골 시멘트는 정형외과 영역에서는 1940년경부터 인체 내 금속 삽입물을 골 조직에 고정시키려는 목적으로 고관절 및 슬관절 인공 관절 삽입술의 발전과 더불어 사용량이 급격히 증가하였다. PMMA는 단점에도 불구하고 주로 정형외과와 치과 영역에서 큰 불편 없이 사용되고 있다. 그러나 1990년대 이후 골다공증성 척추 골절의 치료 방법으로서 척추체 성형술이 보편화되면서 골시멘트의 사용량이 급증함에 따라 앞서 언급한 PMMA의 문제점이 다시 대두되기 시작하였다. 첫째는 PMMA의 경화시의 ...
골 시멘트는 정형외과 영역에서는 1940년경부터 인체 내 금속 삽입물을 골 조직에 고정시키려는 목적으로 고관절 및 슬관절 인공 관절 삽입술의 발전과 더불어 사용량이 급격히 증가하였다. PMMA는 단점에도 불구하고 주로 정형외과와 치과 영역에서 큰 불편 없이 사용되고 있다. 그러나 1990년대 이후 골다공증성 척추 골절의 치료 방법으로서 척추체 성형술이 보편화되면서 골시멘트의 사용량이 급증함에 따라 앞서 언급한 PMMA의 문제점이 다시 대두되기 시작하였다. 첫째는 PMMA의 경화시의 발열 반응으로 인한 척수와 신경근 손상이 유발될 수 있으며, 최악의 경우 하지 마비가 발생할 가능성이 있다. 또한 주변 골조직의 열손상은 골절부의 정상적인 치유 경과를 지연 혹은 중단시킬 가능성으로 인해 주입한 PMMA의 이탈 현상도 보고된 바 있다. 둘째, 척추체 성형술시에는 묽은 상태의 미반응 PMMA 단량체(monomer)가 척추체내의 정맥동을 통해 중심 혈류로 흡수될 경우 일시적인 저혈압 또는 폐색전증을 유발한 증례들이 다수 보고되고 있다. 셋째, PMMA는 생체 친화성이 없기 때문에 뼈와 시멘트계면에서 생체 이물반응이 일어나고 그 결과 뼈가 흡수되어 강도가 저하되며 시멘트가 해리되기도 한다. 넷째, 가장 큰 문제점으로서 PMMA는 골전도성이 전혀 없으며, 생체 안에서 흡수되거나 분해되지 않기 때문에 정상 골로 대체되지 않고 척추체에 영구히 잔존하게 된다. 이로 인해 성형술을 시행한 척추체의 강도가 과도하게 증가되어 인접 분절에 응력 집중 현상을 일으키며 연속적인 골절을 발생시키기도 한다. 이러한 PMMA 시멘트의 단점을 해결하고자 생체활성 세라믹으로 구성된 골시멘트가 연구되고 있다. 생체활성 세라믹 골시멘트는 조성에 따라서 크게 2가지 방향으로 연구가 진행되고 있는데, 하나는 생체활성 유리 분말과 레진(resin)의 복합조성, 다른 하나는 인산칼슘계 생체활성 세라믹 조성의 골시멘트이다. 레진은 생체친화성이 없는 단점은 근본적으로 개선이 어렵다. 생체활성 세라믹 골시멘트의 대표적인 조성은 사인산칼슘(TetraCP, tetracalcium phosphate, Ca4P2O9)과 무수일인산칼슘(dicalcium phosphateanhydrous, DCPA, CaHPO4)의 혼합분말이다. 생체활성 세라믹 골시멘트의 경우 레진이나 PMMA 골시멘트와는 달리 발열반응이 없고 시멘트 자체의 생체활성이 뛰어나서 계면에서 골과 직접 화학적으로 결합하는 장점이 있으나 초기 및 최종 경화 시간이 길어 시멘트의 초기 안정성이 미흡하고, 특히 체액과 접촉하게 되면 경화시간이 크게 증가하는 단점이 있다. 기존의 생체 활성 골시멘트에 대한 연구는 기계적 강도와 경화 조건만을 PMMA와 비교하는 논문이 주였으며, 페이스트 상태에서 PMMA와 유사한 점성을 갖춰 의사가 쉽게 조작할 수 있도록 하는 것을 고려하지 못하였다. 이미 연구되고 시판된 다양한 생체 활성 골시멘트가 아직까지도 광범위하게 사용되지 못하며 PMMA를 대체하지 못하는 것도 그 이유 때문일 것이다. 본 연구는 이전에 개발된 골시멘트와 비슷한 최대 압축 강도와 시술에 용이한 경화 조건을 가지며, 페이스트 형태가 가능하여 조작이 쉬운 생체 활성 골시멘트를 개발하고자 하며, 본 연구를 통하여 개발된 골시멘트의 생체 적합성을 평가하고자 한다. 또한 이러한 연구 결과는 학문적인 의미뿐만 아니라 추후 새로운 골시멘트 개발의 기초 자료로서의 활용될 수 있을 것이다. 본 연구는 TTCP와 DCPA의 혼합분말 골시멘트의경화특성파악을 위해 탄산이온(CO32-) 함유량과 Na2HPO4의농도를 달리한 경화액을 사용하여,골시멘트의초기 및 최종경화 시간을 측정하였고, CPC에0-5wt%의유리분말을첨가,그첨가량에따른경화기간의 변화를 gilmore needle을 이용하여 확인하였다. 개발된골시멘트의기계적특성평가는 10x10x10(mm)크기의골시멘트입방체를이용하여미세경도와압축강도를측정하였다. 각각1시간,10시간,24시간,72시간동안제조된시편들을incubator보관후비커스경도측정 및경화시간변화에따른결정상의변화를분석하였고 유리분말 첨가량에따른압축강도변화분석은 24시간동안incubator보관한 입방체로 분석하였다. 총 20 마리의 흰쥐를 대상으로 대조 수술한 10마리와 난소를 절제한 후 골다공증이 유발된 10마리의 흰쥐모델을 만들고각 군에서 무작위로 5마리의 요추골,미추골,경골부위의골을 체취하였고 microCT검사를통해골다공증양상분석,비교하였다. 총 40 마리의 흰쥐를 같은 방식으로 대조군과 골다공증 유발군 각각 20마리를 만들고 수술적 방법으로 미추부분에 골결손부를 만든 후 서로다른조성의골시멘트(CPCvs.BG-CPC)주입후골조직에미치는조직형태계측학적지표평가비교하였다. 혼합 분말골시멘트의경화특성은 경화액의Na2HPO4의농도가높을수록초기경화시간및최종경화시간이모두단축되었으나,초기경화시간은10%이상부터,최종경화시간은7%이상부터는차이가없었고 경화액의탄산이온의농도가높을수록,골시멘트분말의BG첨가량이증가할수록경화시간이연장되었다. 기계적특성평가의 결과에서는 골시멘트제조후 증류수와의경화반응시간에따른미세경도측정에서, 24시간까지는반응시간이증가함에따라미세경도의크기가증가하였으나,24시간이후는변화가없었다. 증류수와의반응시간에따른결정상의변화는혼합 후24시간까지수화 반응에의한경화가거의완료되었다. 압축 강도 측정에서BG가0.5-1.0wt%정도첨가되었을경우강도는약42MPa로첨가하지않았을때에비해약2.5배향상되었다. 이로 미루어 보아 미량의BG첨가를통해일정정도의경화시간을늦추는대신현저한압축강도의향상을이룰수있었다. 골다공증을유발시킨실험군의요추,미추,경골은골밀도,골의체적,골의두께,그리고해면골의치밀도증가측면에서대조군에비해유의하게낮은값을보였으며특히요추와미추는유의한상관관계를보여향후골다공증흰쥐모델에서척추관련실험시미추를사용할수있을것으로평가되었다. 이식 시험 후골조직의형태계측학적분석에서신생골의골체적,망상골의두께는BG-CPC가CPC에비해우수하였고,망상골의치밀도는CPC가BG-CPC에비해우수하였다. 이식한 시멘트의잔류량은 골다공증유무와상관없이CPC군이BG-CPC군에비해2배 가량높았다. 이상의 연구 결과를 통하여 최상의조성적조합은경화액은 10wt% Na2HPO4와1wt% carboxymethylcellulose를증류수에혼합하고 30분간CO2gas를불어넣어탄산이온이함유된경화액을사용하고분말의경우0.5wt%BG가첨가된CPC분말을사용한경우라 할 수 있었다. 흰쥐의 실험에서는 bioglass를 첨가한 CPC(BG-CPC)가기존에개발된CPC에비해골유도성,생체내흡수성이더우수한것으로평가되었다.
골 시멘트는 정형외과 영역에서는 1940년경부터 인체 내 금속 삽입물을 골 조직에 고정시키려는 목적으로 고관절 및 슬관절 인공 관절 삽입술의 발전과 더불어 사용량이 급격히 증가하였다. PMMA는 단점에도 불구하고 주로 정형외과와 치과 영역에서 큰 불편 없이 사용되고 있다. 그러나 1990년대 이후 골다공증성 척추 골절의 치료 방법으로서 척추체 성형술이 보편화되면서 골시멘트의 사용량이 급증함에 따라 앞서 언급한 PMMA의 문제점이 다시 대두되기 시작하였다. 첫째는 PMMA의 경화시의 발열 반응으로 인한 척수와 신경근 손상이 유발될 수 있으며, 최악의 경우 하지 마비가 발생할 가능성이 있다. 또한 주변 골조직의 열손상은 골절부의 정상적인 치유 경과를 지연 혹은 중단시킬 가능성으로 인해 주입한 PMMA의 이탈 현상도 보고된 바 있다. 둘째, 척추체 성형술시에는 묽은 상태의 미반응 PMMA 단량체(monomer)가 척추체내의 정맥동을 통해 중심 혈류로 흡수될 경우 일시적인 저혈압 또는 폐색전증을 유발한 증례들이 다수 보고되고 있다. 셋째, PMMA는 생체 친화성이 없기 때문에 뼈와 시멘트계면에서 생체 이물반응이 일어나고 그 결과 뼈가 흡수되어 강도가 저하되며 시멘트가 해리되기도 한다. 넷째, 가장 큰 문제점으로서 PMMA는 골전도성이 전혀 없으며, 생체 안에서 흡수되거나 분해되지 않기 때문에 정상 골로 대체되지 않고 척추체에 영구히 잔존하게 된다. 이로 인해 성형술을 시행한 척추체의 강도가 과도하게 증가되어 인접 분절에 응력 집중 현상을 일으키며 연속적인 골절을 발생시키기도 한다. 이러한 PMMA 시멘트의 단점을 해결하고자 생체활성 세라믹으로 구성된 골시멘트가 연구되고 있다. 생체활성 세라믹 골시멘트는 조성에 따라서 크게 2가지 방향으로 연구가 진행되고 있는데, 하나는 생체활성 유리 분말과 레진(resin)의 복합조성, 다른 하나는 인산칼슘계 생체활성 세라믹 조성의 골시멘트이다. 레진은 생체친화성이 없는 단점은 근본적으로 개선이 어렵다. 생체활성 세라믹 골시멘트의 대표적인 조성은 사인산칼슘(TetraCP, tetracalcium phosphate, Ca4P2O9)과 무수일인산칼슘(dicalcium phosphateanhydrous, DCPA, CaHPO4)의 혼합분말이다. 생체활성 세라믹 골시멘트의 경우 레진이나 PMMA 골시멘트와는 달리 발열반응이 없고 시멘트 자체의 생체활성이 뛰어나서 계면에서 골과 직접 화학적으로 결합하는 장점이 있으나 초기 및 최종 경화 시간이 길어 시멘트의 초기 안정성이 미흡하고, 특히 체액과 접촉하게 되면 경화시간이 크게 증가하는 단점이 있다. 기존의 생체 활성 골시멘트에 대한 연구는 기계적 강도와 경화 조건만을 PMMA와 비교하는 논문이 주였으며, 페이스트 상태에서 PMMA와 유사한 점성을 갖춰 의사가 쉽게 조작할 수 있도록 하는 것을 고려하지 못하였다. 이미 연구되고 시판된 다양한 생체 활성 골시멘트가 아직까지도 광범위하게 사용되지 못하며 PMMA를 대체하지 못하는 것도 그 이유 때문일 것이다. 본 연구는 이전에 개발된 골시멘트와 비슷한 최대 압축 강도와 시술에 용이한 경화 조건을 가지며, 페이스트 형태가 가능하여 조작이 쉬운 생체 활성 골시멘트를 개발하고자 하며, 본 연구를 통하여 개발된 골시멘트의 생체 적합성을 평가하고자 한다. 또한 이러한 연구 결과는 학문적인 의미뿐만 아니라 추후 새로운 골시멘트 개발의 기초 자료로서의 활용될 수 있을 것이다. 본 연구는 TTCP와 DCPA의 혼합분말 골시멘트의경화특성파악을 위해 탄산이온(CO32-) 함유량과 Na2HPO4의농도를 달리한 경화액을 사용하여,골시멘트의초기 및 최종경화 시간을 측정하였고, CPC에0-5wt%의유리분말을첨가,그첨가량에따른경화기간의 변화를 gilmore needle을 이용하여 확인하였다. 개발된골시멘트의기계적특성평가는 10x10x10(mm)크기의골시멘트입방체를이용하여미세경도와압축강도를측정하였다. 각각1시간,10시간,24시간,72시간동안제조된시편들을incubator보관후비커스경도측정 및경화시간변화에따른결정상의변화를분석하였고 유리분말 첨가량에따른압축강도변화분석은 24시간동안incubator보관한 입방체로 분석하였다. 총 20 마리의 흰쥐를 대상으로 대조 수술한 10마리와 난소를 절제한 후 골다공증이 유발된 10마리의 흰쥐모델을 만들고각 군에서 무작위로 5마리의 요추골,미추골,경골부위의골을 체취하였고 microCT검사를통해골다공증양상분석,비교하였다. 총 40 마리의 흰쥐를 같은 방식으로 대조군과 골다공증 유발군 각각 20마리를 만들고 수술적 방법으로 미추부분에 골결손부를 만든 후 서로다른조성의골시멘트(CPCvs.BG-CPC)주입후골조직에미치는조직형태계측학적지표평가비교하였다. 혼합 분말골시멘트의경화특성은 경화액의Na2HPO4의농도가높을수록초기경화시간및최종경화시간이모두단축되었으나,초기경화시간은10%이상부터,최종경화시간은7%이상부터는차이가없었고 경화액의탄산이온의농도가높을수록,골시멘트분말의BG첨가량이증가할수록경화시간이연장되었다. 기계적특성평가의 결과에서는 골시멘트제조후 증류수와의경화반응시간에따른미세경도측정에서, 24시간까지는반응시간이증가함에따라미세경도의크기가증가하였으나,24시간이후는변화가없었다. 증류수와의반응시간에따른결정상의변화는혼합 후24시간까지수화 반응에의한경화가거의완료되었다. 압축 강도 측정에서BG가0.5-1.0wt%정도첨가되었을경우강도는약42MPa로첨가하지않았을때에비해약2.5배향상되었다. 이로 미루어 보아 미량의BG첨가를통해일정정도의경화시간을늦추는대신현저한압축강도의향상을이룰수있었다. 골다공증을유발시킨실험군의요추,미추,경골은골밀도,골의체적,골의두께,그리고해면골의치밀도증가측면에서대조군에비해유의하게낮은값을보였으며특히요추와미추는유의한상관관계를보여향후골다공증흰쥐모델에서척추관련실험시미추를사용할수있을것으로평가되었다. 이식 시험 후골조직의형태계측학적분석에서신생골의골체적,망상골의두께는BG-CPC가CPC에비해우수하였고,망상골의치밀도는CPC가BG-CPC에비해우수하였다. 이식한 시멘트의잔류량은 골다공증유무와상관없이CPC군이BG-CPC군에비해2배 가량높았다. 이상의 연구 결과를 통하여 최상의조성적조합은경화액은 10wt% Na2HPO4와1wt% carboxymethylcellulose를증류수에혼합하고 30분간CO2gas를불어넣어탄산이온이함유된경화액을사용하고분말의경우0.5wt%BG가첨가된CPC분말을사용한경우라 할 수 있었다. 흰쥐의 실험에서는 bioglass를 첨가한 CPC(BG-CPC)가기존에개발된CPC에비해골유도성,생체내흡수성이더우수한것으로평가되었다.
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