초록 ▼

한국형 인공고관절의 재질로근 현재 주로 사용되고 있는 Ti-6Al-4V합금이나 Co-Cr합금이 현실적으로 국내에서 생산, 제작이 가능한, 기술이나 경제적인 면을 고려하여 현상태에서는 Co-Cr합금을 채택하였다. 그러나 임상 시제품의 제작을 위해 새롭게 설계된 Ti-In합금은 인체에 안전한 세포 독성이 지적되지 않은 합금원소로 이루어진 재료로서 기존에 사용된 생체용 합금에 비해, 인장강도, 항복강도 등의 기계적 성질의 측면에서 우수한 특성을 가지고 있다. 특히 In의 함량이 많을수록 높은 강도를 보였으며, 새로운 Ti-In 합금의 탄

한국형 인공고관절의 재질로근 현재 주로 사용되고 있는 Ti-6Al-4V합금이나 Co-Cr합금이 현실적으로 국내에서 생산, 제작이 가능한, 기술이나 경제적인 면을 고려하여 현상태에서는 Co-Cr합금을 채택하였다. 그러나 임상 시제품의 제작을 위해 새롭게 설계된 Ti-In합금은 인체에 안전한 세포 독성이 지적되지 않은 합금원소로 이루어진 재료로서 기존에 사용된 생체용 합금에 비해, 인장강도, 항복강도 등의 기계적 성질의 측면에서 우수한 특성을 가지고 있다. 특히 In의 함량이 많을수록 높은 강도를 보였으며, 새로운 Ti-In 합금의 탄성률은 기존의 스테인레스강이나 Co-Cr 합금은 물론 순수 Ti, Ti-6Al-4V 합금의 탄성률 보다 낮은 값을 가지고 있으므로 골과의 접합 시, 골의 용해(osteolvsis)를 최소화할 수 있을 것으로 판단되며, In 양의 증가에 따라 강력한 내부식성을 가지므로 기존의 생체용 합금인 Ti-6Al-4V 보다 생체 내에서 금속이온 용출의 부작용을 억제할 수 있을 것으로 판단되어 장기적으로는 Ti-In합금을 사용하는 것이 인체에 보다 적합할 것으로 사료된다.
무시멘트 인공고관절에 있어서 갖추어야할 가장 기본적인 조건은 인공삽입물과 골사이의 결합으로서 이를 얻기 위한 표면처리기법이 매우 중요하다. 한국형 인공 고관절의 표면처리는 plasma spray 방법을 택하였고 그 위에 후처리 공정으로 AHT type(Alkali and Heat Treated type after Porous coating) 처리공정을 거쳐 biosurface를 만들어 인체 내에 유독한 Al과 V의 용출을 차단하고 골결합력을 증대시켜 임상용 시제품에 대한 표면 개질을 향상시켰다. 표면처리에 따른 Bone ingrowth 실험에 의하면, 생체활성 처리된 시편의 경우 bone ingrowth가 가장 많았으며, 생체강 티타늄 합금으로서 현재 가장 널리 사용퇴고 있는 Ti-6Al-4V ELI 합금에 순수 티타늄을 코팅하여 인체내에서 독성원소로 작용하는 Al과 V의 용출을 차단하므로 기계적 성질이 우수하고 보다 안정한 임플란트로 응용가능하며 표면이 매우 거칠므로 골결합력의 증대가 기대된다
디자인의 경우 한국인의 비구 및 대퇴골의 기하학적 형태를 조사하여 이를 바탕으로 설계하였다. Acetabular cup의 경우 modular type을 채택하고, 비구컵의 모양은 hemispherical shape으로 하고, metal shell의 고정은 press fit과 screw fixation을 동시에 사용하기로 결정하였으며, liner의 고정은 새롭게 개발된 ring lock system으로 결정하였다. 또한 마멸저하를 위한 비구컵의 설계와 함께 micromotion을 억제하는 metal-back shell type의 새로운 locking system을 설계하였다. 이러한 최적의 비구컵 설계를 위해 anti-rotation knob, ring-lock, press-fit, screw hole 등 종합적인 설계 모델의 유한요소해석을 실시하여 설계 모델의 응력, 안정성 그리고 micromotion을 분석하였다.
Femoral system의 경우 surface treatment는 proximal 1/3만 처리하는 것이 응력차단에 의한 골약화를 방지하고 추후 revision을 용이하게 하므로 바람직하며 circumferential coating이 필수적이고 collar는 효과가 만족스럽지 못하여 collarless의 형태로 선택하였다. Lateral portion의 fluted wedge는 50%이상의 rotational stability를 증가시킬 수 있으며 proximal portion이 triplanar shaped wedge으로 설계하여 큰 load resistance 이용하여 proximal canal을 채우고 fitting이 잘 일어나게 하였다. Distal portion은 tapered shape으로 결정하였고 proximal side의 contact이나 bone ingrowth, proximal porosity, bone resorption, stress shielding등의 문제에 있어서 cylindrical shape 보다 장점이 많을 것으로 생각된다. Neck length의 경우 medium size가 가장 많이 사용되고 있으나 short size, long size, extra-long size 4가지 size가 모두 필요할 것으로 사료되어 4가지를 생산하기로 하였다. Femoral head의 경우는 국내 상황이나 가공수준을 고려하여 Co-Cr을 채택하였으나 polyethylene cup의 마모면에 있어서 ceramic head가 metal head에 비해 우수한 점이 입증되어 있으므로 향후에는 ceramic head 개발에 더 치중을 해야할 것으로 사료된다.위와 같이 새롭게 설계되고 제작되는 한국형 인공고관절은 새로운 합금을 이용하여 기계적 성질 및 인체에 대한 안전도에서 탁월한 재질이며, 역시 새롭게 개발된 표면처리방식으로 골내성장 및 골결합력을 높이는 장점이 있다. 또한 비구컵의 경우 새롭게 개발한 Ring lock system으로 폴리에틸렌 라이너를 안정되고 단단하게 결합시킬 수 있으며. 초기 압박고정과 함께 초기고정을 위해 Screw로 고정하게 되어있다. 새롭게 디자인된 스템의 경우 근위부의 초기 압박고정 및 표면처리로 인한 골내성장으로 중후기고정이 탁월하여 최근 가장 문제가 되고 있는 골용해를 방지하는 역할을 할 것으로 기대되고, tapered로 설계된 원위부는 응력차단현상도 감소시킬 수 있을 것이라 사료된다. 또한 lateral portion의 fluted wedge는 rotational stability를 증가시킬 수 있을 것이라 사료된다.

Abstract ▼

Titanium alloy has been recommended as material of femoral stem, but Ti-In alloy which has been newly developed in this study is superior in mechanical property and corrosion to Ti-6Al-4V alloy which has been widely used. For the purpose of better biocompatibility and mechanical properties, a new ti

Titanium alloy has been recommended as material of femoral stem, but Ti-In alloy which has been newly developed in this study is superior in mechanical property and corrosion to Ti-6Al-4V alloy which has been widely used. For the purpose of better biocompatibility and mechanical properties, a new titanium alloy (Ti-In) was developed. This new alloy showed improved mechanical characteristics (tensile strength, yield strength, elasticity). But we decided the cobalt-chrome alloy as material of femoral stem due to economical and technical consideration.
Bone ingrowth between bone and proshesis is essential and surface treatment is most important to get stable and complete fixation of prosthesis. A new surface treatment technology was also developed during this study. We chose plasma spray coating with alkali and heat treated type after porous coating(AHT type).
The hip design was based on the average femur geometry of Korean population. In view of design, we chose a hemispherical modular type of acetabular cup using screw for initial fixation and a ring lock system as the liner locking system. A new locking system for acetabular component was developed for minimizing micromotions in the components and enhancing stability. We chose proximal 1/3 circumferential coating system as a surface treatment. And we selected a femoral stem shaped straight, tapered, collarless, and wedged with lateral flute. Four types (short, medium, long, and extralong) of femoral neck are needed for the modular system. Co-Cr alloy femoral head chosen, but we will still have to need the ceramic head in future for decrease of polyethylene liner wear. Further, we should develop cross linked polyethylene, zirconia ceramic, and ceramic on ceramic articulation.
Newly developed Korea style hip prosthesis has many merits like the followings. Ti-In ally is excellent in safety, mechanical property. And plasma spray coating with AHT type system is excellent in bone ingrowth between host bone and prosthesis. We can achieve rigid initial fixation of acetabular component with press-fit and screw fixation. Polyethylene can fix rigidly through ring lock system. We can also prevent osteolysis, subsidence, stress shielding effect through using newly developed hip prosthesis.

목차 Contents

• Ⅱ. 총괄연구개발과제 연구결과...8
• 1. 총괄연구개발과제의 최종 연구개발 목표...8
• 2. 총괄연구개발과제의 최종 연구개발 내용 및 결과...10
• 3. 총괄연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론...14
• 4. 총괄연구개발과제의 연구성과 및 목표달성도...16
• 5. 총괄연구개발과제의 활용계획...23
• 6. 첨부서류...24
• Ⅲ. 제1세부연구개발과제 연구결과...81
• 1. 제1세부연구개발과제의 최종 연구개발 목표...82
• 2. 제1세부연구개발과제의 연구대상 및 방법...83
• 3. 제1세부연구개발과제의 최종 연구개발결과...86
• 4. 제1세부연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론...107
• 5. 제1세부연구개발과제의 연구성과 및 목표달성도...108
• 6. 제1세부연구개발과제의 활용계획...111
• 7. 참고문헌...112
• Ⅳ. 제2세부연구개발과제 연구결과...114
• 1. 제2세부연구개발과제의 최종 연구개발 목표...115
• 2. 제2세부연구개발과제의 연구대상 및 방법...115
• 3. 제2세부연구개발과제의 최종 연구개발결과...157
• 4. 제2세부연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론...209
• 5. 제2세부연구개발과제의 연구성과 및 목표달성도...211
• 6. 제2세부연구개발파제의 활용계획...213
• 7. 참고문헌...214
• Ⅴ. 제3세부연구개발과제 연구결과...217
• 1. 제3세부연구개발과제의 최종 연구개발 목표...218
• 2. 제3세부연구개발과제의 연구대상 및 방법...219
• 3. 제3세부연구개발과제의 최종 연구개발결과...221
• 4. 제3세부연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론...277
• 5. 제3세부연구개발과제의 연구성과 및 목표달성도...283
• 6. 제3세부연구개발과제의 활용계획...286
• 7. 참고문헌...287