수산화아파타이트와 베타-트리칼슘포스페이트 코팅층의 생분해에 관한 연구
Study about Biodegradation of Hydroxyapatite and β-tricalcium Phosphate Coating Layer
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연구목적: 인산칼슘계 생체재료에는 생분해가 잘 되지 않는 hydroxyaptite (HA)와는 달리 tricalcium phosphate (TCP)와 같이 생분해 속도가 빠른 세라믹스가 있다. 이렇게 인산칼슘계 생체재료는 그 화학적 구조와 결정화에 따라 속도의 차이는있지만 체내에 흡수되는데 그 흡수기전은 두 가지로 나눌 수 있다. 첫째는 체액과의 반응으로 인하여 생분해되는 것이며, 둘째는 파골세포의 작용에 의한 흡수이다. 인산칼슘계 재료들의 체내에서의 흡수속도에 대한 결과는 이미 많은 연구가보고되어 있으나, 그 흡수기전 특히 파골세포에 의한 재료의 흡수와 신생골 형성에 미치는 영향에 대한 가능성은 보고된것이 많지 않다. 따라서 본 연구는 HA와 β-TCP를 타이타늄의 표면에 각각 일정한 두께로 코팅하고 체액에 의한 생분해와파골세포에 의한 분해를 평가하고자 하였다. 연구방법: 세포실험 위한 시편은 순수한 타이타늄으로부터 지름 12 mm, 두께 2 mm의 disk 형태로 가공한 후, HA 분말을 이용한 grit blasting 처리하여 표면을 거칠게 하였다. 가공된 시편들은 먼저 glass frit를 코팅한 후 그 위에 sol-gel법에의해 합성된 HA sol 혹은 β-TCP sol을 dip and spin 방식으로 코팅하였다. 코팅 후 열처리한 시편에 대하여 박막 X-선 회절 분석기를 사용하여 코팅층의 결정상을 조사하였고 코팅층의 미세구조를 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였다. Disk 형태의 시편을 증류수와 세포 배양액에 각각 넣고 HA와 β-TCP 코팅층의 생분해 특성을 주사전자현미경으로 관찰하였다. Disk 형태의 시편 위에 거대세포종으로부터 분리된 파골세포를 분주하고 5일간 배양한 후 파골세포의 작용에 의해흡수된 코팅층의 면적 분율을 구함으로써 HA 코팅층과 β-TCP 코팅층의 파골세포에 의한 흡수율 비교 분석하였다. 결 과: HA와 β-TCP 코팅층의 생분해 특성 평가에서 HA 코팅층보다 β-TCP 코팅층의 균열이 더 심하게 발생하여 코팅층의 일부가 붕괴되는 현상을 보였다. 파골세포의 활동에 의한 코팅층의 흡수 평가에서 β-TCP 코팅층은 0.73%, HA 코팅층은 11.62%의 흡수율을 보여서 HA 코팅층의 흡수율이 훨씬 더 높게 나타났다. 결 론: HA 및 β-TCP 코팅층은 모두 체액에 의한 용해와 파골세포의 작용에 의하여 흡수되었으나 HA 코팅층은 주로세포의 작용에 의해서 흡수되었으며 β-TCP 코팅층은 주로 체액에 의한 용해작용으로 분해되었다. 따라서 β-TCP 코팅층은 체액에 의한 코팅재료의 생분해 현상이 매우 높아 삽입물과 골과의 결합을 제한할 것으로 사료된다.
Abstract
Objective: Biodegradation of synthetic calcium phosphate depends on two mechanisms; dissolution in body fluid and a cellular reaction. The chemical dissolution process is well understood, but details of the cellular reaction are not yet fully understood. Thus, we investigated whether the resorption mechanisms of hydroxyapatite (HA) and β-tricalcium phosphate (β-TCP) coating layer were identical, and, if not, what differences were observed. Methods: Titanium discs, 12 mm in diameter and 2 mm in thickness, were coated with HA (n = 40) or β-TCP (n =40) by a dip and spin method. In each group, specimens were divided into two subgroups; the Dissolution group (D)and the Osteoclast Culture group (C). Discs in the D group were immersed in the distilled water or cell culture medium for 5 days, whereas, in the C group, osteoclast-like cells, which were obtained from giant cell tumor of bone,were seeded onto specimens and cultured for 5 days. The degradation characteristics of the surface coating were observed by light microscopy and scanning electron microscopy. Results: Extent of the cracks and denudations were much greater in the β-TCP coating than the HA coating after dissolution. In the C groups, the mean area fraction of resorption lacunae in the HA-C group was 11.62%, which was significantly higher than the 0.73% noted in the β-TCP-C group (P = 0.001). Conclusion: The resorption mechanism of HA and β-TCP coating was different and the β-TCP coating was degraded principally by dissolution and separation from the implant, but the HA coating was resorbed by osteoclastic activity. [Korean Journal of Bone Metabolism, 18(1): 39-47, 2011]
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