알칼리 처리된 타이타늄 표면에 대한 골아 유사세포의 세포 활성도

Cellular activities of osteoblast-like cells on alkali-treated titanium surface

임플란트와 골 사이의 결합력을 증가시키기 위하여 타이타늄 표면에 변화를 주기위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 타이타늄의 표면 구조나 미세 지지도의 변화가 임플란트에 대한 세포의 반응에 영향을 미치며, 골아 유사세포는 표면 조도가 높은 타이타늄 표면에 더 잘 부착하며, 세포외 기질의 합성과 광물화 결정이 더 잘 일어난다고 알려져 있다. 그러나 대부분의 연구들은 마이크로 단위의 미세 지지도에 대한 연구들이고 나노 단위의 미세 지지도에 대한 연구들은 미미하다. 이에 본 연구에서는 ROS 17/2.8 cell line을 이용하여 기계적 처리만한 군을 대조군으로 하여 blasting 처리한 마이크로 단위의 미세 지지도 표면과 알칼리 처리된 나노 단위의 미세 지지도 표면에 대한 골아 유사세포의 세포 부착양상, 증식 그리고 골아 유사세포의 표식인자 발현양상 등을 상호 비교하여 골아 유사세포에 미치는 영향을 관찰하고자 하였다. SEM을 이용한 미세 지지도 관찰에서 알칼리 처리군에서는 약 200mm의 초미세 다공성의 양상을 나타내었고, blasting 처리한 군에서는 $10\;{\mu}m$ 이하의 움푹 파인 양상을 보였다. 표면조도 측정에 있어서는 blasting 처리한 군에서 기계적 처리와 알칼리 처리된 군보다 더 높은 표면 조도를 보였으며 이는 통계학적으로 유의한 차이를 나타내었다 (p<0.01). 표면결정성 분석에서는 알칼리처리 군에서 anatase와 rutile결정형이 보였으나, blasting 처리한 군과 기계적 처리 군에서는 관찰되지 않았다. 골아 유사세포 1시간 배양 후의 전자현미경 관찰에서 모든 군의 세포는 부착 및 전개 과정을 보였고, 3시간 배양에서는 모든 군의 세포가 더 많이 전개되었으나, blasting 처리한 군과 알칼리처리 군에서 세포가 다소 더 불규칙한 형태를 나타내었다. 24시간 배양에서는 모든 군의 세포에서 완전히 전개가 일어난 양상을 보였다. 1, 4, 7일간 세포배양 후 세포활성을 평가하기 위한 MTT assay에서는 모든 군에서 시간이 증가함에 따라 세포수가 증가하였으며, 1일째에 blasting 처리한 군과 알칼리처리 군에서 기계적 처리 군에 비해 세포활성도가 통계학적으로 유의한 증가를 보였다(p<0.01). 골아 유사세포 표식인자인 osteopontin, alkaline phosphatase, ${\alpha}\;1(1)$ collagen의 유전자 발현양상을 관찰해 본 결과, osteopontin, alkaline phosphatase, ${\alpha}\;1(1)$ collagen의 유전자 발현양상이 세 군 모두에서 유의한 차이는 관찰할 수 없었으나, blasting 처리한 군과 알칼리처리 군에서 기계적 처리 군에 비해 유전자 발현양상이 다소 증가하는 경향을 보였다. 결론적으로 blasting 처리한 마이크로 단위의 미세 지지도 표면과 알칼리 처리된 나노 단위의 미세 지지도 표면이 기계적 처리 군에 비해 골아 유사세포의 기능을 촉진시키나, 알칼리 처리된 나노 단위의 미세 지지도 표면은 blasting 처리한 마이크로 단위의 미세 지지도 표면이 골아 유사세포의 기능에 미치는 영향을 압도하지는 않는 것으로 사료된다.

To improve osseointegration at the boneto-implant interface, several studies have been carried out to modify titanium surface. Variations in surface texture or microtopography may affect the cellular response to an implant. Osteoblast-like cells attach more readily to a rougher titanium surface, and synthesis of extracellular matrix and subsequent mineralization were found to be enhanced on rough or porous coated titanium. However, regarding the effect of roughened surface by physical and mechanical methods, most studies carried out on the reactions of cells to micrometric topography, little work has been performed on the reaction of cells to nanotopography. The purpose of this study was to examme the response of osteoblast-like cell cultured on blasted surfaces and alkali treated surfaces, and to evaluate the influence of surface texture or submicro-scaled surface topography on the cell attachment, cell proliferation and the gene expression of osteoblastic phenotype using ROS 17/2.8 cell lines. In scanning electron micrographs, the blasted, alkali treated and machined surfaces demonstrated microscopic differences in the surface topography. The specimens of alkali treatment had a submicro-scaled porous sur-face with pore size about 200 nm. The blasted surfaces showed irregularities in morphology with small(<10 ${\mu}m$) depression and indentation among flatter-appearing areas of various sizes. Based on profilometry, the blasted surfaces was significantly rougher than the machined and the alkali treated surfaces (p$TiO_2$) were observed on alkali treated surfaces, whereas not observed on machined and blasted surfaces. The attachment morphology of cells according to time was observed by the scanning electron microscope. After 1 hour incubation, the cells were in the process of adhesion and spreading on the prepared surfaces. After 3 hours, the cells on all prepared surfaces were further spreaded and flattened, however on the blasted and alkali treated surfaces, the cells exhibited slightly irregular shapes and some gaps or spaces were seen. After 24 hours incubation, most cells of the all groups had a flattened and polygonal shape, but the cells were more spreaded on the machined surfaces than the blasted and alkali treated surfaces. The MTT assay indicated the increase on machined, alkali treated and blasted surfaces according to time, and the alkali treated and blasted surfaces showed significantly increased in optical density comparing with machined surfaces at 1 day (p<0.01). Gene expression study showed that mRNA expression level of ${\alpha}\;1(I)$ collagen, alkaline phosphatase and osteopontin of the osteoblast-like cells showed a tendency to be higher on blasted and alkali treated surfaces than on the machined surfaces, although no siginificant difference in the mRNA expression level of ${\alpha}\;1(I)$ collagen, alkaline phosphatase and osteopontin was observed among all groups. In conclusion, we suggest that submicroscaled surfaces on osteoblast-like cell response do not over-ride the one of the surface with micro-scaled topography produced by blasting method, although the microscaled and submicro-scaled surfaces can accelerate osteogenic cell attachment and function compared with the machined surfaces.