The effects of hydroxyapatite - chitosan membrane according to proportion on bone formation in rat calvarial defects

Abstract

[한글]차단막을 이용한 조직유도재생술이 골재생을 위한 방법으로 제시되어 왔다. 흡수성 차단막은 흡수속도 조절이 어렵고 염증반응의 우려가 있으나, 비흡수성 차단막에 비해 2차수술을 하지 않아도 된다는 장점이 있다. 한편, 키토산 (chitosan, CS)은 생분해가 가능하고 독성이 없는 중합체로서 생체적합성이 우수한 것으로 알려져 있으며 치주 병소에 적용하는 연구가 지속되고 있다. Hydroxyapatite (HA)는 인체의 뼈를 구성하는 성분 중 하나로, 치과와 정형외과 분야에서 활용되고 있는 골대체제이다. 딱딱하고 부러지기 쉬운 HA의 단점을 보강하기 위해 나노입자 형태로 변형시킨 후, 키토산과의 시너지 효과를 얻고자 HA-CS복합섬유를 개발하였다. 본 연구에서는 백서 두개골에 다양한 농도의 HA-CS 차단막을 이식하여, HA-CS의 비율에 따른 골형성량을 비교하고자 하였다. 70마리의 백서를, 1) 키토산 (CS) 100% 차단막, 2) HA 30%/CS 70% 차단막, 3) HA 40%/CS 60% 압축 차단막, 4) HA 40%/CS 60% 차단막, 5) HA 50%/CS 50% 차단막, 6) HA 50%/CS 50% 압축 차단막, 7) 아무것도 이식하지 않은 대조군 그룹으로 나누어. 각각의 차단막을 백서 두개골의8㎜ 원형 결손부에 이식하였다. 이를 술후 2주, 8주에 희생하여 치유 결과를 조직학 및 조직계측학적으로 비교 관찰하였다. 그 결과 HA-CS 차단막은 rat calvarial defect에서 대조군에 비해 많은 골형성을 나타내었다. 또한 HA 함유량이 가장 많은 실험 5군과 6군에서는, HA 함량이 적은 실험군에 비해 초기 2주차 골생성량이 유의하게 더 많았다.

결론적으로, HA-CS 차단막은 생체재료의 장점을 가지고 있으며, 치주조직의 재생치료에 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 보인다. 그러나, HA-CS 차단막이 확실한 scaffold 역할을 할 수 있기 위해서는, 향후 기계적 물성의 개선을 위한 연구가 더 필요하다.

[영문]Absorbable membranes are being evaluated as potential candidates for periodontal and bone regeneration therapy. Absorbable membranes have poor membrane stability in the wet state and may cause space loss but do not need to undergo a second surgery, and membrane exposure is rare. Recently, interest in chitosan has increased due to its excellent biological properties such as biocompatibility, antibacterial effect, and rapid healing capacity. On the other hand, hydroxyapatite is used as a bone substitute in the fields of orthopedics and dentistry. The hydroxyapatite-chitosan (HA-CS) complex containing hydroxyapatite nanoparticles was developed for synergy of both biomaterials.

The objective of this study was to evaluate the effect of hydroxyapatite (HA)-chitosan (CS) membrane on bone regeneration in the rat calvarial defect.

Eight-millimeter critical-sized calvarial defects were created in 70 male Sprague-Dawley rats. The animals were divided into 7 groups of 10 animals and received either 1) chitosan (CS) 100% membrane, 2) hydroxyapatite (HA) 30%/CS 30% membrane, 3) HA 40%/CS 60%, pressed membrane, 4) HA 40%/CS 60% membrane, 5) HA 50%/CS 50% membrane, 6) HA 50%/CS 50%, pressed membrane, or 7) a sham ? surgery control. The amount of newly formed bone from the surface of the rat calvarial defects was measured using histomorphometry and following 2- or 8- week healing intervals.

Surgical implantation of the HA-CS membrane resulted in enhanced local bone formation at both 2 and 8 weeks compared to the control group. The HA-CS membrane would be significantly more effective than the chitosan membrane in early bone formation.

Further studies will be required to improve the mechanical properties to develop a more rigid scaffold for the HA-CS membrane.

In conclusion, concerning the advantages of biomaterials, the HA-CS membrane would be an effective biomaterial for regeneration of periodontal bone.