Three-dimensionally printed biphasic calcium phosphate blocks with different pore diameters for regeneration in rabbit calvarial defects

Abstract

Purpose: The aim of this study was to compare three-dimensionally printed biphasic calcium phosphate (BCP) block bone substitutes with different pore diameters (0.8-, 1.0-, and 1.2- mm) for use in the regeneration of rabbit calvarial defects. Methods: This study used 3D printed BCP blocks with various pore diameters. The BCP consisted of HA and β-TCP at a 60:40 ratio, and had pore diameters of 0.8, 1.0, and 1.2 mm. The 3D-printed block bone substitutes were prepared using a digital light processing 3D printer. Four circular defects were formed on the calvaria of ten rabbits. Each defect was randomly allocated to one of the following study groups: (ⅰ) control group, (ⅱ) 0.8-mm group, (ⅲ) 1.0-mm group, and (ⅳ) 1.2-mm group. All specimens were postoperatively harvested at 2 and 8 weeks, and radiographic and histomorphometric analyses were performed on the samples. Results: Histologically, the BCP blocks remained unresorbed up to 8 weeks, and new bone formation occurred within the porous structures of the blocks. After the short healing period of 2 weeks, histomorphometric analysis indicated that new bone formation was significantly greater in the BCP groups compared with the control (p<0.05). However, there were no significant differences between the groups with different pore diameters (p>0.05). At 8 weeks, only the 1.0-mm group (3.42±0.48 mm2, mean±standard deviation) presented a significantly larger area of new bone compared with the control (2.26±0.59 mm2) (p<0.05). Among the BCP groups, the 1.0- and 1.2-mm groups exhibited significantly larger areas of new bone compared with the 0.8-mm group (3.42±0.48 and 3.04±0.66 vs 1.60±0.70 mm2, respectively) Conclusion: Within the limitations of this study, the BCP block bone substitutes can be applied to bone defects for successful bone regeneration. In the 1.0mm pore diameter BCP block, regeneration was promoted by fusion between new bones, showing the most bone regeneration results among the experimental groups. Future studies should investigate more-challenging defect configurations prior to considering clinical applications 치조제증강술은 임플란트 식립을 용이하게 하기 위해 치조제결손부에서 흔히 시행된다. 노화 또는 치주 및 치근단 병리로 인해 치조제의 심한 흡수가 발생할 수 있다. 이러한 임상 상황에서 이식부위의 구조적 안정성을 위해 블록형태의 골이식재 사용이 제안되었다. 최근 3차원 프린트 기술의 발달으로 블록형 골이식재를 개인의 결손 형태에 맞게 맞춤화 할 수 있고, 생체 재료의 화학적 조성, 다공성 등의 특성을 조절할 수 있다. 이상성 인산 칼슘(Biphasic calcium phosphate)은 가장 흔히 사용되는 합성 골이식재로, 수산화인회석(hydroxy apatite)와 베타삼인산칼슘(beta tricalcium phosphate)의 조합으로 구성된다. 수산화인회석은 세포 이동, 혈관 형성 및 신생골 형성을 위한 골전도성 지지체를 제공하며, 인산칼슘은 자연골의 화학성분으로 우수한 생체적합성을 가지며 신생골 형성을 위한 칼슘 및 인산염 이온을 제공한다. BCP 블록에서 상호 연결된 기공의 존재는 세포의 침투 및 혈관 형성을 허용하며, 기공의 크기는 골형성 및 이식재의 흡수 속도에 영향을 줄 수 있다. 골 재생을 위한 최적의 기공 크기를 결정하기 위한 많은 연구가 있었지만, 그 결과는 아직 논란의 여지가 있다. 따라서 본 연구는, 토끼 두개골 결손 모델에서, 삼차원적으로 프린트된 서로 다른 기공 크기를 가지는 이상성 인산칼슘 블록의 골재생 효과를 임상적, 방사선학적 그리고 조직계측학적으로 비교 고찰하는 데에 목적을 두었다. 골재생 효과를 비교하기 위한 골 이식 재료로는 수산화인회석과 베타 삼인산칼슘이 60:40비율으로 구성된 이상성 인산 칼슘(Biphasic calcium phosphate) 블록을 8mm (직경) x 2mm (높이)로 프린트하여 제작하였다. 10마리의 토끼(male New Zealand white rabbit)를 대상으로 8mm (직경)의 트레핀 버(trephine bur)를 이용하여 두개골에서 4개의 원형 결손부를 형성하고, 자연치유군(대조군), 0.8mm, 1.0mm, 1.2mm 기공 크기를 가지는 2상성 인산 칼슘 블록군(실험군)으로 무작위로 적용하였다. 수술 후 2주와 8주에 각 5마리의 실험동물을 희생한 후 채득한 시편을 염색하여 조직학적 관찰, 조직형태계측학적 분석을 시행하였고, 미세단층촬영(micro CT)을 시행하여 부피계측을 통해 두 군의 결과를 비교하였다. 동일 군내에서의 시간대별 통계적 비교를 위해서는 독립표본 t 검정을 시행하였고, 동일한 시기에서의 군간 통계적 비교를 위해서는 Kruskal-Wallis test, Mann-Whitney u test를 시행하였다 (p < 0.05). 임상적으로, 전체 실험기간동안 감염, 창상 열개와 같은 합병증 없이 이상성 인산 칼슘 블록이 유지되며 치유됨을 확인하였다. 방사선학적 계측 결과, 이식재를 사용한 모든 2주와 8주 군에서 자연치유군에 비해 골재생이 유의하게 많은 결과를 확인하였고, 모든 8주군은 2주군에 비해 유의하게 많은 골재생이 관찰되었다. 조직형태계측학적 분석 결과, 2주에서 모든 실험군은 자연치유군에 비해 유의하게 많은 골재생이 관찰되었고, 8주에서 0.8mm 기공에 비해 1.0, 1.2mm 기공 그룹에서 유의하게 많은 골재생이 관찰되었다. 8주군의 모든 실험군은 2주군에 비해 유의하게 많은 골재생이 관찰되었다. 조직학적 관찰에서, 대조군은 결손부의 중심부위가 침하된 형태로 가장자리부터 신생골 재생이 관찰되었고, 0.8mm 군에서는 두개골 경막 가까이 위치한 골이식재의 표면을 따라 골재생이 일어남을 관찰하였다. 1.0mm 군에서는 모든 실험군 중 가장 뚜렷한 골재생과 함께 이식재를 둘러싼 신생골의 재생과 융합된 양상이 관찰되었다. 1.2mm 군에서는 이식재를 완전히 둘러싼 형태와 반만 둘러싼 형태의 골재생이 관찰되었으며, 신생골간의 융합은 관찰되지 않았다. 결론적으로, 서로 다른 기공 크기를 가지는 이상성 인산 칼슘 블록형 골이식재의 적용은 자연 치유그룹에 비해 골재생을 더 빠르게 촉진하였다. 특히, 8주에서 1.0mm의 기공크기에서 가장 많은 신생골 재생 결과를 보여주었다. 또한, 이상성 인산 칼슘 블록은 충분한 치유기간동안 술후 합병증 없이 이식부위의 공간과 부피를 유지하고 더 나은 골전도성과 생체적합성을 보여주었다. 후속 연구에서 임상적 적용 이전에 더 복합적인 결손 형태에 대한 적용과 골재생 효과에 대한 연구가 필요할 것이다.