골유착, 뼈가 티타늄 임플란트와 실제로 결합하는 과정

골유착이라는 용어는 예테보리(Gothenburg)의 Per-Ingvar Brånemark 연구팀이 만들었고, 이 연구팀은 치아가 없는 턱에 식립한 골유착 임플란트의 10년 보고를 1977년에 발표했습니다. 실무적인 정의는 1981년 Adell 등의 논문에서 나왔습니다. 살아 있는 뼈와 나사 모양 티타늄 고정체(fixture) 사이에 연조직 없이 이루어지는 단단하고 직접적이며 지속적인 연결이라는 정의입니다. 여기에는 세 가지 조건이 붙었습니다. 조심스러운 수술 기법, 긴 치유 기간, 기능을 시작한 뒤 힘의 적절한 분산입니다. 45년의 연구는 이 문장의 모든 구절을 다듬었지만 어느 하나도 뒤집지는 않았습니다.

2001년 Albrektsson과 Johansson은 지금도 환자분과 이야기할 때 자주 혼동되는 세 용어를 구분했습니다. 골유도(osteoinduction)는 미성숙 세포를 불러 모아 뼈를 만드는 세포가 되도록 자극하는 과정이며, 골절 치유의 대부분을 이끕니다. 골전도(osteoconduction)는 뼈가 어떤 표면을 따라 자라는 것입니다. 티타늄 임플란트는 이를 허용하지만 구리, 은, 골시멘트는 그렇지 않습니다. 골유착(osseointegration)은 뼈와 임플란트가 직접 맞닿아 생기는 안정된 고정입니다. 턱에서는 높은 성공률을 오랫동안 기록해 온 유일한 고정 방식입니다. 다만 인공 고관절에서도 그만큼 중요한지는 아직 논쟁 중이라고 두 사람은 덧붙였습니다.

가장 흥미로운 수정은 2019년 Albrektsson 자신이 Wennerberg와 함께 내놓았습니다. 두 사람의 서술적 고찰(narrative review)은 구강 임플란트가 생물학적으로는 이물질이며, 골유착은 이 이물질에 대한 조직의 보호 반응으로 이해하는 것이 가장 정확하다고 봅니다. 충분한 고정력이 있으면 뼈가 티타늄 둘레에 형성되어 몸을 티타늄으로부터 차단한다는 것입니다. 이 관점이 중요한 이유는 임상에서 실제로 보는 현상을 예측하기 때문입니다. 결합은 동적이고, 계속되는 재형성(remodeling)으로 유지되며, 임플란트와 주위 조직 사이의 균형이 깨지면 잃을 수도 있습니다. 임플란트 표면이 이 분야에서 가장 많이 연구되는 변수가 된 이유도 여기에 있습니다.

이 연쇄 과정을 가장 명확하게 설명한 것은 Davies의 2003년 논문으로, 치유를 세 단계로 나눕니다. 첫째는 골전도입니다. 뼈를 만드는 세포가 혈병(피떡)의 남은 부분을 지나 임플란트 표면으로 이동하며, 이 과정은 표면 자체에서 일어나는 혈소판 활성화가 이끕니다. 둘째는 새로운 뼈 형성(de novo bone formation)입니다. 이 세포들이 임플란트 위에 직접 광물화된 기질을 깔아 놓는데, 자연 뼈의 시멘트선(cement line)에 해당하는 이 층이 접촉 골형성(contact osteogenesis)을 일으키고 적합한 표면에서는 진정한 뼈 결합을 만들어 냅니다. 셋째는 재형성으로, 더 느리고 임플란트가 있는 동안 평생 이어집니다. Davies가 강조한 핵심은 앞의 두 단계에서 가장 중요한 과정들이 임플란트 표면의 미세한 질감에 크게 좌우된다는 것입니다.

2003년 Berglundh, Abrahamsson, Lang, Lindhe는 이 과정을 직접 관찰했습니다. 나사산 사이에 일부러 빈 공간을 둔 임플란트를 래브라도견 20마리에 식립하고, 2시간부터 12주까지 살펴본 연구입니다. 빈 공간은 먼저 혈병으로, 그다음 육아조직으로, 그다음 임시 기질로 채워졌고, 뼈 형성은 첫 주에 시작되었습니다. 초기 몇 주 동안 왜 조심해야 하느냐고 묻는 환자분께 제가 늘 설명하는 발견이 이것입니다. 1주에서 2주 사이에, 나사산에 바로 맞닿아 있으면서 임플란트에 처음 기계적 고정력을 주던 그 뼈가 흡수되고 새로 형성된 뼈로 대체되었습니다. 임플란트는 이 기간 내내 임상적으로 안정적이었지만, 짧은 기간 동안 그 고정력은 아직 만들어지고 있는 새 뼈에 기대고 있었습니다.

사람에서의 시간표는 2011년 Lang 등이 직접 측정했습니다. 자원자 49명의 마지막 어금니 뒤쪽에 작은 티타늄 장치를 넣고, 7일, 14일, 28일 또는 42일 뒤 주변 조직과 함께 원통 모양으로 떼어 냈습니다. 새로운 뼈 형성은 첫 주에 해면골 부위에서 시작해 꾸준히 늘었습니다. 새 뼈와 직접 맞닿은 표면의 비율은 모래 분사 후 산 처리한 표준 표면(sandblasted, acid-etched)에서 2주에 12.2%, 4주에 32.4%였고, 같은 표면을 화학적으로 개질한 친수성 표면에서는 각각 14.8%와 48.3%였습니다. 42일째에는 두 표면이 61.6%와 61.5%로 거의 같아졌습니다. 따라서 6주는 관례로 정한 숫자가 아닌 실제 생물학적 이정표이며, 친수성 표면의 장점은 최종 결과보다 첫 한 달의 속도에 있습니다.

Meredith의 1998년 논문은 이 분야가 지금도 쓰는 용어를 정리했습니다. 초기 고정력(1차 고정력, primary stability)은 기계적인 것입니다. 식립하는 순간 임플란트와 뼈가 얼마나 꼭 맞는지에서 나오며, 뼈의 질, 뼈의 양, 임플란트 설계, 수술 기법에 따라 달라집니다. 2차 고정력(secondary stability)은 생물학적인 것입니다. 경계면에서 뼈가 형성되고 재형성되면서 더해지는 고정력입니다. 이 둘 사이에 Berglundh의 개 실험이 보여 준 저하 구간이 있습니다. 기계적 고정력이 흡수되는 속도가 생물학적 결합이 만들어지는 속도보다 빠른 시기입니다. Meredith는 공진 주파수 분석(resonance frequency analysis)도 설명했습니다. 작은 변환기로 임플란트를 진동시켜 임플란트 안정성 지수(implant stability quotient)를 알려 주는 방법입니다. Sennerby와 Meredith가 2008년 Periodontology 2000에 발표한 고찰은 이를, 그 곡선을 추적하는 표준 비파괴 방법으로 확립했습니다.

고정력이 떨어지는 이 시기에 임플란트가 힘을 받을 수 있는지는 얼마나 움직이느냐에 달려 있습니다. Szmukler-Moncler 등은 1998년에 실험 문헌을 검토해 원래의 3–6개월 원칙을 뒤집는 결론에 이르렀습니다. 조기 부하 그 자체는 골유착에 해롭지 않은 것으로 나타났고, 섬유성 피막 형성에 직접 관련된 것은 경계면의 과도한 미세 움직임(micromotion)뿐이었습니다. 섬유성 피막이란 임플란트를 감싸는 흉터 조직의 막으로, 조직학적으로 실패를 정의하는 소견입니다. 허용되는 한계는 0이 아닌 50에서 150마이크론 사이 어딘가였습니다. 그 아래에서는 뼈가 생기고 그 위에서는 흉터가 생깁니다. 즉시 부하의 기술은 결국 아무는 동안 모든 임플란트를 그 선의 올바른 쪽에 두는 것입니다.

이 한계를 임상에서 대신 보여 주는 지표가 식립 토크(insertion torque)입니다. 2005년 Ottoni의 무작위 연구는 단일 임플란트 46개를 대상으로, 환자마다 임플란트 하나는 24시간 안에 임시 크라운을 연결하고 다른 하나는 기존 방식대로 아물게 두었습니다. 즉시 수복한 임플란트 가운데 10개가 실패했고, 그 10개 가운데 9개는 최소 식립 토크인 20 Ncm로 식립된 것이었습니다. 토크가 9.8 Ncm 높아질 때마다 실패의 상대 위험은 약 20%씩 낮아졌습니다. 그래서 저는 식립하는 모든 임플란트의 식립 토크를 측정하고, 수치가 제 기준보다 낮아 조건이 맞지 않으면 그 자리에서 당일 치아 계획을 2단계 계획으로 바꿉니다. 임시 치아를 만드는 것은 쉬운 부분이고, 그것이 안전한지는 숫자가 정합니다.

표면 질감에 관해서는 Wennerberg와 Albrektsson의 2009년 체계적 고찰이 기준점입니다. 찾아낸 논문 1,184편 가운데 1,064편은 특성이 규명된 표면에 대한 뼈 반응을 실제로 측정하지 않아 제외해야 했고, 20편은 주로 인산칼슘(calcium phosphate) 코팅 임플란트나 지르코니아 임플란트를 다룬 논문이어서 빠졌으며, 100편이 남았습니다. 이 논문들은 표면 형태가 마이크로미터 수준에서 뼈 반응에 영향을 준다는 것을 분명히 보여 주었습니다. 여러 연구에서 중간 정도로 거친 표면, 즉 평균 거칠기가 대략 1–2마이크론인 표면이 더 매끄럽거나 더 거친 표면보다 강한 뼈 반응을 보였습니다. 두 사람은 대부분의 논문이 표면 특성을 충분히 기술하지 않았고, 한 연구에서 거칠다고 한 표면을 다른 연구에서는 매끄럽다고 했으며, 측정 방법의 표준화가 필요하다는 것도 확인했습니다. Buser가 2017년에 정리한 이 분야의 역사는 중간 정도로 거친 표면으로 넘어간 것을 조기 부하와 즉시 부하 프로토콜을 애초에 가능하게 만든 변화로 꼽습니다.

미세 거칠기를 넘어서면 근거는 빠르게 얇아지므로, 그 지점을 구체적으로 짚어 두겠습니다. Albrektsson과 Wennerberg의 2019년 고찰은 이렇게 결론짓습니다. 등방성(isotropic)의 중간 정도로 거친 표면은 예전에 쓰던 거의 매끄러운 표면이나 아주 거친 표면보다 더 나은 임상 결과를 보였습니다. 하지만 특정 나노 수준 패턴을 뒷받침하는 임상 근거는 없고, 표면 화학 처리의 이점은 있을 수 있지만 입증되지 않았으며, 친수성 표면은 고무적인 동물 자료가 있을 뿐 결과가 더 낫다는 임상적 증거는 없습니다. Rupp의 2018년 고찰도 비슷합니다. 친수성 표면은 초기 혈액 접촉과 상처 치유를 분명히 개선하지만, 특정 조직 경계면에만 예측 가능하게 선택적으로 작용하도록 설계한 표면은 이들의 표현대로 아직 먼 이야기입니다. Smeets 등의 2016년 표면 개질 조사는 레이저 어블레이션, 결정 증착, 단백질 및 성장인자 코팅처럼 지금 시도되고 있는 것들을 공정하게 정리한 목록이며, 그중 얼마나 많은 것이 아직 실험 단계인지도 있는 그대로 보여 줍니다.

그래서 제조사 안내서가 어떤 표면을 생체활성(bioactive)이라거나, 나노 구조라거나, 골유착을 앞당긴다고 소개하면, 저는 이 두 고찰에 비추어 읽습니다. 중간 정도로 거친 표면은 수십 년의 임상 결과가 뒷받침합니다. 그 위에 더한 개선은 실제일 수도 있고, Lang의 사람 대상 자료를 보면 친수성 표면은 첫 한 달 동안 속도를 높여 주는 것으로 보입니다. 하지만 그런 개선 덕분에 환자분이 임플란트를 덜 잃는다는 것은 아직 아무도 보여 주지 못했습니다. 저는 문서로 입증된 부분을 기준으로 임플란트 시스템을 고르고, 나머지는 있을 수도 있는 덤으로 여깁니다. 저희가 어떤 시스템을 쓰는지와 그 이유는 임플란트 재료 안내 페이지에서 설명합니다.

생물학을 한데 모으면 하나의 치유 기간보다 일련의 순서가 보입니다. 첫 1–7일에는 혈병이, 그다음 임시 기질이 생기고, 해면골에서는 벌써 첫 새 뼈가 나타납니다. 1–2주에는 빌려 쓰던 기계적 고정력이 흡수되고 대체되기 시작하며, 움직임이 가장 문제가 되는 시기입니다. 4–6주에는 뼈와 임플란트의 접촉이 가파르게 늘어, Lang의 자원자들에서는 14일째와 42일째 사이에 대략 두 배가 되었습니다. 6주 이후에는 재형성이 몇 년 동안 이어지고, 몸의 다른 모든 뼈를 유지하는 것과 같은 교체 과정으로 경계면이 유지됩니다.

제가 각 임플란트에 고르는 프로토콜은 이 곡선을 따릅니다. 식립 토크가 높고, 치밀한 뼈에 들어가 있으며, 턱 전체에 걸쳐 다른 임플란트들과 단단히 고정 연결된 임플란트는 미세 움직임이 한계 아래로 유지되므로 첫날부터 임시 치아를 지탱할 수 있습니다. 이것이 조건이 맞는 경우에 가능한 당일 치아의 생물학적 근거이고, 이 결정을 상담 때 하지 않고 수술 중에 토크 렌치를 손에 들고 내리는 이유이기도 합니다. 무른 위턱뼈에 들어가는 단일 임플란트나 뼈이식한 부위에 식립한 임플란트는 저하 구간 동안 힘을 받지 않게 두었다가, 2차 고정력이 확인된 뒤에 보철을 올립니다. 어느 쪽이 더 나은 프로토콜이라기보다, 서로 다른 경계면에 각각 맞는 프로토콜입니다.

처음 6주 동안 환자분이 하실 일은 의학적이라기보다 기계적인 것입니다. 교합이 닿지 않게 만들어 둔 임시 치아라도 그것으로 씹지 마시고, 혀나 지나치게 열심인 칫솔질로 수술 부위를 건드리지 마십시오. 흡연도 하지 마십시오. 흡연은 이 모든 연쇄 과정이 기대는 혈액 공급을 떨어뜨립니다. 수술 후 식사 안내에 이를 실제 식단으로 정리해 두었습니다. 이 기간에 무언가 흔들리는 느낌이 들면 그날 바로 전화 주십시오. 저하 구간에 임플란트가 움직이는 것은 기다릴수록 결과가 나빠지는 유일한 상황이기 때문입니다.

골유착을 이물 반응으로 보는 관점을 모두가 받아들이는 것은 아닙니다. Buser의 2017년 고찰은 임플란트 주위염을 어떻게 정의할지에 관한 논쟁과 함께, 이것을 이 분야에서 현재 진행 중인 논쟁 가운데 하나로 꼽습니다. Albrektsson이 옳다면 임플란트 주변의 일부 변연골 소실은 감염보다 면역 평형 상태에 가깝고, 방사선 사진을 해석하는 방식도 달라질 것입니다. 이 질문은 지금 실험실에서 연구되고 있으며, 앞으로 10년 안에 임상 지침에 영향을 줄 것으로 예상합니다.

실제적인 공백은, 씹는 힘으로 시험받기 전에 2차 고정력을 더 잘 확인하는 방법입니다. 공진 주파수 분석은 유용하지만 정밀하지는 않습니다. 임플란트 주위 생체표지자(biomarker), 경계면의 초음파 영상, 그리고 저하 구간을 줄이는 표면 처리에 관한 연구가 바로 이 시기를 겨냥하고 있습니다. 여기에는 제가 향후 연구 동향 정리에서 다루는 자외선 광기능화(photofunctionalization)도 포함됩니다. 이런 연구가 무르익기 전까지 제가 신뢰하는 두 도구는 식립 토크와 시간입니다. 그리고 장기 생존율 자료는, 이 두 가지를 신중하게 쓰면 충분하다는 근거입니다.