Biomimetic characteristics of mussel adhesive protein loaded collagen membrane in guided bone regeneration of rabbit calvarial defects

Abstract

Purpose: The aim of the present study was to evaluate the biocompatibility and barrier function of mussel adhesive protein (MAP)-loaded collagen membranes in guided bone regeneration (GBR). Methods: Eight male New Zealand white rabbits were used. Four circular defects (diameter: 8 mm) were created in the calvarium of each animal. The defects were randomly assigned to 1) a negative control group, 2) a cyanoacrylate (CA)-loaded collagen membrane group (the CA group), 3) a MAP-loaded collagen membrane group (the MAP group), and 4) a group that received a polycaprolactone block with MAP-loaded collagen membrane (the MAP-PCL group). Specimens were harvested at 2 weeks (n=4) and 8 weeks (n=4) postoperatively for observational histology and histometric analysis. Results: In the histologic analysis, MAP was completely absorbed without any byproducts. In contrast, some of the CA adhesive remained, showing an inflammatory reaction, at 8 weeks. In the MAP-PCL group, the MAP-loaded collagen membranes served as a barrier membrane despite their fast degradation in GBR. No significant difference was found in the amount of new bone between the MAP-PCL and MAP groups (1.82±0.86 mm2 and 2.60±0.65 mm2, respectively). Conclusions: The MAP-loaded collagen membrane functioned efficiently in this rabbit calvarial GBR model, with excellent biocompatibility. Further research is needed to assess clinical applications in defect types that are more challenging for GBR than those used in the current model. 목적: 골유도재생술은 위축된 치조골의 재건 시 유용한 술식으로 재생을 위한 공간 유지, 이식재의 견고한 고정 등이 성공을 위한 전제조건으로 알려져 있다. 차단막의 고정으로 이를 도모할 수 있으며 봉합술, 스크류 혹은 핀 식립 등의 방법을 이용할 수 있지만 조직접착제를 활용하는 손쉬운 접근법도 고려해볼 수 있다. 하지만 대표적으로 사용되는 시아노아크릴레이트 접착제는 잔존물이 남아 수술 부위에 부정적 영향을 일으킬 수 있다는 일부 연구 결과가 존재한다. 최근 홍합접착단백질(mussel adhesive protein; MAP)이 생체 내에서 이용가능한 접착 물질로 제시되고 있는데 아직 전임상 연구가 부족하다. 본 연구는 토끼 두개골 결손부 내 골유도재생술식에 있어 MAP를 도포한 콜라겐 차단막의 생체적합성 및 차단 능력 평가를 목적으로 한다. 재료 및 방법: 8마리의 뉴질랜드 토끼 두개골에 각각 4개의 원형 결손부(지름: 8mm)를 형성하였다. 결손부는 1) 혈병으로 채워진 군(대조군), 2) 시아노아크릴레이트가 도포된 콜라겐 차단막 사용군(CA군), 3) MAP가 도포된 콜라겐 차단막 사용군(MAP군), 4) MAP가 도포된 차단막으로 덮인 폴리카프로락톤(polycaprolactone; PCL) 블록 이식군(MAP-PCL군)으로 무작위 분류되었다. 술 후 2주(n=4)와 8주(n=4)째 조직학적 분석을 위한 동물 희생 및 시편 채취를 하였다. 결과: 조직학적 분석 결과 MAP는 부산물 없이 완전히 흡수되었다. 대조적으로 CA군 내에서 잔존 시아노아크릴레이트가 있던 것으로 추측되는 다수의 결손부 주위로 광범위한 염증 소견이 관찰되었다. MAP-PCL군에서 MAP를 도포한 콜라겐 막은 조기 흡수를 보였지만 PCL 블록은 거의 분해되지 않았으며 PCL 블록 상방 및 내부로 신생골 형성이 관찰되었다. 조직계측학적 분석에 따르면 대조군과 MAP군에서 2주와 8주 사이 신생골의 양이 유의하게 증가하였다. MAP-PCL군과 MAP군 사이에서 신생골량(1.82±0.86mm2 vs 2.60±0.65mm2)은 유의미한 차이를 보이지 않았다. 결론: MAP를 도포한 콜라겐 차단막은 토끼 두개골을 이용한 골유도재생술 모델에서 효과적으로 기능하였으며, 뛰어난 생체적합성을 보였다. 추후 임상적인 적용을 위해서는 좀더 복잡한 결손부 모델에서의 추가 연구가 필요하다.