티타늄 및 티타늄 합금 재질의 치과용 임플란트를 위한 고속 펨토초 레이저 표면처리에 관한 연구 = Fast Femtosecond Laser Surface Texturing of Titanium and Titanium Alloys for Dental Implant|RISS 상세보기

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The femtosecond laser is a non-thermal ablation technology that delivers energy to materials through ultrashort pulses (10⁻¹⁵ s), enabling nanometer-scale precision surface modification without the use of chemical agents.
This study utilized femtosecond laser processing to create eco-friendly and precisely controlled nanostructures on dental titanium implant surfaces and elucidated the mechanism by which these structures promote osteogenesis through cellular mechanotransduction.
Using a femtosecond laser with a pulse duration of 230 fs and a wavelength of 1030 nm, periodic nanowave textures (W-NT) were fabricated on titanium surfaces via a non-chemical and non-thermal process. The resulting structures exhibited regular waveforms with a pitch of 0.89 ± 0.10 μm and a height of 211 ± 67 nm, and surface roughness increased from Ra = 46 ± 9 nm (machined) to Ra = 160 ± 7 nm. These topographical features provided a favorable microenvironment for protein adsorption and cell adhesion.
At the cellular level, W-NT surfaces induced marked increases in microtubule alignment and acetylation, accompanied by nuclear elongation and elevated histone H3 acetylation (AcH3). This transition toward an open euchromatin state activated osteogenic transcription factors, demonstrating that femtosecond laser treatment extends beyond simple surface modification to trigger a microtubule–nucleus–chromatin axis that regulates mechano-genetic transcriptional pathways.
These mechanisms were consistently confirmed in vivo. In a mouse tooth-defect model, peri-implant cells on W-NT surfaces exhibited enhanced nuclear localization of YAP and increased AcH3 expression. In a rabbit tibia model, the bone-to-implant contact ratio (BIC) was approximately 17% higher than that of machined implants (p < 0.05). Compared to clinical-standard SLA surfaces, W-NT implants demonstrated 77% higher insertion torque and 47% greater pull-out strength, indicating superior initial fixation. No inflammatory or hemolytic responses were observed in any group, confirming biocompatibility in accordance with ISO 10993 standards.
This study scientifically demonstrates that femtosecond laser-induced nanowave surface structuring is an environmentally sustainable technique capable of precisely modulating cellular mechano-genetic responses to promote osseointegration. By eliminating chemical use, wastewater generation, and occupational safety concerns associated with conventional SLA processing, this technology establishes a next-generation, eco-friendly paradigm for implant manufacturing.

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국문 초록 (Abstract)

펨토초 레이저(femtosecond laser)는 초단 펄스(10⁻¹⁵ s)로 재료에 에너지를 전달하는 비열적 가공 기술로, 화학약품을 전혀 사용하지 않으면서도 나노 수준의 정밀한 표면 제어가 가능하다.
본 연구는 펨토초 레이저를 이용하여 치과용 티타늄 임플란트 표면에 친환경적이고 정밀한 나노구조를 형성하고, 이 구조가 세포의 기계적 신호전달을 통해 골형성을 유도하는 기전을 규명하고자 수행되었다.
펄스폭 230 fs, 파장 1030 nm 조건을 가진 펨토초 레이저를 이용하여 비화학적·비열적 방식으로 주기적 나노웨이브 텍스처(wave-formed nanotexture, W-NT)를 티타늄 표면에 구현하였다. 형성된 구조는 피치 0.89 ± 0.10 μm, 높이 211 ± 67 nm의 규칙적인 파형을 나타냈으며, 기계가공표면(Ra 46 ± 9 nm) 대비 표면 거칠기(Ra 160 ± 7 nm)가 증가하여 단백질 흡착 및 세포 부착에 유리한 환경을 제공하였다.
중간엽줄기세포(mesenchymal stem cells)를 이용한 분석 결과, W-NT 표면에서는 미세소관의 정렬과 아세틸화가 현저히 증가하였으며, 이는 핵의 신장 및 히스톤 H3 아세틸화(AcH3) 상승을 동반하였다. 그 결과 염색질이 열린 상태(euchromatin)로 전환되어 골형성 관련 전사인자가 활성화되었다. 이는 펨토초 레이저 표면처리가 단순한 물리적 가공을 넘어 세포 내 미세소관–핵–염색질 축을 통한 기계-유전학적 전사 조절 경로를 유도함을 입증하는 결과이다.
생체 내 실험에서도 이러한 기전이 일관되게 확인되었다. 마우스 치아 결손 모델에서 W-NT 임플란트 주변 세포의 핵 내 YAP 및 AcH3 발현이 증가하였으며, 토끼 경골 모델에서는 골–임플란트 접촉률(BIC)이 기계가공면 대비 약 17% 향상되었다(p < 0.05). 또한 삽입 토크 및 인발강도는 임상 표준 표면(SLA) 대비 각각 77%, 47% 증가하여 우수한 초기 고정력을 나타냈다. 모든 실험군에서 염증 및 용혈 반응은 관찰되지 않아 ISO 10993 기준에 따라 비염증성·비용혈성으로 평가되었다.
본 연구는 펨토초 레이저 기반 나노웨이브 표면처리 기술이 환경친화적일 뿐만 아니라 세포의 기계-유전학적 반응을 정밀하게 조절하여 골유착을 촉진함을 과학적으로 규명하였다. 이 기술은 화학약품 사용, 폐수 발생, 작업자 안전 문제를 동반하는 기존 SLA 표면처리를 대체할 수 있는 차세대 친환경 임플란트 제조공정으로서의 가치를 입증하였다.펨토초 레이저(femtosecond laser)는 초단 펄스(10⁻¹⁵ s)로 재료에 에너지를 전달하는 비열적 가공 기술로, 화학약품을 전혀 사용하지 않으면서도 나노 수준의 정밀한 표면 제어가 가능하다.
본 연구는 펨토초 레이저를 이용하여 치과용 티타늄 임플란트 표면에 친환경적이고 정밀한 나노구조를 형성하고, 이 구조가 세포의 기계적 신호전달을 통해 골형성을 유도하는 기전을 규명하고자 수행되었다.
펄스폭 230 fs, 파장 1030 nm 조건을 가진 펨토초 레이저를 이용하여 비화학적·비열적 방식으로 주기적 나노웨이브 텍스처(wave-formed nanotexture, W-NT)를 티타늄 표면에 구현하였다. 형성된 구조는 피치 0.89 ± 0.10 μm, 높이 211 ± 67 nm의 규칙적인 파형을 나타냈으며, 기계가공표면(Ra 46 ± 9 nm) 대비 표면 거칠기(Ra 160 ± 7 nm)가 증가하여 단백질 흡착 및 세포 부착에 유리한 환경을 제공하였다.
중간엽줄기세포(mesenchymal stem cells)를 이용한 분석 결과, W-NT 표면에서는 미세소관의 정렬과 아세틸화가 현저히 증가하였으며, 이는 핵의 신장 및 히스톤 H3 아세틸화(AcH3) 상승을 동반하였다. 그 결과 염색질이 열린 상태(euchromatin)로 전환되어 골형성 관련 전사인자가 활성화되었다. 이는 펨토초 레이저 표면처리가 단순한 물리적 가공을 넘어 세포 내 미세소관–핵–염색질 축을 통한 기계-유전학적 전사 조절 경로를 유도함을 입증하는 결과이다.
생체 내 실험에서도 이러한 기전이 일관되게 확인되었다. 마우스 치아 결손 모델에서 W-NT 임플란트 주변 세포의 핵 내 YAP 및 AcH3 발현이 증가하였으며, 토끼 경골 모델에서는 골–임플란트 접촉률(BIC)이 기계가공면 대비 약 17% 향상되었다(p < 0.05). 또한 삽입 토크 및 인발강도는 임상 표준 표면(SLA) 대비 각각 77%, 47% 증가하여 우수한 초기 고정력을 나타냈다. 모든 실험군에서 염증 및 용혈 반응은 관찰되지 않아 ISO 10993 기준에 따라 비염증성·비용혈성으로 평가되었다.
본 연구는 펨토초 레이저 기반 나노웨이브 표면처리 기술이 환경친화적일 뿐만 아니라 세포의 기계-유전학적 반응을 정밀하게 조절하여 골유착을 촉진함을 과학적으로 규명하였다. 이 기술은 화학약품 사용, 폐수 발생, 작업자 안전 문제를 동반하는 기존 SLA 표면처리를 대체할 수 있는 차세대 친환경 임플란트 제조공정으로서의 가치를 입증하였다.

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펨토초 레이저(femtosecond laser)는 초단 펄스(10⁻¹⁵ s)로 재료에 에너지를 전달하는 비열적 가공 기술로, 화학약품을 전혀 사용하지 않으면서도 나노 수준의 정밀한 표면 제어가 가능하다. 본 ...

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