Bone formation of demineralized human dentin block graft with different demineralization time

Abstract

Purpose Tooth and bone have the similar origin and chemical components, and human demineralized dentin graft has been studied for an alternative of other graft materials. However, there has been little to no research about the block type demineralized dentin graft. Therefore, the purposes of this study are to evaluate the structural and physicochemical characteristics of demineralized human dentin block with increasing demineralization time and to assess the new bone formation when onlay grafted with different demineralization time in rat calvaria. Materials and methods In vitro. Extracted human permanent teeth without caries or fillings were collected. Pretreated dentin of the tooth were demineralized for 10-90 minutes. Scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction analysis (XRD), Inductively coupled plasma spectrometry (ICP), Energy dispersive x-ray analysis (EDX) were performed to analyze the surface structure, crystallinity and relative ratio of organic and inorganic substance. In vivo. Demineralized dentin block (DDB) (diameter, 5 mm; height, 2 mm) with different demineralization time (10, 60 minutes) (DDB/10, DDB/60) were implanted onto the calvaria of male Sprague–Dawley rats (n = 20 for each carrier). For control experiments, collagen sponge (CS) was implanted onto the calvaria (n = 20). The rats were sacrificed 2 or 8 weeks after surgery, and evaluated radiographically, histologically and histomorphometrically. For histomorphometric parameters total augmented area(mm2), new bone area(mm^(2)), and bone density(%) were evaluated. Mann–Whitney U and Kruskal–Wallis tests were used to analyze the effects of the healing period and experimental conditions (p < 0.05). Results In vitro. With increasing demineralization time, surface structure of dentin block showed increased number and size of dentinal tubules. Also, The organic components such as carbon (C), nitrate (N), oxygen (O) were increased whereas inorganic components such as calcium (Ca), phosphorous (P) were decreased. The crystallinity was decreased sharply between 10 and 30 minutes demineralization time. In vivo. At both time points, animals that implanted DDB showed significantly better bone formation and bone quality than the controls (p<0.05). DDB/60 group showed significantly increased new bone area and bone density than DDB/10 group at 8 weeks (p<0.05), whereas showed higher resorption that leads to significantly decreased total augmented area than DDB/10 group (p<0.05). Conclusion Within the limits of the present study, DDB could increase the new bone formation and bone density. With increasing demineralization time, dentin block had the better surface structure and chemical components for bone formation, whereas, collapsing of graft materials due to its rapid resorption rate could be occurred. Further studies to determine the optimal demineralization time to maximize space maintenance and bone formation of the graft material are needed.;치아와 골은 유사한 기원 및 화학적 구성을 보이며, 사람탈회치아이식재는 다른 이식재의 대체재로서 많은 연구가 이어져 왔다. 그러나, 블록형의 탈회치아이식재에 대한 연구는 거의 이루어진바 없다. 따라서 본 연구에서는 탈회시간의 증가에 따른 사람 탈회치아블록의 표면 구조 및 물리화학적 특성 변화를 알아보고 백서 두개골에 온레이 이식하여 각 탈회시간에 따른 골형성 효과를 평가하고자 하였다. 발거된 영구치의 상아질 부위를 채취하여 전처리 후 각각 0~90분 간 탈회시킨다. 각 탈회시간에 따른 표면 구조와 결정도 변화, 유기성분과 무기성분의 상대적 함량 분석을 위해 주사전자현미경(Scanning electron microscopy ; SEM), X-ray 회절분석(X-ray diffraction analysis ; XRD), 고주파 유도결합형 플라즈마 분석법(Inductively coupled plasma spectrometry ; ICP), 에너지분산형 분광법(Energy dispersive x-ray analysis ; EDX)을 시행하였다. 40마리의 웅성 백서 실험군(20마리)에는 각각 10분, 60분 간 탈회한 탈회치아이식재블록(직경, 5mm; 높이, 2mm)을 두개골 양측에 이식하고, 대조군(20마리)에는 같은 크기의 콜라겐 스펀지를 이식하였다. 백서는 2주, 8주 후 희생하고 방사선학적, 조직학적, 조직계측학적 분석을 시행하였고 조직계측학적 분석으로 총 증대면적(total augmented area, mm2), 신생골 형성면적(new bone area, mm2), 골밀도(bone density, %)를 측정하였다. Mann-Whitney와 Kruskal Wallis 검정을 사용하여 각 군 및 치유기간에 따른 유의차를 분석하였다(p<0.05). In vitro. 탈회시간이 증가함에 따라 치아블록표면의 상아세관 수와 크기가 증가하였다. 또한 탄소, 질산, 산소 등의 유기물질성분은 증가한 반면, 칼슘, 인 등의 무기물질성분은 감소하였으며 결정도는 10분 탈회표본과 30분 탈회표본 사이에서 급격히 감소하였다. In vivo. 조직학적, 조직계측학적 관찰 결과 10분, 60분 탈회치아블록 모두 대조군에 비해 유의하게 높은 신생골량과 골질을 보였다(p<0.05). 8주 시편에서 60분 탈회블록은 10분 탈회블록에 비해 유의하게 높은 신생골 형성 면적과 골밀도를 보였으나(p<0.05) 이식재의 높은 흡수율로 인해 총 증대면적은 10분 탈회블록에 비해 유의하게 낮게 나타났다(p<0.05). 본 연구 결과 사람탈회치아블록 이식재는 탈회시간이 증가함에 따라 골형성에 유리한 표면 구조 및 화학조성으로 변화하였고, 백서 두개골에 온레이 이식했을 때 신생골 형성 및 골밀도를 증가시켰다. 그러나 탈회시간이 증가함에 따라 이식재의 흡수속도는 증가하여 총 증대면적은 감소하였다. 따라서 치아이식재의 공간유지능과 골형성 효과를 최대화할 수 있는 적합한 탈회시간 결정을 위한 추가적 연구가 필요할 것이라 사료된다.