순환 석회화전처리를 하여 인산칼슘의 석출을 유도한 다음 표면처리가 생체활성도에 미치는 영향에 대하여 검토하였다.

재료 및 방법

6. 교정용 미니스크류의 시험제작

본 연구에서 판상 시편의 순환 석회화전처리를 통해서 얻은 결과를 교정용 미니스크류에 적용해보기 위해 도면(Figure 1)에 표시한 직경 1.6 mm × 길이 6 mm의 교정용 미니스크류(Polybiotec Co Ltd, Gwangju, Korea)를 시험제작한 다음 Ti-6Al-4V 합금 판상 시편에서와 동일한 방식으로 표면처리를 한 다음 그의 생체활성도를 조사하였다.

Figure 1.

Drawings of miniscrew prepared for trial production.

결 과

1. 판상 시편에서의 나노튜브 TiO₂ 층 구조

Figure 2는 Ti-6Al-4V 합금판을 1.5 wt% NH₄F와 20 wt% H₂O를 함유하는 glycerol 전해질 수용액에서 20 V 전압을 60분 동안 인가하여 생성한 나노튜브 TiO₂ 층의 HR FE-SEM 사진이다. 표면에는 나노튜브들이 치밀한 구조를 이루며 자기정렬된 형태를 보였다.

Figure 2.

HR FE-SEM images of the surface of nanotubular TiO2 layer on Ti-6Al-4V alloy surface, which were anodized in glycerol solution containing 20 wt% H2O and 1.5 wt% NH4F at 20 V. (a) ×10k, (b) ×100k.

2. 석회화 전처리 및 열처리

Figure 3은 Ti-6Al-4V 합금 판상 시편에 나노튜브 TiO₂ 층을 형성한 후 20회 순환 석회화전처리한 시편의 표면 및 코팅층을 파괴시켜서 관찰한 HR FE-SEM 사진이다. 표면에서는 미세한 과립상의 인산칼슘 석출물들이 덩어리(cluster)를 이루며 나노튜브층을 뒤덮고 있는 양상이 관찰되었다.

Figure 3.

HR FE-SEM images of ASPH-treated specimen. (a) ×2k, (b) ×50k.

3. 유사체액 침지시험

Figure 4는 20회 순환 석회화전처리한 ASPH 그룹의 판상 시편을 SBF에 각각 1일과 3일 동안 침지한 후의 HR FE-SEM 사진이고, Table 1은 그의 EDS 분석 결과이다. 1일 침지한 표면(a1, a2)과 3일 침지한 표면(b1, b2)에서 공히 HA의 석출 초기단계에 나타나는 돌기상이 관찰되었지만 3일 침지 그룹이 1일 침지 그룹에 비해서 돌기상들이 치밀하고 두께방향으로 중첩이 되며 성장하는 양상을 보였고, 1일 침지 그룹에 비해 3일 침지 그룹에서 Ti가 감소하며 Ca와 P가 미소하게 증가하였다.

Figure 4.

HR FE-SEM images of ASPH specimens immersed in SBF for 1 day (a1, a2) and 3 days (b1, b2). (a1) ×2k, (a2) ×50k, (b1) ×2k, (b2) ×50k.

Table 1.

Ti, Ca and P concentration of ASPH specimens immersed in SBF for 1 and 3 days.

4. 표면 분석

Figure 5는 UT 그룹, AH 그룹, ASPH 그룹 및 ASPH 그룹 시편을 SBF에 3일 동안 침지한 후의 X-선 회절분석 결과이다. UT 그룹에서는 Ti의 피크만이 관찰되었고, AH 그룹에서는 Ti 피크와 함께 TiO₂ 피크가 관찰이 되었다. 그렇지만, ASPH 그룹 및 SBF에 3일 동안 침지한 ASPH 그룹에서는 이들 피크 이외에도 octacalcium phosphate와 HA의 주 피크가 함께 관찰이 되었다.

Figure 5.

XRD patterns of untreated (UT), anodized and heat-treated (AH), anodized, silica-treated, cyclic precalcified and heat-treated (ASPH), and ASPH group immersed in SBF for 3 days (ASPH3).

5. 시험제작한 미니스크류의 표면처리

Figure 6은 시험제작한 미니스크류의 ASPH 처리 후 SBF에 3일과 5일 동안 침지한 시편의 HR FE-SEM 사진이고, Table 2는 그의 EDS 분석 결과이다. 3일 침지한 표면(a1, a2, a3)과 5일 침지한 표면(b1, b2, b3)에서 공히 HA의 석출 초기단계에 나타나는 돌기상이 관찰되었지만 5일 침지 그룹이 3일 침지 그룹에 비해서 돌기상들이 치밀하고 두께방향으로 중첩이 되며 성장하는 양상을 보였고, 5일 침지 그룹이 3일 침지 그룹에 비교해서 Ti가 감소하며 Ca와 P가 미소하게 증가하는 양상을 보였다.

Figure 6.

HR FE-SEM images of ASPH group miniscrews immersed in SBF for 3 (a1, a2, a3) and 5 (b1, b2, b3) days. (a1) ×200, (a2) ×2k, (a3) ×50k, (b1) ×200, (b2) ×2k, (b3) ×50k.

Table 2.

Ti, Ca and P concentration of ASPH group miniscrews immersed in SBF for 3 and 5 days.

고 찰

교정용 미니스크류는 기존의 치아 간 고정원과는 달리 원치 않는 치아이동을 원천적으로 억제하고, 다양한 방향으로 교정력의 적용을 가능하게 함으로써 교정학의 새로운 패러다임을 제시하였다. 현재 교정용 미니스크류는 교정 영역에서 필수적이며 널리 사용되고 있지만 기계적으로 유지되므로 10% 내외의 높은 탈락률을 보이는 것이 단점으로 지적되고 있다(1). 이를 극복하기 위해 몇몇 연구에서는 나이가 어린 여자 환자들과 같은 탈락 고위험군에서 미니스크류에 골유착의 필요성을 제시하기도 하였다(11).

교정용 미니스크류의 소재로서 순 티타늄은 높은 저작력이 항시적으로 발생하는 구강계의 특성상 그 강도가 충분치 않으며, 이를 보완하기 위해 강도가 우수한 다양한 합금이 도입되었다(12). 그 중 α+β 형의 대표적인 합금인 Ti-6Al-4V는 우수한 내식성과 높은 기계적 성질로 인해 높은 응력 상황에 빈번하게 노출이 되는 구강 내에 적합한 것으로 언급되고 있다(3, 12).

임플란트용 합금 소재의 표면적을 증가시켜 골유착을 향상시키기 위해 나노기술이 적용되고 있다. 나노 구조의 표면은 마이크로 구조에 비해 더 넓은 표면을 제공하며, 표면이 나노 구조일 때 골아 세포의 부착과 증식이 촉진되는 것이 보고되었다(13). 양극산화 나노튜브 형성법에서는 티타늄 표면에 나노튜브를 형성하여 이러한 목적을 달성하고 있으며, 나노튜브의 빈 공간은 표면적의 증가뿐만 아니라 다양한 화학물질 및 약물을 전달하는 carrier로서도 활용할 수 있다. 나노튜브를 carrier로 활용할 경우, 특정 타겟 부위에만 한정하여 작용하므로 저용량으로도 큰 효과를 발휘할 수 있고, 약물을 다량 섭취하여 일어나는 전신적인 부작용을 감소시킬 수 있는 장점이 있다(14, 15).

생체 내에서 불활성의 특성을 보이는 티타늄 임플란트 소재에 활성을 부여하기 위해 여러 가지 방법이 시도되었으며(5, 6, 8-10, 16, 17), 석회화전처리법은 그들 중의 한 가지 방법이다. 석회화전처리법은 티타늄을 HA의 주성분인 인산염과 칼슘 이온을 함유하는 수용액 중에서 처리하여 표면의 TiO₂와 이들 이온 사이의 산-염기 반응을 유도하는 표면처리 방법이다(8-10). Kodama 등은 순환 석회화전처리 방법으로서 0.02 M NH₄H₂PO₄ 수용액과 Ca(OH)₂ 포화 수용액에서 20회 순환침지처리를 할 경우 HA 석출이 촉진됨을 보고하였다(8). 또한 Nguyen 등(9, 10)은 Ti-6Al-7Nb 합금제 임플란트를 양극산화처리하여 나노튜브 TiO₂ 층을 형성한 다음 80 ℃ 0.05 M NaH₂PO₄ 수용액과 90 ℃ Ca(OH)₂ 포화수용액에서 20회 순환침지처리를 할 때 티타늄 임플란트의 생체활성도가 크게 개선됨을 보고하였다. 본 연구에서는 인산칼슘의 석출 유도를 위한 순환처리 전 0.5 vol% 실리카 수용액에 5분 동안 침지한 후 90 ℃ 0.05 M NaH₂PO₄ 수용액과 0.01 M Ca(OH)₂ 수용액에서 20회 순환 석회화전처리를 하였다. 실리카 수용액에 대한 침적은 Kokubo 등(17)의 언급에 근거하여 순환 석회화전처리 과정에서 인산칼슘이 석출될 때 핵으로 작용하여 석출 촉진을 유도하기 위해서였다. 순환 석회화전처리한 표면에는 미세한 알갱이 형상의 인산칼슘이 덩어리(cluster) 형태로 석출이 되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 SBF에 침지하였을 때 단기간 동안에 HA 석출의 초기단계에서 관찰되는 돌기상이 전체 표면에 걸쳐서 생성되었고, 침지시간이 길어짐에 따라 치밀한 구조를 이루며 두께방향으로 성장하는 양상을 보였고, X-선 회절분석 결과 이들은 HA와 octacalcium phosphate로 확인되어 생체활성도가 개선되었음을 알 수 있었다.

본 연구에서는 Ti-6Al-4V 합금제 판형 시편에서 순환 석회화전처리의 효과를 조사한 다음 이 방법을 직경 1.6 mm × 길이 6 mm 교정용 미니스크류의 표면처리에 적용해 본 결과, 판형 시편에 비하여 미니스크류 시편에서 생체활성도가 2일 정도 지연이 되었는데, 이는 Ti-6Al-4V ELI 합금 봉재를 나사로 가공하는 과정에서 일어난 표면층의 오염 및 나사산을 가공하는 과정에서 작용한 외력에 의한 표면층의 변형이 주된 원인이라고 생각된다.

이상의 시험결과로 미루어 볼 때, Ti-6Al-4V ELI 합금제 교정용 미니스크류의 표면에 나노튜브를 형성하고 실리카로 처리한 다음 90 ℃의 0.05 M NaH₂PO₄와 0.01 M Ca(OH)₂ 수용액에서 순환 석회화전처리를 하여 인산칼슘의 석출을 유도하는 것은 골유착을 촉진하는 유효한 표면처리가 될 수 있을 것으로 생각된다.

결 론

본 연구에서는 기계적으로 유지되는 생체불활성의 Ti-6Al-4V 합금제 교정용 미니스크류의 빠른 골유착 유도를 위한 기초적인 자료를 얻기 위해 인산염과 칼슘 이온을 함유하는 용액에서 순환 석회화전처리를 한 다음 생체활성도를 조사한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

TiO₂ 나노튜브들은 속이 비어있는 독립된 튜브구조이고 인접한 튜브들과는 외벽이 부착되어 있었다. 순환 석회화전처리와 열처리로 미세한 과립상의 인산칼슘과 HA 석출물들이 덩어리를 이루며 생성되며 하부의 나노튜브들에 결합이 되었다. 또한 SBF 침지 후 표면에는 HA 석출의 초기단계에서 관찰되는 돌기상들이 치밀하게 석출되었으며, X-선 회절분석 결과, HA와 ocatcalcium phosphote로 나타났다.

이상의 결과로 미루어 볼 때, Ti-6Al-4V 합금제 임플란트를 glycerol 수용액에서 전기화학적으로 합금제 교정용 미니스크류를 양극산화처리하여 나노튜브 TiO₂ 층을 형성하고 실리카 처리를 한 다음 90 ℃ 0.05 M NaH₂PO₄ 수용액과 0.01 M Ca(OH)₂ 수용액에서 순환 석회화전처리를 하는 것은 교정용 미니스크류 표면에 생체활성도를 부여하는 유효한 수단이 될 수 있을 것으로 생각된다.

Acknowledgments

본 연구는 2020년도 중소벤처기업부의 기술개발사업 지원에 의한 연구임[S2846518]

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