KR20200084993A

KR20200084993A - 구강악안면 재건수술을 위한 악안면 플레이트와 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20200084993A
Application number: KR1020190000947A
Authority: KR
Inventors: 김록영; 국민석
Original assignee: (주) 케이제이 메디텍
Priority date: 2019-01-03
Filing date: 2019-01-03
Publication date: 2020-07-14
Also published as: KR102254182B1

Abstract

본 발명은 구강악안면 재건수술을 위한 악안면 플레이트와 이의 제조방법에 관한 것으로서, 연조직과 접촉하는 표면에는 연조직과 유착방지를 위한 코팅층을 형성하고 경조직과 접촉하는 표면에는 골융합을 증대시키기 위한 표면처리층을 형성하여 기능성이 우수한 악안면 플레이트와 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 구강 악안면 재건수술을 위한 악안면 플레이트는 금속 소재로 이루어진 기재와, 피부조직을 향하도록 기재의 상부에 형성되어 피부조직과의 유착을 방지하기 위한 유착방지코팅층과, 악골을 향하도록 기재의 하부에 형성되어 악골과의 골융합을 증대시키기 위한 표면처리층을 구비한다.

Description

구강악안면 재건수술을 위한 악안면 플레이트와 이의 제조방법{maxillofacial plate for maxillofacial surgery and manufacturing method thereof}

본 발명은 구강악안면 재건수술을 위한 악안면 플레이트와 이의 제조방법에 관한 것으로서, 연조직과 접촉하는 표면에는 연조직과 유착방지를 위한 코팅층을 형성하고 경조직과 접촉하는 표면에는 골융합을 증대시키기 위한 표면처리층을 형성하여 기능성이 우수한 악안면 플레이트와 이의 제조방법에 관한 것이다.

구강 악안면 플레이트는 선천적인 기형이나 불의의 사고로 인한 악안면 손실 시, 손실부위를 재건하고 심미적으로 복원하는 시술에 사용되는 인체삽입 재료이다.

차량으로 인한 교통사고 발생 및 산업재해 등 불의의 사고로 인한 후천적 악안면 소실 환자는 급속히 증가하고 있으며, 후천척 악안면 소실뿐만 아니라, 선천적 기형, 안면 비대칭, 기타 기능성 치아교정 등 많은 부분에 대한 악안면 플레이트 사용이 증가하는 추세이다. 또한, 최근 외모에 대한 관심 증가로 미용용도의 시술이 급증함에 따라, 재료의 수요 역시도 급증하고 있다.

악안면 플레이트는 시술 후 일정기간 동안 치유를 유도하고, 치유가 완료 된 이후에도 체내에 남아 경골과 함께 뼈대역할을 지속 수행하여야 하는 소재로서, 오랜 기간 인체에 남아있어도 생체 내 부작용이 없고, 골과 결합 시 골융합이 잘 되어야 하는 필요조건을 가지고 있다.

이런 생체 친화 금속으로써는 티타늄(Ti-6Al-4V ELI), 크롬코발트몰리브덴(Cr-Co-Mo) 등이 대표적인 생체친화 금속으로 사용되어지고 있으며, 현재는 생체친화 금속으로 거의 대부분이 티타늄 합금 또한 순수한 티타늄이 사용되고 있다.

구강 악안면 플레이트 이하 각종 의료용 인체삽입 재료의 사용은 증가하는 추세이지만, 치과용 임플란트를 제외한 외과용 부품소재는 현재까지도 대부분 수입에 의존하고 있는 상황이다.

악안면 플레이트의 역할은, 구강악안면부에 존재하는 두개골과 연결되어 있는 상하악골 내에서 상하악골 간 골 절단 및 결합시 두 개면을 이어주는 접합용 플레이트로서의 기능을 하거나, 상하악골과 보형물질 간의 결합을 이어주는 접합용 플레이트로서의 역할을 한다.

이 때문에, 인체 내부에 삽입되어 최대한 빨리 골과의 융합이 일어나서, 두 개면의 악골과 악골, 또는 악골과 보형물질 간의 결합을 돕는 역할을 하는데, 이중 보형물질이 아닌 자가 악골과 악골간의 결합에는, 추후 힐링이 마무리 되면 삽입물을 제거해야 하는 제거술을 진행하는 경우가 많이 있다.

대한민국 등록실용신안 제20-0479198호, 대한민국 등록특허 제10-1660938호에 개시된 바와 같이 현재까지의 악안면 플레이트의 연구개발은 거의 대부분 수술 성공을 위한 초기고정력을 강화하는 연구로만 편향되어 있고, 추후 제거수술시 용이한 제거를 위한 코팅 또는 표면처리 개발은 거의 없는 상황이다.

하지만, 구강악안면부위의 특성상, 심미적인 특성이 더할 나위 없이 가장 중요하며, 구강악안면부 플레이트 식립후 제거 수술시, 조직(Bone/Tissue)으로부터의 박리가 쉽지 않아 제거시 많은 주변조직의 삭제나 열상 등의 문제가 발생하며, 이로 인한 데미지 케어의 실패, 악안면부 심미적인 손실 등이 초래되고 있다.

1. 대한민국 등록실용신안 제20-0479198호: 하악골 고정 플레이트 2. 대한민국 등록특허 제10-1660938호: 턱교정 수술용 기능성 플레이트

본 발명은 상기의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 구강악안면 수술과정 중에 사용되는 악안면 플레이트를 기능적으로 개선시킴으로써 치유기간을 줄여 환자가 받게 될 고통을 줄이고, 초기 고정력이 우수하면서도 안면부의 과도유착으로 인한 악안면 부위 심미성 저하를 방지할 수 있도록 양 표면이 서로 다른 기능을 갖는 구강악안면 재건수술을 위한 악안면 플레이트와 이의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 연조직과 접촉하는 표면에는 연조직과 유착방지를 위한 코팅층을 형성하고 경조직과 접촉하는 표면에는 골융합을 증대시키기 위한 표면처리층을 형성하여 기능성이 우수한 악안면 플레이트와 이의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구강 악안면 재건수술을 위한 악안면 플레이트는 금속 소재로 이루어진 기재와; 피부조직을 향하도록 상기 기재의 상부에 형성되어 상기 피부조직과의 유착을 방지하기 위한 유착방지코팅층과; 악골을 향하도록 상기 기재의 하부에 형성되어 상기 악골과의 골융합을 증대시키기 위한 표면처리층;을 구비한다.

상기 유착방지코팅층은 다이아몬드상 카본(DLC) 박막이다.

상기 표면처리층은 블라스팅에 의해 형성된다.

상기 표면처리층은 플라즈마 중합반응에 의해 아민기를 갖는 박막으로 형성된다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구강 악안면 재건수술을 위한 악안면 플레이트의 제조방법은 금속판을 가공하여 기재를 형성하는 가공단계와; 상기 기재의 일면에 피부조직과의 유착을 방지하기 위한 유착방지코팅층을 형성하는 코팅단계와; 상기 기재의 타면에 악골과의 골융합을 증대시키기 위한 표면처리층을 형성하는 표면처리단계;를 포함한다.

본 발명은 연조직과 접촉하는 표면에는 연조직과 유착방지를 위한 코팅층을 형성하고 경조직과 접촉하는 표면에는 골융합을 증대시키기 위한 표면처리층을 형성함으로써 구강악안면 수술과정 중에 사용되는 악안면 플레이트를 기능적으로 개선시킬 수 있다.

본 발명은 경조직접촉부와 연조직 접촉부를 구분하여 각각 다른 이중 표면처리를 진행하여, 초기 고정력도 우수하면서 골과의 결합도 잘 이루어지며, 피부 및 생체조직과의 유착도 상당부분 억제되어 매우 우수한 역할을 수행할 수 있다. 이에 따라 본 발명은 치유기간을 줄여 환자가 받게 될 고통을 줄이고, 초기 고정력이 우수하면서도 안면부의 과도유착으로 인한 악안면 부위 심미성 저하를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 유착방지를 위한 코팅면과 생체활성 부여를 위한 표면처리면을 구비함으로써 각 해당하는 면에 대한 선택적 기능성을 부여할 수 있어서 매우 스마트한 능력의 악안면 플레이트를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 악안면 플레이트의 단면을 보여주는 모식도이고,
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 악악면 플레이트의 사시도이고,
도 3은 도 2의 단면도이고,
도 4는 본 발명의 다른 예에 따른 악안면 플레이트의 평면도이고,
도 5는 본 발명의 또 다른 예에 따른 악안면 플레이트의 평면도이고,
도 6은 본 발명의 또 다른 예에 따른 악안면 플레이트의 평면도이고,
도 7은 실험에 사용된 대조군과 실험군의 티타늄 디스크의 모습을 나타낸 사진이고,
도 7은 실험군 디스크 표면과 대조군 디스크 표면의 접촉각의 모습을 나타낸 결과이고,
도 8은 실험군 디스크 표면에 형성된 박막의 FT-IR 스펙트럼 분석결과이고,
도 9는 실험군 디스크 표면에 형성된 박막의 아민 농도 분석결과이고,
도 10은 실험군(중합처리시 플라즈마 파워 50W)과 대조군의 디스크 표면에서 1, 3, 5일 동안 배양된 조골모세포의 증식율을 나타낸 결과이고,
도 11은 실험군(중합처리시 플라즈마 파워 50W)과 대조군의 디스크 표면에 부착된 세포형태를 관찰하기 위하여 Rhodamine-Phalloidin과 DAPI형광염색을 실시한 결과이고,
도 12는 실험군의 형광현미경 관찰 이미지이고,
도 13은 대조군의 형광현미경 관찰 이미지이고,
도 14는 실험군(중합처리시 플라즈마 파워 50W)과 대조군 디스크 표면에서 7일 동안 배양된 조골모세포의 ALP 활성 측정 결과이고,
도 15 및 도 16은 대조군과 실험군(중합처리시 플라즈마 파워 50W) 디스크 표면에 부착된 골석회화를 조사하기 위하여 Alizarin red S 염색을 실시한 결과이고,
도 17 및 도 18은 토끼 희생 당일 대조군과 실험군의 육안상의 모습을 나타낸 사진이고,
도 19 및 도 20은 채취한 대조군과 실험군 샘플의 조직학적 사진이고,
도 21 및 도 20은 대조군과 실험군의 Micro-CT 사진이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 구강악안면 재건수술을 위한 악안면 플레이트와 이의 제조방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 악안면 플레이트는 금속 소재로 이루어진 기재(3)와, 기재(3)의 상부에 형성된 유착방지코팅층(7)과, 기재(3)의 하부에 형성된 표면처리층(5)을 구비한다.

기재(3)는 판상의 금속 소재로 이루어진다. 기재(3)의 소재로 순수한 티타늄 또는 티타늄 합금이 이용될 수 있다.

기재(3)에는 적어도 둘 이상의 스크류삽입홀이 형성될 수 있음은 물론이다.

기재(3)의 양면에 서로 다른 물리적 및 화학적 특성을 가질 수 있도록 처리된다. 가령, 기재(3)의 일면에 유착방지를 위한 유착방지코팅층(7)이 형성되고, 타면에는 악골과의 골융합을 증대시키기 위한 표면처리층(5)이 형성될 수 있다.

유착방지코팅층(7)은 체내 식립시 기재의 양면 중 연조직, 즉 피부조직을 향하는 표면에 형성된다. 도시된 예에서 유착방지코팅층은 기재의 상면에 형성된다.

유착방지코팅층의 일 예는 다이아몬드상 카본 박막이다. 다이아몬드상 카본(Diamomd-like carbon, DLC)은 높은 경도, 윤활성, 표면조도 등의 뛰어난 기계적 특성과 화학적 안정성을 갖는다. 이러한 다이아몬드상 카본에 의한 박막은 피부조직과의 유착을 방지 또는 억제함으로써 안면부의 과도유착으로 인한 악안면 부위 심미성 저하를 방지할 수 있다.

다이아몬드상 카본 박막은 마그네트론 스퍼터링, 진공 아크법 등 다양한 방법을 이용하여 기재의 일면에 형성할 수 있다.

악안면 플레이트의 식립 후 일정 기간이 지나 악안면 플레이트를 제거해야 되는 경우, 악안면 플레이트가 연조직 및 경조직 양쪽에 모두 유착되어 상당범위의 조직을 삭제하여 제거해야 되는 종래의 악안면 플레이트의 문제점을 본 발명은 개선시킬 수 있다. 유착방지코팅층이 형성된 본 발명은 제거시 연조직측의 손상을 최소화할 수 있어서 심미적인 부분이 매우 중요한 구강 악안면 부위의 수술에 매우 큰 장점이 된다.

표면처리층(5)은 체내 식립시 기재의 양면 중 경조직, 즉 악골을 향하는 표면에 형성된다. 도시된 예에서 표면처리층은 기재의 하면에 형성된다. 이러한 표면처리층은 기재의 하면을 물리적, 화학적으로 개선하여 생체활성을 촉진시킴으로써 골융합을 증대시킨다.

표면처리층의 일 예는 블라스팅(Blasting)에 의해 형성될 수 있다. 블라스팅은 기재의 표면에 입자를 분사하여 기재의 표면을 거칠게 함으로써 표면적을 넓히는 가공법이다.

블라스팅에 사용하는 입자로 하이드록시 아파타이트(Hydroxy Aphatite)를 이용할 수 있다. 하이드록시 아파타이트는 생체활성을 강화하는 물질인 만큼 블라스팅 과정에서 기재에 박혀 제거되지 않는 것들까지도 골유착에 도움이 될 수 있다.

그리고 블라스팅으로 1차 표면처리 후 애시드 에칭에 의한 2차로 표면처리를 더 할 수 있다. 2번의 표면처리를 통해 기재의 표면적을 더욱 넓힐 수 있다.

한편, 표면처리층의 다른 예는 플라즈마 중합반응에 의해 아민기를 갖는 박막으로 형성될 수 있다. 플라즈마는 기재의 표면을 화학적으로 변화시키며 특히 아민의 경우 생체활성물질 및 단백질과 공유결합에 의한 고정화에 매우 유용한 기술로 기존의 플레이트에 비해 생체적합성의 향상을 기대할 수 있다.

한편, 표면처리층의 또 다른 예는 1차로 블라스팅 처리한 후 블라스티 처리된 면에 2차로 플라즈마 중합반응에 의해 아민기를 갖는 박막을 형성할 수도 있다. 이 경우 1차 블라스팅 처리 후 표면적을 거칠게 한 후 플라즈마 중합반응으로 아민기를 갖는 박막을 형성하므로 물리적 및 화학적인 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 연조직과 접촉하는 표면에는 연조직과 유착방지를 위한 코팅층을 형성하고 경조직과 접촉하는 표면에는 골융합을 증대시키기 위한 표면처리층을 형성함으로써 구강악안면 수술과정 중에 사용되는 악안면 플레이트를 기능적으로 개선시킬 수 있다. 이에 따라 본 발명은 치유기간을 줄여 환자가 받게 될 고통을 줄이고, 초기 고정력이 우수하면서도 안면부의 과도유착으로 인한 악안면 부위 심미성 저하를 방지할 수 있다.

본 발명의 악안면 플레이트는 다양한 형태와 크기로 이루어질 수 있다. 이러한 예들을 도 2 내지 도 6에 도시하고 있다.

도 2 및 도 3에는 8자 형태(8-Type)의 악안면 플레이트(10)의 모습을 도시하고 있다. 도시된 악안면 플레이트(10)는 2개의 링부(11)(15)와, 링부들(11)(15)을 연결하는 연결부(19)의 구조로 이루어진다. 그리고 각 링부(11)(15)에는 악골에 고정시키기 위한 스크류가 삽입되는 스크류삽입홀(12)(16)이 형성된다.

도시된 악안면 플레이트는 환자의 턱 부위 재건수술시 사용되는 소형 플레이트이다. 해당부위 함몰 및 손실 시 또는 미용/저작작용 회복을 위한 구강악안면부 교정수술시 사용되는 플레이트로서, 국소부위 또는 접근이 어려운 부분의 사용에 적합하다.

도 4에는 C자 형태(C-Type)의 악안면 플레이트(20)의 모습을 도시하고 있다. 도시된 악안면 플레이트는 다수의 링부와, 링부들을 연결하는 연결부의 구조로 이루어진다. 그리고 각 링부에는 악골에 고정시키기 위한 스크류가 삽입되는 스크류삽입홀이 형성된다.

도시된 악안면 플레이트는 환자의 두개골 및 광대뼈 부위 재건수술시 사용되는 플레이트이며, 각종 사고나 수술로 인해 작은 규모의 골손실이 발생하였을 때 적합하다.

도 5에는 H자 형태(H-Type)의 악안면 플레이트(30)의 모습을 도시하고 있다. 도시된 악안면 플레이트는 다수의 링부와, 링부들을 연결하는 연결부의 구조로 이루어진다. 그리고 각 링부에는 악골에 고정시키기 위한 스크류가 삽입되는 스크류삽입홀이 형성된다.

도시된 악안면 플레이트는 환자별 턱 및 광대뼈 재건 수술시 사용되며, 해당부위 함몰 및 손실 시 해당부위 식립 보형물질과 두개골 간의 고정에 사용된다.

도 6에는 T자 형태(T-Type)의 악안면 플레이트(40)의 모습을 도시하고 있다. 도시된 악안면 플레이트는 다수의 링부와, 링부들을 연결하는 연결부의 구조로 이루어진다. 그리고 각 링부에는 악골에 고정시키기 위한 스크류가 삽입되는 스크류삽입홀이 형성된다.

도시된 악안면 플레이트는 환자의 광대뼈 및 두개골, 이마 등 넓은 부위의 고정에 사용된다. 해당부위 함몰이나 골절, 사고 등으로 인한 트라우마 외상 등에 대한 사용되는 것으로, 두 개의 골판을 고정/유지하는데 사용될 수 있다.

도 2 내지 도 6에서 도시되지 않았지만 각 악안면 플레이트의 일면에는 유착방지코팅층이 형성되고, 타면에는 표면처리층이 형성됨은 물론이다.

이하, 본 발명의 구강 악안면 재건수술을 위한 악안면 플레이트의 제조방법에 대하여 설명한다.

먼저, 금속판을 가공하여 기재를 형성한다.

금속판으로 순수한 티타늄 또는 합금티타늄을 이용할 수 있다.

구강악안면 부위 재건 수술을 위해 현장에서 촬영되는 CT 데이터 수집하고, 수집된 CT 데이터를 환자군 별로 분류(대, 중 소)하고, 분류된 환자 CT를 토대로 역공학(Reverse Engineering) 기술에 의해 환자 맞춤형 구강악안면 플레이트를 설계한다.

이러한 설계를 바탕으로 CNC 공작기계를 이용하여 금속판은 특정한 형태의 기재로 가공한다. 이러한 기재의 형태의 예로서 도 2 내지 도 6의 모습을 들 수 있다.

가공된 기재는 버를 제거하고 표면을 균질화하기 위해 전해연마 작업을 수행할 수 있다.

다음으로, 기재가 준비되면 기재의 일면에 피부조직과의 유착을 방지하기 위한 유착방지코팅층을 형성하는 코팅단계를 수행한다.

유착방지코팅층으로서 다이아몬드상 카본 박막을 형성하기 위해 마그네트론 스퍼터링, 진공 아크법 등을 이용할 수 있다. 바람직하게는 진공 아크법을 이용한다. 진공 아크법은 고상의 흑연 타겟을 이용하므로 수소의 함유를 원칙적으로 피할 수가 있고 여타의 공정에 비하여 월등히 우수한 물리화학적 특성을 지닌 DLC 박막을 얻을 수가 있으며, 공정변수의 조절이 용이하다는 등의 장점을 가진다.

진공 아크법(필터드 아크이온 코팅 시스템)에 의한 다이아몬드상 카본 박막을 형성하기 위한 공정조건은 일 예로 아래와 같다.

-이온세정 : 이온건 2000V, Bias Power 600V, 180초 유지 (아르곤가스 25sccm첨가)

-안정화 1공정 : 아크 40암페어, Bias power 600V, 60초 유지

-안정화 2공정 : 아크 40암페어, Bias power 300V, 120초 유지

-DLC 코팅 : 아크 40암페어, Bias Power 130V, 1,230초 유지

이와 같이 기재의 표면에 다이아몬드에 필적하는 경도와 더불어 흑연과 유사한 저 마찰계수를 모두 갖는 다이아몬드상 카본 박막을 형성함으로써 체내에 식립시 티슈 및 생체조직과 직접 닿는 부위에 대한 과다유착을 방지하여 심미적으로 발생할 수 있는 문제를 방지할 수 있다.

다음으로, 기재의 타면에 악골과의 골융합을 증대시키기 위한 표면처리층을 형성하는 표면처리단계를 수행한다.

표면처리층을 형성하기 위해 블라스팅 공정을 이용할 수 있다. 블라스팅기로 오토샌드블라스트(Auto Sand Blast, 메가더엔스사)를 이용하고, 입자로 하이드록시 아파타이트를 이용할 수 있다.

또한, 표면처리층을 형성하기 위한 다른 예로 플라즈마 중합반응을 이용하여 아민기를 갖는 박막을 형성할 수 있다.

플라즈마(plasma)는 고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체상태로 전하 분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로는 음과 양의 전하 수가 같아서 중성을 띠는 기체이다. 물체는 온도를 차차 높여가면 거의 모든 물체가 고체로부터 액체 그리고 기체 상태로 변화하고 수만℃ 온도에서 기체는 전자와 원자핵으로 분리되어 플라스마 상태가 된다. 플라스마를 이루는 각 개체가 전기를 띠고 있어서 중성 기체와는 성격이 판이하고 전기 전도도가 크고 금속 전도체와 같이 전류가 표면에만 국한되어 흐른다. 따라서 내부에는 전류가 거의 흐르지 않으며 밖에서 전기장과 자기장을 가하면 전하로서 힘을 직접 받아서 쉽게 영향을 받지만 전하 밀도가 커짐에 따라 개개의 운동과는 다른 집단운동을 한다.

이처럼 플라스마의 고온과 활발한 화학적 성질은 종래의 방법으로 얻기 어려운 특성을 제공하여 기재 표면의 성질을 바꾸어 원래와 다른 물리적, 화학적 성질을 부여한다.

플라즈마 중합반응을 위해 먼저 기재의 표면에 묻어 있는 이물질을 세척하여 제거한 다음 건조시킨다. 그리고 건조된 기재의 표면에 플라즈마 중합반응을 수행한다. 플라즈마 중합반응기를 이용하여 반응을 시키기 위해서 건조 후 기재를 고정대에 부착한 상태로 진공챔버 내의 양 전극 사이에 투입하여 진공펌프를 가동하여 챔버를 진공상태로 만든다. 진공 하에서 아르곤 또는 불활성 기체를 주입 후 기재의 표면을 클리닝하기 위해 방전한다. 그리고 모노머로 알릴아민(allylamine)을 챔버 내에 주입한 후 제네레이터로 방전시킨다. 플라즈마 중합반응은 30 내지 100W의 파워로 3 내지 8분 동안 방전시킬 수 있다.

플라즈마 중합 반응에 의해 기재의 표면에는 아민기(-NH₂)를 갖는 박막이 형성된다. 아민기를 갖는 박막은 세포 부착, 증식, 분화와 같은 세포 활동을 촉진시킬 수 있으며, 골과의 결합력을 향상시킨다.

한편, 본 발명은 표면처리단계의 또 다른 예로 블라스팅에 의해 1차로 표면처리한 후 2차로 플라즈마 중합반응에 의해 아민기를 갖는 박막을 형성할 수 있다. 이 경우 1차 블라스팅 처리 후 표면적을 거칠게 한 후 플라즈마 중합반응으로 아민기를 갖는 박막을 형성하므로 물리적 및 화학적인 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 효과를 하기 실험예를 통하여 구체적으로 설명한다. 이는 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리 범위를 하기의 실험 예로 한정하는 것은 아니다.

1. 실험재료

본 실험에서는 in vitro 평가를 위하여 티타늄 디스크 샘플을 가공하여 사용하였다. 대조군은 무처리 디스크이고, 실험군은 디스크의 일면에 블라스팅에 의해 1차로 표면처리한 후 그 위에 2차로 플라즈마 중합반응에 의해 아민기를 갖는 박막을 형성하였다. 대조군과 실험군의 모습을 도 7에 나타내었다.

2. 실험방법

(1)티타늄 디스크 표면처리

원판형의 티타늄 디스크의 일면을 블라스팅 처리하였다. 블라스팅을 위한 기기로 Auto Sand Blast(메가더엔스사, Index Type)를 이용하였다. 블라스팅에 사용한 입자로 하이드록시 아파타이트를 이용하였다. 회전지그에 티타늄 디스크를 장착하여 하이드록시 아파타이트를 고압의 공기와 함께 분사하여 표면처리하였다. 투사시간 10초, 테이블 회전 3바퀴, 투사기의 각도 60°, 투사기의 압력 1.8kgf, 입자가루 양은 약 200㎖/50개의 조건으로 처리하였다.

블라스팅 처리 후 블라스팅 처리된 면에 다시 플라즈마로 표면처리하였다.

플라즈마 표면처리장비는 저압 RF glow discharge 방식의 플라즈마 장비(Plasmamart, miniplasma- station, Korea)를 사용하였다. 하기의 표 1과 같은 조건으로 중합반응을 실시하여 아민기를 갖는 박막을 형성하였다.

처리조건	전처리	중합처리	후처리
플라즈마 처리조건 (플라즈마 가스, 파워, 방전시간)	가스 - Argon 파워 - 100W 시간 - 300s	모노머 - Allylamine 파워 - 30, 50, 70W 시간 - 300s	가스 - Argon 파워 - 30W 시간 - 60s

(2)티타늄 디스크 표면분석

○ 친수성(hydrophilicity) 평가

플라즈마 중합 후 디스크 표면의 접촉각을 측정하여 친수성의 정도를 평가하였다. 접촉각 측정장비는 서피스텍의 GSX모델을 사용하였으며, 7μL의 증류수를 떨어뜨리고 약 5초 후에 접촉각을 측정하였다.

○ 표면에 존재하는 아민기(Amine group) 분석

플라즈마 중합 후 디스크 표면의 고분자 박막을 분석하기 위하여 적외선분광기(FT-IR, Perkin Elmer, Spectrum TWO FT-IR Spectrometer, UK)를 사용하였고, Resolution은 4cm^-1, Accumulations 4 scans 조건에서 분석하였다.

○ 표면에 존재하는 아민 농도(Amine concentration) 분석

디스크 표면에 존재하는 아민 농도를 확인하기 위하여 methyl orange 용액으로 반응시켰으며, 탈착용액으로 탈착된 methyl orange 용액을 465nm에서 흡광도를 측정하였다.

(3)티타늄 디스크의 in vitro 평가

○ 세포반응 평가에 사용된 세포주와 세포주 배양

- 본 실험에 사용된 세포주는 생쥐 두개골에서 유래한 조골모세포주 MC3T3-E1을 ATCC에서 구입하여 사용하였다.

-세포주 배양은 α-MEM(alpha minimum essential medium with ribonucleosides, deoxyribonucleosides, 2mM L-glutamine and 1mM sodium pyruvate, but without ascorbic acid/GIBCO, Custom Product, Catalog NO. A1049001)배지에 성장인자(growth factor)로 제공하는 10%(w/v) fetal bovine serum(FBS, PAA Laboratoris, Inc. A15-751)과 항생제인 100units/ml penicillin, 100㎍/ml streptomycin이 혼합된 세포주 배양액을 혼합하여 5% CO₂가 공급되는 37 ℃, 100% 습도가 유지되는 CO₂ 인큐베이터(Sanyo Electric, Japan)에서 배양하였다. 그리고 3일 마다 80% confluence할 때 계대배양 하여 3세대 세포주를 세포생존율 평가에 사용하였다.

○ 조골모세포주 증식율 평가

조골모세포주 증식율은 MTT assay를 이용하여 평가하였으며, 다음과 같은 방법으로 수행하였다.

배양된 MC3T3-E1 세포는 α-MEM 배지를 모두 제거한 후 PBS (Phosphate buffered saline, Sigma, USA)를 이용하여 세척하였으며 trypsin/EDTA를 소량 첨가하여 배양접시로부터 분리시켰다. 분리된 세포에 FBS가 포함된 배지를 첨가하여 반응을 정지시킨 후 원심분리기를 이용하여 세포를 수집하였다. 세포에 배지를 첨가하여 다시 부유시킨 후 준비된 샘플이 담겨진 12-well plate에 각각 5 ×10⁴ cells/well을 파종하였다. 1, 3, 5일이 되면 MTT(thiazolyl blue tetrazolium bromide, Sigma-aldrich, M2128)시약을 각 well 당 100㎕ 첨가하여 청자색의 결정이 생성되는 것을 확인하였다. 4시간 후 DMSO(dimethyl sulfoxide, Junsei, 35535-0350)를 1,000㎕/well을 넣은 후 실온에서 30분간 배양하였다. 흡광도를 측정하기 위해 반응액을 96-well plate에 각각 200㎕씩 분주한 후 EPOCH(BioTek Instruments, Inc. USA)를 이용하여 540㎚에서 흡광도를 측정하였다.

○ 조골모세포주의 골격 및 세포핵 관찰

각각의 샘플이 담겨진 12 well plate에 MC3T3-E1 세포를 2 ×10⁵cells/mL의 농도로 파종하였다. 세포 파종 후 48시간이 지나면 4% Paraformaldehyde (Electron Microscopy Sciences 15714) 용액을 이용하여 세포를 고정한 후 5분 동안 PBS를 이용하여 세척하였다. 0.1% Triton X-100(바이오 세상 T1020)과 1% BSA(SIGMA A9647) 용액을 이용하여 5분 동안 처리하여 주었고 Rhodamine-Phalloidin(Life technologies, R415) 시약을 15분 동안 처리하여 세포를 염색하였다. 3번에 걸쳐 각각 5분 동안 PBS로 세척하여 준 후 세포핵 염색을 위한 Fluorescence mounting media (VECTOR H-1200)와 함께 각각의 샘플을 cover glass 위에 부착하여 형광현미경으로 관찰하기 전까지 4℃에서 보관하였다.

○ 조골모세포주 분화 평가

조골모세포의 분화는 ALP활성 측정을 통해 확인하였다. 세포는 2 ×10⁵ cells/ml으로 대조군과 실험군 디스크에 각각 배양하였고, 배지는 다음날 α-MEM(GIBCO)과 50ug/ml ascorbic acid(JUNSEI), 10mM β -glycerophosphate(Sigma-Aldrich)를 포함하는 혼합배지로 교체하였다. 분화도를 평가하기 위해 5일 후 p-nitrophenyl phosphate(p-NPP)로부터 p-nitrophenol(p-NP) 방출 정도를 측정하였다. DPBS (Welgene)로 MC3T3-E1 세포가 포함된 배지를 2번 세척하고, 다시 10분 동안 0.2% Triton X-100(Sigma-Aldrich)이 포함된 0.9% NaCl solution에서 세척하였고, 초음파 세척기인 Vibra Cell instrument(SONICS)을 사용하여 얼음 위에서 65W로 1분 동안 초음파 세척하였다. 세척된 용해물을 다시 10분간 원심분리하였고, 상층액을 37℃에서 30분간 p-nitrophenyl phosphate solution 과 함께 배양하였다. 1.2N NaOH 600μl를 더해 반응을 정지시켰다. ALP활성은 ELISA reader를 이용하여 405nm 흡수와 정상 단백질 농도를 측정해 확인하였다. 단백질 농도는 Bradford 단백질 정량으로 확인하였다. 결과는 μmole p-NP/min/μg protein으로 표시하였다.

○ 골석회화 (Calcification) 평가

골석회화는 Alizarin Red S 염색으로 측정하였다. 분화된 세포를 DPBS용액으로 2번 세척한 다음, 10% formalin 용액으로 15분간 고정하였다. 고정 이후 증류수로 세포를 2번 세척한 후 Alizarin Red S 용액을 증류수에 녹이고 NH₄OH(ammonium hydroxide)용액과 혼합해 pH를 4.1로 적정하였다. 처리한 Alizarin Red S 용액을 세포를 모두 덮을 수 있을 만큼 충분히 처리한 후 약 45분간 호일을 통해 덮어둔다. 이후 세포 기질의 Ca² ⁺과 결합한 alizarin은 적황색(redish-orange)을 나타내었다.

3. 실험결과

(1)디스크의 표면변화

○ 친수성(hydrophilicity)

실험군(중합처리시 플라즈마 파워 50W) 디스크 표면과 대조군 디스크 표면의 접촉각의 모습을 도 8에 나타내었다.

실험군 디스크 표면의 접촉각은 대조군 디스크 표면에 비해 친수성으로 변화하였음을 알 수 있었다. 대조군 디스크의 접촉각은 77.18도로 소수성이 강하게 나타났지만, 실험군 디스크는 28.14도로 친수성이 증가함을 보였다.

○ 표면 아민기(Amine group)

실험군 디스크 표면에 형성된 박막의 FT-IR 스펙트럼 분석결과를 도 9에 나타내었다.

FT-IR 스펙트럼 분석결과, 1600cm^-1 부근에서 일차 아민피크를 확인할 수 있었고 이를 근거로 디스크 표면에 아민 중합고분자 박막의 존재를 확인할 수 있었다. 따라서 플라즈마 중합에 의한 표면처리가 성공적으로 이루어졌음을 확인하였다.

○ 표면 아민 농도(Amine concentration)

실험군 디스크 표면에 형성된 박막의 아민 농도 분석결과를 도 10에 나타내었다.

표면에 존재하는 아민 농도는 30W에서는 41μmol/cm², 50W에서는 64μmol/cm², 70W에서는 73μmol/cm² 로 파워가 증가할수록 표면의 아민 농도가 증가하는 것으로 나타났다.

(2)디스크의 in vitro 평가결과

○ 조골모세포주 증식

실험군(중합처리시 플라즈마 파워 50W)과 대조군의 디스크 표면에서 1, 3, 5일 동안 배양된 조골모세포의 증식율을 도 11에 나타내었다. 세포증식율은 MTT assay를 통해서 평가하였다.

실험군의 조골모세포의 증식율이 대조군에 비해 훨씬 높게 나타남을 확인하였다.

○ 조골모세포주의 골격 및 세포핵 관찰

실험군(중합처리시 플라즈마 파워 50W)과 대조군의 디스크 표면에 부착된 세포형태를 관찰하기 위하여 Rhodamine-Phalloidin과 DAPI형광염색을 실시하였다. 세포 파종 후 4시간 후 형광현미경으로 관찰한 이미지를 도 12 및 도 13에 나타내었다. 도 12는 대조군의 디스크 표면 이미지이고, 도 13은 실험군의 디스크 표면 이미지이다.

세포수는 대조군 표면에 비해 실험군 표면에서 더 많이 보이며 또한 세포골격이 넓게 퍼지는 것으로 나타났다. 따라서 실험군의 생체적합성이 향상됨을 확인할 수 있었다.

○ 조골모세포주 분화

실험군(중합처리시 플라즈마 파워 50W)과 대조군 디스크 표면에서 7일 동안 배양된 조골모세포의 ALP 활성 측정 결과를 도 14에 나타내었다.

실험군과 대조군 디스크 표면에 조골모세포를 7일 동안 배양 후 ALP활성을 조사한 결과, 실험군에서 현저하게 분화능이 증가함을 확인할 수 있었다.

○ 골석회화(Calcification)

실험군(중합처리시 플라즈마 파워 50W)과 대조군 디스크 표면에 부착된 골석회화를 조사하기 위하여 Alizarin red S 염색을 실시하여 그 결과를 도 15 및 도 16에 나타내었다. 도 15는 대조군 결과이고, 도 16은 실험군의 결과이다.

조골모세포를 14일 동안 배양 후 실험군에서 골석회화가 우수함을 확인할 수 있었다.

4. 결론

티타늄 디스크에 블라스팅+플라즈마 중합반응에 의한 표면처리 후 디스크 표면의 물성변화와 in vitro 평가 후 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

(1)무처리 디스크 표면에 비하여 표면처리된 디스크 표면은 소수성에서 친수성으로 변화되었다.

(2) 표면처리된 디스크 표면은 폴리아민 고분자박막으로 코팅되었음을 확인하였다.

(3) 무처리 디스크 표면에 비하여 표면처리된 디스크 표면에서는 조골모세포 증식율이 현저히 증가되었다.

(4) 표면처리된 디스크 표면에서는 무처리 디스크 표면에 비하여 조골모세포 수가 증가되었고, 세포골격 또한 우수하였다.

(5) 표면처리된 디스크 표면에서는 조골모세포의 분화도가 증가하였고, 골석회화 또한 우수하였다.

이상과 같은 결과들을 통해 본 발명은 악안면 플레이트의 생체적합성을 향상시킬 것으로 기대되며, 골 융합 시간을 단축시킬 뿐만이 아니라 골 재생 능력이 우수할 것으로 보인다.

<동물실험>

1. 개요

표면처리된 악안면 플레이트에 대한 동물실험을 통해 효과를 살펴보고자 실험을 진행하였다. 티티늄 금속판은 CNC로 가공하여 도 2와 같은 모양의 기재를 만든 후 블라스팅 처리 후 플라즈마 중합반응에 의해 표면처리하여 아민기를 갖는 박막을 형성하였다. 블라스팅 처리는 상술한 in vitro 실험과 동일한 방법으로 진행하였다. 그리고 플라즈마 공정은 하기의 표 2의 조건으로 진행하였다.

처리조건	전처리	중합처리	후처리
플라즈마 처리조건 (플라즈마 가스, 파워, 방전시간)	가스 - Argon 파워 - 100W 시간 - 300s	모노머 - Allylamine 파워 - 50W 시간 - 300s	가스 - Argon 파워 - 30W 시간 - 60s

본 실험은 블라스팅+플라즈마 처리한 악안면 플레이트(실험군)와 무처리한 악안면 플레이트(대조군)를 가토 두개골 결손부에 식립시 어느 정도 골재생능에 차이가 있는 지를 비교해 보고자 시행되었다.

2. 실험과정(대상 및 방법)

-실험동물: 가토(2kg, male)

- 방법: 모든 외과적 처치는 멸균 하에 진행되었다.

1)기구 소독

실험 하루 전 동물실험과 관계된 모든 수술시구에 대해 autoclave를 이용한 가압증기 멸균을 시행하였다(121℃. 15 pound, 15분).

2) 진정

토끼의 무게를 측정하여 kg당 Zoletil(Zoletil50, Virbac Co, France) 3ml를 대퇴부에 근육주사를 하여 진정 및 마취 유도를 하였다.

3)면도

토끼를 prone position으로 위치시킨 후 정수리부터 안와 상연까지 면도를 시행하였다.

4)수술 부위 소독

포비돈요오드 및 클로르헥시딘글루콘산염액과 이소프로판올을 이용하여 수술 부위의 소독을 시행하였다.

5)수술 부위 국소 마취

1:100000 epinephrine 이 함유된 lidocaine을 이용하여 수술 부위에 침윤마취를 시행하였다.

6)절개 및 박리

No. 15 blade를 이용한 절개 및 피하조직과 골막을 박리한 후 두개골을 노출시켰다.

7)골형성

두개골이 노출되면 Round bur를 이용하여 주수하에 소형금속판을 위치할 수 있는 얇은 홈을 형성하였다.

8)위치 및 고정

골형성이 완료되면 우측에는 대조군을, 좌측에는 실험군을 위치시킨 후 screw를 이용하여 고정하였다.

9)층별 봉합

2-0 vicryl을 이용하여 골막 봉합을 시행한 후 3-0 vicryl을 이용하여 근육봉합을, 5-0 vicryl과 6-0 nylon을 이용하여 피하와 피부 봉합을 시행하였다.

10)봉합 부위 소독 및 주사

수술 전과 마찬가지로 포비돈요오드 및 클로르헥시딘글루콘산염액과 이소프로판올을 이용하여 수술 부위의 소독을 시행하였고, 1세대 Cephalosporin antibiotics와 Keromin을 주사하였다.

11) 일일 소독 및 경과관찰

토끼의 전신상태 및 수술 부위의 창상치유와 감염여부 등을 일일 확인하고 소독하였다.

12) 4주 후 희생 및 샘플 채취

4주 후 KCl 용액을 이용하여 토끼를 희생하였으며 식립된 악안면 플레이트 주위로 5mm의 여유 경계를 두고 골절도를 이용하여 골편을 채취하여 샘플을 제작하였다.

3. 결과

1)Clinical finding

토끼 희생 당일 대조군과 실험군의 식립된 모습을 도 17 및 도 18에 나타내었다. 도 17이 대조군 사진이고, 도 18이 실험군 사진이다.

조직을 박리시 실험군의 연조직 접촉면에서는 대조군에 비해 박리가 비교적 깔끔하게 진행되었으며 주변에 남아있는 골막이나 염증조직의 양이 적고 매끈한 골 표면을 확인할 수 있었다.

2) Histologic finding (H & E stain)

채취한 대조군과 실험군 샘플의 조직학적 사진을 도 18 및 도 19에 나타내었다. 도 19는 대조군의 샘플 모습이고, 도 20은 실험군의 샘플 모습이다.

대조군에 비해서 실험군의 연조직 접촉면에 박리가 더 깔끔하게 된 것을 확인할 수 있으며, 염증조직 또한 적거나 없음을 확인할 수 있다. 골 접촉면을 살펴보면 대조군에 비하여 실험군의 골접촉면에서 골층이 더 긴밀한 접촉을 이루고 있으며 연조직이 개재된 비육이 적음을 확인할 수 있었다.

3) Histomorphologic finding

악안면 플레이트의 골 접촉면에서 전체 길이 중 골이 형성된 부분의 길이 비율이 대조군에 비하여 실험군에서 높았다.

대조군과 실험군 각 시편 6개의 골접촉 부위의 길이 평균값은 하기 표 3과 같다.

구분	골접촉 부위의 평균 길이(mm)
대조군	14.35
실험군	31.23

4) Micro-CT finding

대조군과 실험군의 Micro-CT 사진을 도 21 및 도 22에 나타내었다. 도 21은 대조군의 사진이고, 도 22는 실험군의 사진이다.

대조군은 하방으로 듬성듬성 골이 형성되어 있는 반면에 실험군은 하방으로 비교적 전체적으로 긴밀하게 골이 형성되어 있다.

Micro-CT data를 통해 현미경에서 살펴본 것과 마찬가지로 대조군에 비하여 실험군의 골접촉면에서 형성된 골의 비율이 월등히 높고, 악안면 플레이트와 형성된 골층의 간격이 좁고 긴밀한 것을 확인할 수 있었다.

4. 결론

이상의 결과에서 골접촉면에 블라스팅+플라즈마 중합반응에 의해 표면처리를 한 실험군은 아무 처리도 하지 않은 대조군에 비해 골형성능이 높게 나타났다.

이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

1: 악악면 플레이트 3: 기재
5: 표면처리층 7: 유착방지코팅층

Claims

금속 소재로 이루어진 기재와;
피부조직을 향하도록 상기 기재의 상부에 형성되어 상기 피부조직과의 유착을 방지하기 위한 유착방지코팅층과;
악골을 향하도록 상기 기재의 하부에 형성되어 상기 악골과의 골융합을 증대시키기 위한 표면처리층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 구강 악안면 재건수술을 위한 악안면 플레이트.
제 1항에 있어서, 상기 유착방지코팅층은 다이아몬드상 카본(DLC) 박막인 것을 특징으로 하는 구강 악안면 재건수술을 위한 악안면 플레이트.
제 1항에 있어서, 상기 표면처리층은 블라스팅에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 구강 악안면 재건수술을 위한 악안면 플레이트.
제 1항에 있어서, 상기 표면처리층은 플라즈마 중합반응에 의해 아민기를 갖는 박막으로 형성된 것을 특징으로 하는 구강 악안면 재건수술을 위한 악안면 플레이트.
금속판을 가공하여 기재를 형성하는 가공단계와;
상기 기재의 일면에 피부조직과의 유착을 방지하기 위한 유착방지코팅층을 형성하는 코팅단계와;
상기 기재의 타면에 악골과의 골융합을 증대시키기 위한 표면처리층을 형성하는 표면처리단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구강 악안면 재건수술을 위한 악안면 플레이트의 제조방법.