▲ 장명철 교수 사진(사단법인 한아세안포럼 제공)     ©발행인

2. 생체모방과학과유무기복합체

2.1 인공뼈제조반응기설계

그림3에서보듯이인체뼈는뼈성분을생성시키는골아세포(Osteoblast cell)와뼈성분을파괴하는파골세포(Osteoclast cell)로이루어져있고, 세포내에서의신진대사에의해뼈생성과뼈소멸이동시에일어난다. 골아세포와파골세포에의한골신진대사에의해3개월주기로뼈의재생이일어난다.

인공뼈제조화학에는그림4에서보듯이뼈생성세포인골아세포에의한신진대사화학(Metabolic chemistry)을일부모방하여만들어왔다. 여기서반응기로는파이렉스유리비이커이거나테프론코팅스텐레스용기를사용한다. 1세대모방공학에서는그림4(A)에서처럼인산칼슘결정의원료화합물로Ca(OH)2내지CaCl2,그리고H3PO4를이용해왔고콜라겐이나젤라틴을인산화시켜침전물을얻었다. 이후그림4(B)에서보듯이자유칼슘이온및인산의이온화도에따른아인산내지차아인산을얻기위해이온교환막을이용한시스템을구성하였다. 인공뼈는단백질원으로콜라겐혹은젤라틴을사용하고이단백질분자구조에무기질결정인수산화아파타이트(HA, hydroxyapatite) 나노결정이석출되게한다. 이를뼈과학에서는광물질화(Mineralization) 혹은석회화(Calcification)라한다. HA의결정화학식이Ca10(PO4)6(OH)2로서주요성분인Ca2+이온이콜라겐단백질의결정성분으로결합되게되어있다. 인체내에서는소화과정을통해흡수된Ca2+이온이세포막을통해골세포내로흡수되어뼈생성을돕는다. 생체세포에서는효소및이온통로조절에의해이러한반응이이루어지나공학적설계에서는효소를사용하지않는화학공정반응으로아파타이트결정을석출하는공정이고, 석출물은석회화매체인콜라겐이나젤라틴분자표면에서의화학반응으로결합하여달라붙게된다. 그림4의화학반응설계도에서반응온도는체온과유사한38℃도에서반응을진행시킨다. 여기서사용하는물질전달장비및도구는실제병원에서수혈등에서사용되는의료용펌프(Masterflex pump) 와실리콘관을활용한다. pH 미터, 펌프, 반응기온도등을반응프로그램에따라자동으로조절할수있게장치를꾸민다. [Ca2+]와[PO43-]의pH 및온도에따른상평형도에따라원하는결정상을생성하도록한다. 이상의시스템을세밀하게꾸미고주기적으로pH미터, 반응기, 펌프, 실리콘튜브등을보수하여야한다. 그림4A는일세대반응기시스템이고실제세포와유사한반응기시스템을목표로하여세포막을대신하는이온교환막을사용하는2세대반응시스템을도입하였다. 이는1세대의경우티타늄임플란트처럼인체뼈의대체만을목표로개발되어왔고2세대에서는임플란트로대체된후인체뼈신진대사로인체뼈로의재생(Bio-regeneration) 을목표로하여개발되었다. 그림4B에서보면사각반응기의중간에격막을두었는데격막이이온교환막으로Ca2+및PO43-의자유이온을얻기위해음이온교환막과양이온교환막을사용하는전해투석반응(Electrodialysis)을이용하는시스템이다.

그림 3. 뼈 형성 기구

(B)

그림4(A) 생체모방공학을응용한HA/COL 나노복합체석출반응개념도, (B) 교환막을통한자유이온형성및농도조정을이용하는HA/GEL나노복합체제조개념도

2.2 인공뼈제조화학

공침법을이용하여수산화아파타이트/(젤라틴, 콜라겐) 나노복합체를제조한다. 제조에있어콜라겐이나젤라틴단백질농도가높으면미세한아파타이트나노결정의단백질복합체가얻어지고농도가낮으면아파타이트결정크기가커진다. 아파타이트나노결정이콜라겐이나젤라틴분자의C축을따라배열하여달라붙어있다. 이는인체뼈에서의콜라겐-HA 결정구조와유사하다. 칼슘이온농도와인산이온농도를일정하게유지하는수용액계에용해되어있는단백질의농도는아파타이트결정의핵생성및발달을위한불균질핵생성위치를제공하는중요한역할을한다. 콜라겐농도가높아지면칼슘이온(Ca2+)에대한핵생성을위한활성화위치를많이제공하게되며이는핵생성위치에대한칼슘이온농도가상대적으로낮아짐을의미한다. 아파타이트를제조하기위한칼슘원으로탄산석회(CaCO3)를머플로중에서1150℃로세시간정도하소한후냉각하여3배수의증류수를첨가하여수산화칼슘Ca(OH)2을제조한다. 이수산화칼슘을120℃에서두시간건조하여무게를달고수산화칼슘중의칼슘양을결정하여사용한다. 하소반응은다음과같다.

CaCO3=CaO+CO21150℃(1)

얻어진생석회에물을첨가하여수산화칼슘을얻는다.

CaO + H2O=Ca(OH)2100℃(2)

인산과의공침반응이전에증류수1리터에소정의수산화칼슘분말을넣고교반시켜자유칼슘이온(Free Ca2+)을만들어둔다.

Ca(OH)2+H2O=Ca2++OH-38℃(3)

아울러인산과젤라틴을교반시켜젤라틴을인산화시킨다.

H3PO4+H2O=H2PO4+HPO4+PO4+OH-38℃(4)

H3-xPO4-x+GEL=phosphorylatedgelatin 38℃(5)

콜라겐의경우는콜라겐제조공정에서인산화되어있는콜라겐을공급받아사용한다. 이경우공급받는콜라겐용액의pH 및콜라겐농도등을기재하게된다. 이상과같이만들어진칼슘이온의슬러리와인산화젤라틴의슬러리각각을펌프를이용하여38℃, pH=8에서공침이되도록작동을시킨다. 물2리터에수산화칼슘0.1995몰을용해시킨석회유와5g의콜라겐을용해시킨인산수용액(아테로콜라겐) 59.7mM을7리터크기의반응용기에자동pH제어기및자동모터펌프를사용하여동시침전시킨다. 공침반응이끝난후38℃에서12시간동안숙성시키고이때의pH는공기중탄산가스흡수로7.0까지떨어진다. 재조예로서는젤라틴의경우수산화칼슘과인산의첨가량을수산화아파타이트[HA, Ca10(PO4)6(OH)2]양이10g이되도록한다. 젤라틴3g 내지5g을인산과혼합하여수용액으로만들고2리터용액에앞서만든석회유를각각펌프로이송하여반응조에떨어뜨려침전시킨다.

3. 임상및등록특허

인공골제조에서의마지막단계는환자의손상된치아를재생복구시키기위한한자임상실험이다. 치과의사와의협업연구과정이필수적이다. 춘천의나치과의원과10여년에걸쳐환자에게임상실험을수행하여그결과중하나를아래와같이특허등록받았다.

특허등록10-2307234 2019년7월9일출원2021년9월24일등록

제조예 1: 치주용 시멘트 조성물(GEMMA) 제조

하기 조성을 갖는 파우더 성분과 리퀴드 성분으로 이루어진 치주용 시멘트 조성물 GEMMA(상표)를 제조하였다.

파우더 성분

β-TCP(β-tricalcium phosphate) 6.8 g,

CSH(calcium sulfate hemihydrate) 2.4 g,

bioMTA사의 Retro MTA 0.8 g

리퀴드 성분

과인산 0.001392 g

saline 1 cc

자가치아이식은 상실된 치아를 대신하여 사랑니나 기타 매복치 등 이용이 가능하다고 판단되는 치아를 빠진 곳에 옮겨 치유를 얻어 기능을 하게 하는 방법이다. 여기에는 특히, 사랑니가 많이 활용이 되고 있고, 치아를 뽑아서 옮겨오기 때문에 자가이식을 하는 치아는 생체활력을 잃게 되어 신경치료를 하여야 하며 이식 후에는 이식치아를 주변에 교정용 철사나 레진 접착과 같은 방법으로 고정하여 6-8주정도 뼈에 완전히 붙을 때까지 고정을 유도하게 된다. 그리고 고정이 되어 안정적인 사용이 가능하게 되면 금속관을 씌어 치아을 보호해 주어야 한다. 자가치아이식은 자신의 치아를 사용하게 되므로 관리가 잘하면 임플란트에 비해 여러모로 장점을 가질 수 있다.

일반적으로 치아가 결손 되면 주위 치아를 삭제한 후 양쪽 지대치를 연결하여 계속가공의치(bridge)를 하는데 건강한 인접치를 손상시키는 문제가 발생할 수 있다. 그러나 치아이식을 하게 되면 건강한 인접치의 손상을 피할 수 있다. 인접치를 손상시키지 않고 결손치를 수복할 수 있는 방법으로 최근에 임플란트를 많이 이용하고 있지만 치료비가 비싸고 치료기간 또한 상대적으로 긴 문제점이 있다. 이에 비해, 자가치아이식은 임플란트에 비해 치료비가 저렴하며 치료기간도 짧고 치조골이 많이 파괴된 부위에 이식을 하여 치조골형성유도 효과도 기대할 수 있다. 이식된 치아가 고정된 후에는 자신의 치아와 같은 감각을 느낄 수 있다.

이와 같은 자가치아이식의 방법으로는 치아를 발치하고 염증의 원인이 되는 치아뿌리를 일부 잘라내고 상용화된 MTA(Mineral Trioxide Aggregate)로 뿌리 끝부분을 충전하여, 다시 재식립하는 수술로 인공치아를 이식하는 시술 없이 자신의 원래 치아를 회복할 수 있는 방법이 실시된 바 있다. 그러나, 본 발명자의 치과에서 종래 방법과 동일한 방법으로 환자들에게 MTA 임상시술을 했으나 성공율이 매우 낮았으며, 시술 후 MTA 골시멘트가 융해되어 버리는 문제가 발생하였고, 상용화된 골시멘트를 사용하는 경우에는 치아 이식 후 약 6개월간 이식 치아를 전혀 사용할 수 없어 식사에서 불편을 초래할 뿐 아니라, 부주의에 의한 이식이 실패할 수 있는 문제점이 있었다. 이에 따라, 골시멘트가 융해되지 않고, 이식 치아가 빠른 시간 안에 안정적으로 고정되어 이식 성공률이 향상되고, 환자의 불편함을 최소화할 수 있는 치주용 골시멘트 물질의 개발이 필요한 실정이다.

그림 5에서는 환자의 하악전치부의 중앙치아가 오랜 기간(40년 전부터) 충격으로 치근 일부가 흔들리고 자가재생하는 과정을 10년 마다 반복하다가 60이 넘어서 또 다시 물리적 충격으로 재생이 잘 안되고 치아의 흔들림과 이전에 없던 치아염증통증이 발생하기 시작하여 치아재이식 수술을 받게 되었다. 보통 치아염증이 치근부위에 까지 도달하면 통증이 심해지고 치료하기가 어렵고 시간과 비용이 많이 소모된다. 나치과를 방문하여 발치를 하고 2주일 후의 사진(2018년 5월 2일)과 그 일주일 후 젬마본 골시멘트를 이용하여 발치치아를 앞서 발치한 위치인 발치와에 삽입시켰다. 치아 재이식 시술시간은 3시간 정도로 그 2주일 전에 발치한 앞니를 치과용 염수에 침적시켜 두었다. 침적시킨 발치치아를 꺼내어 수분을 제거하고 표면처리를 한 뒤 젬마시멘트를 발라서 둔 후 20분 사이에 마취시킨 발치와 부분을 일부 갈아내고 젬마시멘트를 코팅하여 10분 뒤에 앞서 젬마를 코팅한 발치치아를 발치와 부분에 삽입시킨다. 삽입시킬 때는 기계적 힘을 가하여 고정시킨 후에 시술 후 30분 뒤에 임플란트 시술한 치아 상부 크라운 부위, 좌우의 치아 윗부분에 구멍을 내고 수술실을 이용하여 물리적 고정시켰다. 그 이후에 그 위에 의치를 씌어 고정시켰다. 시술 일주일 후에 병원을 재방문하여 의치를 벗겨내어 완성이 되어 1개월, 2개월, 3개월, 6개월 수순으로 병원을 방문해 사진(그림 6)을 찍어 결합상태를 점검하였다.

그림5 발치및발치치아재이식과정사진

그림6. 환자(장명철) 치아발치전(A)과후(B) 발치치아재이식6개월후(B)

4. 맺음말

인공뼈제조를위해인체모방공학을개발하고인공뼈시멘트를환자치아에사용하는임상실험은실증데이터형성도어렵고환자별차이도커서임상환자의인원과임상실시에따른적합성문제등이종합적으로검토되어야한다. 치과용골시멘트에대한임상특허를등록하였고그실시에따른임상실적을쌓으려고춘천의나치과와많은노력을축적해오던중2022년1월에나치과원장이더이상일을진행할수없는상태로되어축적된데이터를발표한다.