Assessment of demineralized deciduous tooth powder as an alternative bone graft material

Abstract

골 결손부의 회복을 위한 다양한 이식재가 연구되어 왔다. 최근에는 치아의 구성 성분이 골과 매우 유사하다는 사실에 근거하여 치아 분말을 골대체재로 적용하고자 하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만 이전 연구 대부분이 영구치를 대상으로 하였으며 유치를 대상으로 한 연구는 드물다. 유치를 사용할 경우 탈락 시기에 자연스럽게 획득할 수 있어 별도의 수술을 요하지 않으며 대상 환자나 획득 가능한 치아 수에 있어 영구치에 비해 제한이 적다는 장점이 있고, 특히 혼합치열기 말기에 치조골 이식술을 하는 구순구개열 환자에게 적용하기에 유리할 것이다. 이에 본 연구에서는 탈회 시간에 따른 유치 이식재 분말의 표면구조 및 물리화학적 양상을 살펴보고 유치 이식재 분말의 골재생 능력을 실험적으로 구현하여 골대체재로서의 가능성을 확인해 보고자 하였다. 우식이나 수복이 없는 유치를 이용하여 0분에서 90분 사이로 탈회 시간을 다양하게 한 유치 이식재 분말을 준비하였다. 이식재의 표면구조와 물리화학적 특성을 살펴보기 위하여 scanning electron microscopy (SEM), inductively coupled plasma spectrometry (ICP), energy dispersive x-ray analysis (EDS), x-ray diffraction analysis (XRD), differential scanning calorimetry (DSC), Brunauer–Emmett–Teller (BET) surface area analysis 를 시행하였다. 골재생 능력의 실험적 구현을 위해서는 20마리의 백서를 이용하였다. 각 백서의 두개골 양측에 지름 5 mm 크기의 결손부를 형성한 다음 실험군 측은 15분 탈회한 유치 이식재 분말을 이식하고 대조군 측은 아무 것도 이식하지 않았다. 10마리씩 각각 2주와 8주 후에 희생시킨 뒤 두개골 절편을 얻어 micro CT 촬영과 hematoxilin-eosin (H-E) 염색을 시행하였고 조직학적 관찰 및 계측을 시행하였다. 각 군의 유의차는 독립표본 T 검정을 이용하여 평가하였다 (p<0.05). 실험 결과 탈회 시간이 증가할수록 표면에서 관찰되는 상아세관의 수와 넓이가 증가하였으며 표면이 분화구양 다공성 구조로 변화되어 갔다. 탈회가 진행됨에 따라 무기 성분의 비율이 감소하고 유기 성분의 비율이 증가하였으며, 10분에서 30분 사이에 결정도가 현저히 감소하였다. 비표면적은 탈회시간 20분 유치 이식재에서 가장 높았다. In vivo 실험 결과 유치 이식재 분말을 이식한 측에서 결손부 내로 우수한 골재생이 보였으며 흡수되는 이식재 주위로 새로운 골 생성이 확인되었다. Defect closure rate는 8주 실험군 (0.68±0.2)에서 대조군 (0.32±0.09)보다 유의하게 높게 나타났다 (p<0.05). 치아 이식재의 탈회 과정은 치아 내 유기물을 노출시키고 접촉 표면적을 높여줌으로써, 세포 부착에 용이한 환경을 만들어 주며 결정도를 감소시켜 골유도 능력을 향상시키고 이식재의 흡수성을 높여주는 것으로 관찰된다. 본 연구에서 탈회된 유치 이식재 분말을 골결손부에 이식한 결과 염증 반응이 없는 양호한 골재생이 관찰되었으며, 이는 유치 이식재 분말의 골대체재로서의 활용 가능성을 보여주는 것으로 사료된다. ;Purpose. Efforts have been made to develop ideal graft materials for bone regeneration over time. Recently, bone graft materials using human teeth have been developed based on the fact that the inorganic and organic components of tooth are very similar to those of bone. While sufficient basis has been developed for using extracted teeth as bone graft materials, most involve permanent teeth, which can only be used on an individual basis for patients who can provide an extracted tooth. On the other hand, deciduous teeth can be collected in any individuals during natural exfoliation avoiding surgical trauma, and it is especially expected to bring benefit to cleft lip and palate (CLP) patients who undergo alveolar graft surgery during their late mixed-dentition age. Here we examined the structural and physicochemical characteristics of demineralized deciduous tooth powder (DDTP) in relation to demineralization time, and presented histological evidence for the potential of using DDTP as a bone graft material. Materials and Methods. Naturally exfoliated human deciduous teeth were collected and processed for DDTP with a vacuum-ultrasonic device. The DDTP samples were prepared with different demineralization time such as 0, 10, 15, 20, 25, 30, 60, and 90 minutes. For structural and physicochemical analysis, scanning electron microscopy (SEM), inductively coupled plasma spectrometry (ICP), energy dispersive x-ray analysis (EDS), x-ray diffraction analysis (XRD), differential scanning calorimetry (DSC), and Brunauer–Emmett–Teller (BET) surface area analysis were performed. For in vivo experiment, two round 5 mm bicortical intraosseous defects were created on each calvarial bone of 20 Sprague-Dawley rats. The experimental side was grafted with DDTP (demineralized for 15 min.) and the control side was left with no graft. The rats were sacrificed at 2 week and 8 week post-surgery and radiographic and histological examination and histomorphometric analysis were performed. Defect closure rate of each group were compared by independent sample t-test (p<0.05). Results. As demineralization took place, exposed dentinal tubules and surface porosity increased, and ratio of inorganic contents decreased while that of organic contents increased. Decrease in crystallinity occurred between 10 and 30 minutes of demineralization, and surface area tended to increase. Deciduous teeth appeared to be more prone to demineralization than permanent teeth shown by more increased porosity and surface area. In vivo experiment showed new bone formation in DDTP-grafted sites and gradual resorption of the grafted DDTP particles. Defect closure rate was significantly higher in DDTP-grafted group compared to control group at 8 weeks (p<0.05). Conclusion. Demineralization of teeth enhances osteoconduction capacity by exposing organic substances within the teeth, by increasing surface area, and by decreasing crystallinity. Deciduous teeth showed structural and physicochemical characteristics suitable for grafting with appropriate demineralization. From rat calvarial defect models, favorable bone healing as a result of osteoconduction was observed to have successfully occurred in DDTP-grafted sites. The results suggest the potential use of deciduous teeth as an alternative bone substitute.