토끼 대퇴골 과두 및 척추주위 근육에 식립된 마그네슘 합금 임플란트의 생체적합성 평가 논문정보
본 연구는 2012년 본 병원과 한국과학기술원(KIST)체결한 연구 협약과제의 하나로 시작된 연구이다. 이를 기반으로 산업자원부 의료 신소재 개발 국책과제로 선정되어 2015부터 2021년까지 수행된 연구의 결과이다. 본 논문은 골고정 screw에만 국한되나, 현재 골편 고정용 miniplate에 대한 결과는 논문 심사 중이다. 기존의 티타늄, 혹은 흡수성 고분자를 이용한 골편 고정용 screw 및 miniplate의 장점은 유지하면서 단점은 극복한 기술로서 보고된 유사 연구결과를 살펴볼 때 screw의 경우 최고의 물성을 가지고 있으며, 특히 miniplate의 경우 임상적용가능한 세계최초의 시제품으로 판단되어, 향후 국가위상과 국부창출에 기여를 할 것으로 판단되고 있다.
티타늄 및 스테인리스 스, 흡수성 고분자를 이용한 internal fixation device는 양악 수술과 두개안면 골절의 치료에 있어 표준이 되어 왔다. 그러나 이러한 재료는 조직 자극, 감염, 방사선 영상 간섭, 골격 성장 간섭(특히 소아), 심미적으로 바람직하지 않은 특징 및 온도 민감성 등 장기적인 합병증을 유발할 수 있으며, 보통 금속판 제거를 위한 추가적인 수술이 필요하다.
마그네슘 합금은 금속이 가지고 있는 기계적 물성과 생체적합성이 우수하고, 특히 흡수성고분자와 마찬가지로 생분해가 가능한 것으로 알려져 있다. 또한 Mg 합금이 분해될 때 발생하는 마그네슘 이온은 골 치유를 강화하고 새로운 골 형성을 촉진한다. 최근 연구에서는 마그네슘 이온이 골수 공간에서 골형성 활성을 유도하여 표준 Wnt 신호를 활성화하는 메커니즘을 밝혀냈다. Mg는 강도가 Al의 2/3, Fe의 1/4에 불과하지만 열전도율과 공간 안정성이 높으며 전자파 차폐 및 감쇠 특성이 우수하고 가공과 재활용이 용이하다. 마그네슘 합금은 골 조직의 탄성계수 값과 가까워 "응력 차폐" 효과를 줄이거나 피할 수 있다. 또한, Mg의 생분해성으로 인해 이식체 제거를 위한 재수술을 피할 수 있다. 하지만 Mg이러한 많은 유익한 특성 외에, 빠른 분해와 낮은 생체 활성으로 인해 골이 완전히 치유되기 전에 임플란트가 기계적 완전성을 잃을 수 있고, 특히 조직 재생 과정이 분해 과정에서 방출되는 가스에 의해 상당히 지연될 수 있다. 따라서 이러한 물성을 개선하는 것이 Mg 합금의 의료기기 적용의 주요 과제가 되었다.
Mg + 2H2O - > Mg(OH)2 + H2(Under standard pressure and ambient temperature conditions) 이는 순수한 Mg 1 g이 조직강에 축적될 수 있는 약 1 L의 H2를 생성한다는 것을 보여준다. 작은 가스 공동은 주변 조직에서 가스가 빠르게 교환되기 때문에 생체에 거의 영향을 미치지 않지만 큰 공동의 영향은 해로울 수 있다. Noviana et al.에 따르면 Mg를 이식한 쥐의 과도한 수소 가스 방출은 근육에서 느슨한 피하 조직으로 확산되어 대규모 피하 기종을 유발한다고 보고했다. 또한 골 재생의 기계적 손상을 일으키는 압력을 생성하여 캘러스 형성을 유발할 수 있다]. 실제로 가스 공동 형성은 Mg를 폐기하는 주요 원인이었다. 또한 순수한 Mg는 다공성 구조가 표면적을 증가시켜 분해 속도를 가속화하기 때문에 임상 용도로 적합하지 않다. 다른 금속을 첨가하게 되면 마그네슘 합금의 분해 속도를 효과적으로 줄일 수 있다.
기계적 강도와 내식성을 향상시키기 위해 합금 원소를 추가하는 것은 매우 효과적이다. Mg-Ca 합금은 세포 독성이 없으며 생체 내에서 90 일 이내에 점차적으로 분해되어 새로운 뼈의 형성을 가속화한다. 이러한 합금 원소는 Mg에 대해 연성을 향상시키고, Mg-Ca 이원 합금에 Zn을 추가하면 기계적 및 분해 특성을 최적화할 수 있다. 따라서 최근 생체 흡수성 내부 고정에 Mg-Zn-Ca 합금을 적용하는 것이 주목받고 있다. 본 연구에서는 Mg 용융물에 1 wt% Zn 및 0.1 wt% Ca를 첨가하여 용융 유동성을 높이고 이 다공성 재료의 기계적 특성 및 내식성을 최대한 향상시켰다.
마이크로 아크 산화라고도 알려진 플라즈마 전해 산화(PEO)는 Mg 표면에 조밀하고 두꺼운 세라믹과 같은 코팅을 제공할 수 있는 기존의 양극 산화 처리에서 개발된 유망하고 환경 친화적인 표면 처리이다. PEO는 표면을 수정하여 장벽층이 주변의 생물학적 유체로부터 기질을 보호하기 때문에 합금의 초기 내식성과 기계적 강도를 증가시킨다. 또한, PEO는 electrolytic passivation process (sparking phenomenon) 동안 다공성을 제어한다. 마이크로 또는 나노 수준의 다공성 표면은 세포 접착 또는 증식을 촉진하여 국소 조직의 빠른 치유를 유도한다. 마지막으로 PEO 처리된 층은 독성이 낮으며, 전방 십자 인대 나사, 플레이트 및 핀과 같은 복잡한 기하학적 구조를 가진 의료 기기에 적용할 수 있다.
본 연구에서는 19마리의 뉴질랜드 흰 토끼가 연구에 사용되었다. Rod-bars(Ø2.7 × 13.6 mm)는 양쪽 척추주위 근육에 배치되었고, 캐뉼러 나사(Ø2.7x10mm)는 양쪽 대퇴골 과두에 배치하였다. 각 동물은 4개 부위 모두에 이식되었다. X-ray는 0, 2, 4, 8, 12주에, micro-CT는 4주, 8주, 12주에는 live-CT를 찍었다. 4주, 8주, 12주에 각 그룹을 대표하는 개체를 선택하고 희생하여 조직병리학적 검사를 위한 표본을 준비했다.
▲ 그림 1. Live CT scan images of the rabbit prevertebral muscle. Live CT scans were taken 2, 4, 8, and 12 weeks after surgery. The amount of hydrogen gas increased from 2 weeks to 8 weeks post-implantation. The largest amount of hydrogen was produced by the high-purity Mg implant and the smallest by the plasma electrolytic oxidation (PEO)-treated Mg-1wt%Zn-0.1wt%Ca alloy
연구 결과 생체 내에서 Mg-1wt%Zn-0.1wt%Ca 합금이 고순도 Mg보다 내식성이 높고 부작용(이물 또는 염증 반응 등)을 일으키지 않고 시간이 지남에 따라 안전하게 분해됨을 확인했다. 또한 Mg-1wt%Zn-0.1wt%Ca 합금의 PEO 처리는 골과의 결합 면적을 증가시켜 골절 회복에 긍정적인 영향을 미쳤다. 우리의 결과는 Mg-1wt%Zn-0.1wt%Ca 합금의 PEO 처리가 정형 외과 및 악안면 수술과 같은 다양한 임상 상황 분야에서 유망한 생체 재료가 될 수 있음을 시사하고 있다.
본 연구는 저명한 국제 학술지인 Biomaterials Research (IF: 15.863)에 게재되었다.
※ 이부규 교수는 2002년부터 우리 병원 치과에 재직 중이다.