The effect of low intensity pulsed ultrasound on new bone formation during mandibular distraction osteogenesis in rabbits

Abstract

Background and Purpose A disadvantage of distraction osteogenesis (DO) is the long consolidation period. Low-intensity pulsed ultrasound (LIPUS) and pulsed electromagnetic field (PEMF) have been reported to enhance fracture healing, treat nonunion, and accelerate bone maturation during the consolidation stage of DO. However, a comparative study between LIPUS and PEMF has not been reported. Considering that the effect of LIPUS on enhanced consolidation after DO of long bones remains controversial and bone healing patterns in jawbone are different from those in long bone, it is necessary to investigate the LIPUS effects in facial bones. This study was aimed to assess the effect of LIPUS on new bone formation after rabbit mandibular DO and to compare with PEMF to clarify the optimal timing time and stimulation conditions in the application of LIPUS. Materials and Methods Fifty rabbits underwent DO surgery on both sides of the mandible. The distraction started 7 days after mandible osteotomy and proceeded at a rate of 1.5 mm/day for 5 days. The animals were randomly divided into three test groups as follows: Test I compared the enhanced new bone formation between the PEMF (pulse width: 12 μs, pulse frequency: 60 Hz, magnetic intensity: 10 Gauss (= 10^(-3) tesla)) and LIPUS applications (1.5 MHz, 30 mW/㎠) during consolidation; Test II evaluated the different LIPUS intensities and frequencies (1.5 MHz, 15 mW/㎠; 1.5 MHz, 30 mW/㎠; 1.5 MHz, 60 mW/㎠; 3 MHz, 30 mW/㎠) whether new bone formation is increased; and Test III investigated the optimal application timing (distraction period versus consolidation period) to enhance consolidation after DO. The rabbits were sacrificed 6 weeks after surgery, and mandible samples were harvested. Bone formation at the distraction site was assessed by microcomputed tomography scan and histological examination. Results In Test I, LIPUS stimulation showed significantly higher bone volume (BV) than PEMF stimulation (p < 0.05), and higher BV (p < 0.001) and bone mineral density (BMD) (p < 0.05) compared to the control. The application of LIPUS stimulation with a frequency of 1.5 MHz and an intensity of 30 mW/㎠ resulted in significantly increased BV (p < 0.05) and BMD (p < 0.05) than the control in Test II. Test III showed that LIPUS stimulation with a frequency of 1.5 MHz and an intensity of 30 mW/㎠ resulted in significantly increased BV (p < 0.001) and BMD (p < 0.001) during the consolidation period compared with the distraction period, and a higher BV (p < 0.001) during the consolidation period compared with the control. Conclusion LIPUS accelerated more new bone formation than PEMF. Furthermore, LIPUS stimulation with a frequency of 1.5 MHz and an intensity of 30 mW/㎠ increased the BMD and BV effectively when it is applied during the consolidation period after mandibular DO.

1. 목적 골신장술은 골절단 후 점진적으로 신장시켜 연조직과 경조직의 길이 신장을 동시에 도모하여 골결손을 치료하는 방법이지만, 골신장술 후 기능적 부하를 받을 수 있을 정도의 단단한 뼈가 되기까지 시간이 많이 걸리는 문제점이 있다. 골절이나 골절 후 유합이 지연되는 경우 치유를 촉진하거나 골신장술 후 골이 완전히 성숙되는 시간을 단축하기 위하여 성장호르몬, 사이토카인, BMP등의 주입, 전기적 자극, 전자기장 및 레이저 같은 외부자극 등을 활용하는 방법들이 제시되었다. 최근 하악골 신장술 후 저강도 맥동 초음파(Low intensity pulsed ultrasound: LIPUS)를 이용한 골형성 촉진에 대한 연구가 보고되었지만, 현재 많이 사용되고 있는 맥동 전자기장(Pulsed electromagnetic field: PEMF)에 대한 비교연구가 없으며, 골신장술에서 효과적인 초음파 자극 세기와 자극 시점에 대해 알려진 바가 미미하다. 본 논문은 토끼의 하악골 신장술에서 저강도 맥동 초음파가 신생골 형성에 미치는 효과를 맥동 전자기장 효과와 비교하고, 효과적인 저강도 맥동 초음파 자극 세기와 자극 시점을 평가해 보고자 하였다.

2. 연구방법 토끼의 양쪽 하악골을 절단하여 골 신장장치를 하악골에 고정하고, 일주일 동안의 잠복기를 거친 후 하루에 1.5 mm씩 신장하여 5일 동안 총 7.5 mm을 신장하는 모델을 확립한 후, 총 50마리의 토끼를 대조군과 실험군으로 나누고, 임의로 각 세부 군당 5마리씩 배정하였다. 대조군은 골신장술은 하였지만 자극을 받지 않았다. 실험군은 테스트 I, II, III으로 나누었다. 테스트 I에서는 맥동전자기장(주파폭: 12 μs, 주파수: 60 Hz, 자극세기: 10 Gauss (= 10^(-3) tesla)과 맥동초음파(1.5 MHz, 30 mW/㎠)의 골형성 비교를 하였고, 테스트 II에서는 서로 다른 자극세기를 가진 4가지 저강도 초음파 자극군(1.5 MHz, 15 mW/㎠; 1.5 MHz, 30 mW/㎠; 1.5 MHz, 60 mW/㎠; 3 MHz, 30 mW/㎠)의 골형성을 비교 평가하였으며 테스트 III에서는 2가지 자극 시점(골신장 기간, 골경화기간)에서의 골형성 정도를 평가하였다. 전자기장 자극군의 경우, 골신장이 끝난 다음날부터 하루에 2시간씩 5일간 총 4주 동안 자극을 주었다. 저강도 맥동 초음파 자극군의 경우 자극 세기를 달리하여 골신장이 끝난 다음날부터 하루에 20분씩 5일간 총 4주 동안 자극을 주었다. 4주의 골경화기간이 끝난 이후 모든 토끼를 안락사 시켜 조직을 채취하였다. 조직은 Micro-CT를 이용하여 골신장 부위의 신생골 형성정도를 분석하고, Masson's trichrome 염색, vascular endothelial growth factor 면역 염색을 하여 조직의 반응과 골형성 활성도를 조사하였다.

3. 결과 테스트 I에서는 저강도 맥동 초음파 자극군이 맥동 전자기장군에 비하여 골체적이 유의하게 높았으며 (p < 0.05), 대조군과의 비교에서 저강도 맥동 초음파 자극군만 골체적 (p < 0.001)과 골밀도 (p < 0.05)에서 유의하게 높았다. 테스트 II에서는 1.5 MHz, 30 mW/㎠의 저강도 맥동 초음파 자극군이 대조군에 비해 골체적과 골밀도에서 유의하게 높았으며 (p < 0.05), 1.5 MHz, 30 mW/㎠의 저강도 맥동 초음파 자극을 골경화시기에 적용하는 것이 골신장기간에 적용한 경우 (p < 0.001)와 대조군에 비해 (p < 0.001) 골체적이 유의하게 높았고, 골밀도에서도 골경화기간에 적용하는 것이 골신장기간에 적용하는 것 보다 유의하게 치밀한 골형성을 보였다 (p < 0.001).

4. 결론 가토의 하악골 신장모델에서, 저강도 맥동 초음파 자극군이 맥동 전자기장군에 비하여 더 좋은 골형성 촉진을 보였으며, 1.5 MHz, 30 mW/㎠의 저강도 맥동 초음파 자극을 골경화기간에 적용하여 골체적과 골밀도를 효과적으로 향상시킬 수 있었다.