Effects of surface coating with collagen hydrogel / nanohydroxyapatite / recombinant human bone morphogenetic protein 2 complex on the osseointegration of dental implant

Abstract

연구배경 및 목적: 본 연구의 목적은 콜라겐 하이드로젤 (Col)/나노하이드록시 아파타이트 (nHAp)/ 2형골형성단백질 (BMP-2) (Col/nHAp/BMP-2) 복합체를 제작하여 그 효과를 검증하고, 이 복합체를 타이타늄 표면에 코팅했을 때의 골유도 효과와 임플란트 표면에 코팅했을 때 생체 내 골융합능을 확인하는 것이다.

재료 및 방법: 1형아텔로콜라겐 파우더, 콘드로이틴-6-설페이트, 나노수산화인회석, 2형골형성단백질을 0.001N의 염산에 용해시켜 Col/nHAp/BMP-2 복합체를 제작하였다. 마우스 피하에 Col/nHAp/BMP-2 복합체를 주입하고 4주 후에 희생하여 골형성 마커의 발현을 관찰하였고, 이 복합체가 코팅된 타이타늄 디스크의 표면 거칠기와 표면 친수성, BMP-2의 방출정도를 측정하였다. 또한 코팅된 디스크에 골수유래중간엽줄기세포를 배양하여 골형성 마커의 발현을 분석하였고, Col/nHAp/BMP-2복합체를 타이타늄 임플란트에 코팅하여 토끼 양쪽 경골에 식립하고, 4주 후 골-임플란트 접촉율, 신생골 형성면적, 제거토크를 평가하였다.

결과: 마우스 피하 주입 실험에서 Col/nHAp/BMP-2 복합체는 osteonectin과 CD31의 증가된 발현을 보였다. 복합체를 코팅한 타이타늄 디스크는 친수성이 증가하고 BMP-2의 방출을 5일간 지속시켰다. BM-MSC를 배양했을 때, 코팅한 표면에 있던 중간엽줄기세포가 줄기세포 특성을 크게 상실하였고, 가장 높은 골형성세포 마커의 발현을 보였다. 토끼 경골 임플란트 식립 모델에서 Col/nHAp/BMP-2 복합체를 코팅한 임플란트는 유의할 만한 신생골 형성의 증가를 보였으며, 골-임플란트 접촉율과 제거토크를 향상시켰다.

결론: 본 연구를 통하여 콜라겐하이드로젤/나노하이드록시아파타이트/BMP-2 복합체는 골형성 마커의 발현을 유도하고, 타이타늄 표면 특성을 개선시키고, 주변 세포의 골모세포로의 분화를 유도하였다. 이 복합체를 임플란트 표면에 코팅 하였을 때, 전반적으로 골유착과 관련된 수치의 증가를 보여주었으며, 특히 유의하게 증가된 신생골형성능을 보여주었다. 콜라겐하이드로젤/나노하이드록시아파타이트/BMP-2 복합체를 이용한 치과 임플란트 표면 코팅 기술은 골유착을 개선시킬 수 있는 가능성이 있다고 하겠다.

Purpose: The purpose of this study was to evaluate the osteoinductivity of collagen hydrogel (Col) / nanohydroxyapatite (nHAp) / bone morphogenetic protein (BMP) -2 (Col/nHAp/BMP-2) complex and to investigate whether the titanium surface coated with Col/nHAp/BMP2 complex can enhance osseointegration effectively. Materials and Methods: A type I atelocollagen powder, chondroitin-6-sulfate, nHAp, and BMP-2 were dissolved in 0.001 N HCl to fabricate the Col/nHAp/BMP-2 complex. Expression of osteogenic markers were evaluated using mouse subcutaneous model with injecting Col, Col/nHAp or Col/nHAp/BMP-2. To investigate osteogenic potential of bone marrow mesenchymal stem cell (BM-MSC) on coated titanium disc with Col/nHAp/BMP-2 complex, cell culture study and the measuring of the amount of released BMP-2 were evaluated. Finally, the osseointegration potential of titanium implants coated with Col/nHAp/BMP-2 complex was evaluated in rabbit tibia model for 4 weeks by comparing bone-implant contact, new bone formation and removal torque. Results: Mouse subcutaneous pocket injected with Col/nHAp/BMP-2 complex expressed osteonectin and CD31. Titanium discs coated with complex increased the hydrophilicity and the release of BMP-2 from Col/nHA/BMP-2 was maintained for 5 days. Culturing of BM-MSC on discs induced the loss of stemness and increased the expression of alkaline phosphatase activity, glycosaminogrlycan, osteopontin, osteocalcin, osteonectin and osteoprotegrin. Col/nHAp/BMP-2 coated implants in rabbit tibias showed significantly increased new bone formation compared with non-coated implants. Conclusions: Col/nHAp/BMP-2 complex induced the expression of osteogenic markers, increased the surface characteristics when coated on a titanium surface and induced the osteoblastic differentiation of the BM-MSC. Implants coated with Col/nHAp/BMP2 complex showed increased osseointegration values in general with significant improvement in new bone area. These results suggest that surface coating with Col/nHAp/BMP-2 complex has the potential to improve the osseointegration of dental implants.