치과 임플란트의 세대별 표면처리

임플란트 분야에서 가장 큰 관심은 빠른 골유착 유도로 치료기간을 단축시키는 것이다. 즉, 골형성에 관련된 생체물질(biomolecule)과 세포들이 임플란트 표면에 어느 정도로 친화성을 보이며 얼마나 많이 표면에 배열될 수 있는지에 따라 초기 골유착의 환경이 결정된다. 지금까지 표면처리를 통해 골유착을 향상한 방법으로 크게 거친 표면처리를 통해 골유착을 향상한 방법으로 크게 거친 표면으로 표면적을 넓혀주는 생체역학적 결합(biomechanical interlocking)과 생체세라믹 또는 친수화 표면(표면에너지 증가)으로 생체친화성 및 생체반응성을 높여 주는 생화학적 결합(biochemical bonding)이 제시되었다. 성공적인 골유착은 임플란트의 이러한 물리화학적 - 생물학적 표면 특성으로 계면에 광화 된 기질이 침착되는 "드노보(de novo) 골형성이 발생하여 표면에 대한 골의 결합강도(2차 고정력, 생물학적 고정력)를 높여 임플란트의 전체 고정력을 빠르고 안정적으로 만들어 줄 수 있다. 골유착에 대한 임플란트 표면처리의 목적은 안정적인 골 친화기 단계를 확보하고 촉진하기 위한 것으로 발전과정에 따라 크게 4세대로 구분된다.

 

1) 1세대 표면처리

단순 가공된 smooth 한 표면(평균표면거칠기 값(Ra) 0.2 ㎛)을 가진 초기 Branemark 임플란트의 표면 형태이다.

이 방식은 가공된 재료의 표면을 그대로 사용하였는데 평균표면거칠기 값이 일정하지 않아서 초기 골융합 형성과정에서 시일이 6개월 이상으로 오래 걸리거나 실패의 확률이 높았고 이는 2세대 개발 후 단종 되었다. 

 

2) 2세대 표면처리

기계적 가공한 티타늄 임플란트 표면은 십 년 이상 동안 사용하였지만, 표면처리방법의 개선으로 임상적으로 빠른 시간 내에 치료가 가능하게 되었다. 초기 임플란트 표면에 대한 골유착의 진행속도화 생체안정성은 표면의 거친 정도(골과의 넓은 접촉 면적)에 따라 크게 영향을 미친다. plasma spray로 기계 가공한 티타늄분말을 임플란트 표면에 고온 융사된 TPS (Titanium Plasma Sprayed surface, Ra 1.5 ㎛)가 시초이며 표면적을 15% 이상 증가시킴으로써 거친 표면의 골유착 증대의 효과를 입증하였다. 골세포가 임플란트 표면에 더 잘 붙는 것을 관찰하였고, 골질이 너무 단단할 경우 표면의 티타늄 분말이 분리될 수 있고 두께 제어가 힘들다는 점과 코팅부위가 뼈에 노출 시 플라그의 침착 및 세척이 어려워 골손실이 발생하는 등의 단점이 보고되었다. 1987년 Zimmer 등에서 출시된 RBM (Resorbable Blast Media surface, Ra 1.2-1.8 ㎛)은 인산칼슘(calcium phosphate)을 분사하여 표면 거칠기를 형성시켰으며 골과의 융합성이 뛰어났으나, blasting 표면에 잔류하여 오염물질로 작용이 가능한 단점이 있다. 1997년 Straumann사에서 출시된 SLA (Sand-blasted with Large grit and Acid etched surface, Ra 2.5-3.0 ㎛)는 알루미나(Alumina) 입자로 blasting 한 후, 고온의 황산/염산용액으로 2차적 산처리(식각)한 표면으로 표면거칠기를 최대한 증가시킴으로써 250-500 micro m의 큰 모래(grit) 표면 거칠기와 20-40 ㎛의 거대 다공성 표면을 형성시켜 골융합능을 향상한 현재 가장 많이 사용되는 표면처리이다. 충분한 세척(산 제거)이 이루어지지 않은 임플란트 표면에 잔류된 강산이 오염물질로 작용하거나 표면 균열의 문제를 일으킬 가능성이 있다. 그 외에 고온의 전해질 용액에 임플란트를 담가 전기화학적 자극을 가하여 임플란트 표면에 산화막을 형성시키는 anodized 법은 초기 고정력은 증가하나 표면 박리와 전해액 잔류 위험, 그리고 임플란트 표면과의 낮은 결합력 등의 문제가 빈번하게 관찰되기도 하였다. 결과적으로 2세대 임플란트 표면처리는 표면의 형태적, 화학적(산부식) 처리 과정을 통해 표면적 증가시켜 평탄한 표면에 비해 임상적으로 불리한 골질에 대한 골형성의 촉진을 유도하여 초기고정력을 향상하는데 효과적이었다. 

 

3) 3세대 표면처리 

3세대는 2세대의 물리적 - 화학적 표면처리를 통해 확보된 표면 거칠기에 화학적인 표면처리를 추가하여 생체물질의 유도를 촉진시켜 골유착 성능을 향상하는 방법으로써 골과의 생체활성이 높은 세라믹재료를 도포하거나 소수성 표면(hydrophobic surface)을 초친수성 표면 (hydrophilic surface)으로 변화시켜 젖음성을 향상하는 두 가지 방법으로 나눌 수 있다. 

 

(1) 세라믹재료를 도포한 표면처리 

2세대의 표면처리한 임플란트 표면에 사람의 뼈 및 치아의 주요 무기질 성분인 수산화인회석을 plasma spray 법으로 티타늄 표면에 2-5 ㎛ 정도의 Ca-P가 풍부한 층을 형성시켜 골과의 반응성에 기인하여 골질이 좋지 않을 경우 더 나은 골유착을 기대할 수 있었다. 수산화인회석은 깨지기 쉬운 단점이 있으나 표면 도포 재료로써 초기 골반응성이 우수한 것으로 보고되었으나 식립 5년이 경과한 후 수산화인회석이 용해되거나 임플란트 표면과 분리되면서 임플란트 주위의 염증을 야기하여 골소실을 일으키는 것이 보고되었다. 이러한 문제점이 개선된 고결정성 수산화인회석으로 이러한 현상이 개선된 제품(Zimmer사)을 출시하였으며 체내 단백질과 상호작용이 우수하다고 보고되고 있는 100 ㎚ 이하의 인산칼슘(calcium phosphate) 나노 결정을 침착시켜 결합력을 높인 코팅 기술이 개발되었다(Nano Tite). 나노 크기의 세라믹스는 결정 입계상에 의한 파괴가 일어나기 전에 특이한 연성을 나타내어 취성을 지닌 세라믹스의 소성 변형이 가능하다는 장점이 있다. 

생체유리(bioglass)를 flame-spray 법을 이용하여 티타늄 금속체에 도포하고 골 내에 매식하면 골과의 사이에 생체유리(SiO₂가 풍부한 층, Ca-P가 풍부한 층)와 골의 구조로 이루어진 화학적 결합층이 형성되는 것으로 보고되고 있어 임플란트 코팅 재료로써의 가능성이 크다고 보고되었다. 생체활성 세라믹재료의 부가적인 이점은 낮은 열 및 전기저도도, 뼈와 유사한 탄성계수, 생체 내 분해 속도를 제어할 수 있다는 것이다. 임상적인 적용을 위해서의 골과의 결합강도와 생체유착성이 향상되지만 세라믹 재료가 생체 내에서 재흡수될 때, 임플란트-뼈의 계면에서의 변화를 예측하기 힘들고 이는 임플란트의 미세 움직임이나 풀림의 발생을 일으킬 수 있어 금속과의 결합 강도와 장기 생체내 안정성에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 

 

(2) 초친수성 표면 임플란트

임플란트의 표면에서 조골세포에 의한 골유착은 식립 후 체액 내에 함유된 단백질을 비롯한 생체분자들의 흡착속도와 수용력이 중요한 요소로 작용한다. 되는 과정은 이어지는 생물학적 반응에 신호로 작용한다. 이는 조골세포가 임플란트 표면 표면 거칠기는 Ra 2.5-3.0 ㎛로 SLA표면과 같으며 빠른 혈병형성으로 골유착을 촉진시키기 위해서 초친수성을 부여하여 혈액젖음성이 우수한 표면으로 개질하였다. 스트라우만사에서 2005년 출시한 SLActive 모델은 넓은 표면적을 가진 SLA 표면을 만든 후 질소상태에서 세척을 시행하고 물과 반응하여 수산기(hydroxyl) 층의 형성 시 양극(positive charge)을 띄는 높은 표면에너지를 만드는 것이다. 이는 높은 친수성으로 조골세포의 흡착과 섬유소 네트워크 형성(fibrin network formation)을 향상했다. 또 다른 방법으로는 SLA 표면에 자외선(UV)을 이용한 광조사 처리로 소수성의 티타늄 표면에 있는 탄화수소 물질 등 흡착된 유기불순물을 제거함으로써 표면을 친수화(hydrophilic) 시키는 표면처리 시스템이 개발되었다. 

 

4) 4세대 표면처리

4세대는 지금 연구개발 중인 생물학적 특성을 부여한 임플란트 표면이다. 세포의 반응을 유도하기 위한 단백질, 성장인자, 효소, 유도능이 있는 것으로 알려진 골형성단백질(Bone Morphogenetic protein2, BMP2) 등의 생체유기물을 이용하는 방법과 대부분의 세포 접착 단백질에 포함되어 있는 합성 펩타이드(Arg-Gly-Asp, RGD)등 생체활성물질이 서방형 방출을 통해 임플란트 표면에 견고한 주변 골조직 성장 또는 유도를 돕는 것으로 알려져 있다. RGD와 같은 펩타이드는 세포외기질의 성분이나 성장인자와 효과는 비슷하지만 분자량이 작아 변성의 위험이 낮은 장점이 있어 많은 연구가 진행되었지만 임플란트 표면에 대한 균질한 도포, 방출 기간 및 투여량의 예측이 힘들어서 임상적 적용을 위해서는 많은 추가 연구가 필요하다. 하지만 미래의 재료로써의 활요 가능성은 매우 높다.