초록 ▼

뼈 고정나사란 뼈와 뼈를 상호 친밀하게 연결 고정 시키고, 뼈가 붙도록 고정 지지 해주는 재료이다. 이에 대한 재료로는 뼈고정판(plate)과 뼈고정나사(Bone screw) 혹은 뼈고정못(Bone Pin)이 있는데 이를 통칭하여 뼈 고정재료라고 말한다.
최근들어 교통사고에 의한 골절의 증대와 얼굴성형 수술 증가에 따른 뼈 절단으로 인해, 혹은 종양이나 질환으로 인해 뼈를 절단한후 이를 다시 고정하는 뼈고정의 필요성이 급증하고 있다. 특히 다양한 뼈 절단을 요하고 이를 고정해야 하는 얼굴뼈 기형 성형 수술에서는 많은 양의 뼈고

뼈 고정나사란 뼈와 뼈를 상호 친밀하게 연결 고정 시키고, 뼈가 붙도록 고정 지지 해주는 재료이다. 이에 대한 재료로는 뼈고정판(plate)과 뼈고정나사(Bone screw) 혹은 뼈고정못(Bone Pin)이 있는데 이를 통칭하여 뼈 고정재료라고 말한다.
최근들어 교통사고에 의한 골절의 증대와 얼굴성형 수술 증가에 따른 뼈 절단으로 인해, 혹은 종양이나 질환으로 인해 뼈를 절단한후 이를 다시 고정하는 뼈고정의 필요성이 급증하고 있다. 특히 다양한 뼈 절단을 요하고 이를 고정해야 하는 얼굴뼈 기형 성형 수술에서는 많은 양의 뼈고정재가 필요하다. 그러나 현재 사용하고 있는 뼈 고정재는 티타니움을 주성분으로 하는 금속재 고정재이며, 이 금속 고정재는 고정하는 기능이 상실된 후에는 결국 인체에 있어서 이물질로 작용하여 알러지, 부식, 혹은 염증을 야기하는 부작용이 있어 일반적으로 2차 수술을 하여 이를 제거해 주고 있다. 또한 생체흡수성 고분자를 이용한 PLLA, PLA, PGA 등의 기존의 고분자를 이용한 뼈고정재가 국제적으로 연구되어 일부는 임상시험에 임하고 있으나 아직 상품화 되지는 못하고 있다. 이는 지연흡수 조직반응(late degradation), 종창(swelling), 두꺼운 섬유성낭을 형성하고 입자는 완전히 흡수되지 않는 문제점이 있었다. 또한 일부 고분자는 하악골 골절의 치료시 이를 이용할 경우 dynamic load하에서 screw와 plate가 그 역할을 다하지 못할 가능성이 커 새로운 흡수성 물질에 의한 뼈고정재 개발이 필요하게 되었고 이에 기존의 금속성 뼈고정재의 문제점을 해결하기 위한 생체흡수성 뼈고정재를 개발하고, 상기 문제점을 해결할 가능성이 큰 천연고분자인 키토산을 이용하고자 한다. 키토산은 생체흡수성 고분자로서 새우, 게, 등 갑각류에서 얻어지는 천연고분자 물질로서 이를 성형가공하고 경도를 유지하는 물질로 만들어 이를 뼈고정판과 고장나서로 이용하고자 한다. chitosan이 의료용 재료로 개발되지 못한 이유는 chitosan은 융점이 없고 산성 수용액에 대한 용해도가 높지 않아서 fiber나 film 형태외에는 성형가공에 문제점이 있다. 최근에는 이를 극복하고자 chitosan과 생체친화성이 었는 다른 고분자 물질을 binder로 이용하여 압축성형하는 기술등이 보고되고 있지만 결국 film이나 스폰지 제조에 그치는 정도로서 입체적인 가공성형을 하지 못하고 있다. 따라서 성장촉진 가능성과 물리적 강도를 지닌 chitosan의 특성을 가장 잘 활용할 수 있는 뼈 고정재료로서도 이용가능성을 생각지 못하고 있었다
이에 본 연구 개발에서는 키토산을 성형가공하기 위한 방법을 개발하여 궁긍적으로는 성형가공물인 뼈 고정재를 개발하고자하며, 이에 대한 원리는 용융점이 없는 키토산을 어떤 물질과 혼합하여 용융점이 있도록 한 다음 이를 분말화하고 이를 주로 하여 성형가공하도록 하는 점이 핵심기술이 될 것이다. 이러한 키토산 성형가공기술은 골고정나사의 개발을 가능케할 수 있으며, 이전의 티타늄 골고정나사가 지니는 재수술의 번거러움을 개선하였고 기존의 티타늄 골고정나사에서는 불가능하였던 기능성 골고정나사를 실현가능하게 되었다. 즉 골절부나, 골손상이 있는 부위에 rhBMP-7 함유하는 (키토산)-(rhBMP-7) 복합체로 제작한 생체흡수성, 골대체성 골고정나사를 사용할 경우 그 자체가 골로 대체될 수 있으며, 또한 손상받은 주변골의 치유를 촉진시키는 효과를 기대할 수 있다. 각 세부과제별로 얻어진 유기적인 결과를 전체적으로 살펴보면 다음과 같다.
첫째 제 1 세부과제에서는 키토산 성형가공법의 개발과, 동물실험 및 기능성 나사개발을 목표로 연구를 진행하였다. 지금까지는 키토산이 다양하게 이용되어 왔으나 chitosan은 융점이 없고 산성수용액에 대한 용해도가 높지 않아서 fiber나 film 형태외에는 성형가공에 문제점이 있다. 즉 키토산을 지금까지 고형화하지 못한 문제점을 해결하여 이를 고형화하면서 성형가공할 수 았고 동시에 기계적 강도를 지니는 특성을 지니면서도 이물반응이 적은 생체 적합성언 키토산 제제를 개발하였으며， 기계적 물성을 지니고 생체적합한 키토산 복합체를 개발하였고 이들 키토산 복합체의 고형화 및 성형가공법을 개발하였다. 즉 고형화될 수 있는 카토산 복합체를 개발하였고 이는 키토산외의 물질을 최소로 사용하여 기계적 특성을 유지하면서 우수한 생체적합성을 유지할 수 았는 고형제를 제조하였다. 세포독성 실험에서 거의 무독성에 가까운 생체적합성과 동물실험에서 이물반응을 보이지 않는 생체적합성을 유지하고 약 80 MPa 정도의 기계적 강도를 지니고 원통형등 입체적인 성형가공이 가능한 커토산 복합체를 개발하고 여기에 rhBκ1P-7을 복합시켜 골형성 능력이 았는 카토산 복합체를 개발하였다. 동물실험에서 카토산과 골형성단백질의 복합체를 이식 후 골형성언자의 mRNA발현을 real time RT-PCR로 확인한 결과 여러가지 골형성인자의 발현이 증대됨이 확인되었다.
제 2 세부과제는, 제 1 세부과제에서 개발한 키토산 복합체의 기계적 특성과 물성을 평가하고, 생체적합성 시힘을 하여 키토산 복합체의 물성을 향상하기 위한 성형가공법을 개선하여 이를 규격화하는 것이 연구 목표이며, 뼈 고정나사의 기계적 특성과 생체적합성, 뼈 고정나사의 규격성, 가공성 등의 생체적합성의 기능 실험에 관한 연구를 하였다. 제 1 세부과제에서 개발한 키토산 복합체의 기계적 특성과 물성을 평가하기위해 키토산 복합체의 기계적 특성과 생체적합성 연구를 시행하였는바, 기계적 특성은 표변경도 압축강도 굴곡강도 파괴인성을 측정하였고 용해도 측정과 세포독성시험을 하였다. 표변경도는 55±15 VHN 이었고, 압축강도는 80±20 MPa, 굴곡강도는 60±15 MPa, 파괴인성 값은 1.0±0.2MN/m, 용해도는 14일째 거의 무게변화를 보이지 않았고 세포독성 실험은 L929 세포에서 탈색지수 1, 세포용해지수 0으로 무독성과 경미한 세포독성 사이의 우수한 생체적합성을 보였다.
제 3 세부과제에서는, 제 1 세부과제에서 개발한 키토산 복합체의 고형체를, 제 2 세부과제에서 그 기계적 물성연구 생체적합성 설험을 통과한 키토산 고형체를, 제 3 세부과제에서는 뼈 고정나사의 디자인 개발 및 이 고형체에 함유시킬 rhBMP-7의 제조 및 물성 연구를 시행하였으며， 뼈고정나사들 실제로 환자에게 적용하고 시술할 수 있도록 사람의 열굴뼈의 형태와 수술의 방법에 따른 뼈고정나사의 디자인 및 스크루를 이용하기 위한 기구개발를 하였으며， BMP-7(OP-1)의 cDNA를 retroviral vector를 이용하여 mammalian cell에 transfection 시키고 이를 분리 농축하여 정제된 rhBMP-7이 특이적인 골유도 능력을 가지는 지를 시험관내 시험으로 확인하고자 rhBMP-7 을 제로하였고 이 rhBMP-7과 키토산 고형체의 상호 적합성의 생체물성연구를 real time RT-PCR을 시행하여 확인한 결과 탁월한 생체 적합 가능성을 보였다.
각 세부과제별 유기적인 체계에 의해서 생체적합 뼈고정재료인 키토산 고형체를 이용한 시술보조 기구의 디자인 및 시제품의 생산 가능성을 확인할 수 있었으며, 손상받은 주변골의 치유를 촉진시키는 부가적인 효과를 얻는 또다른 수확을 얻을 수가 있었다. 또한 이전의 티타늄 골고정나사가 지니는 재수술의 번거러움을 개선하였고 기존의 티타늄 골고정나사에서는 불가능하였던 기능성 골고정나사를 실현가능하게 되었다. 즉 골절부나 골손상이 있는 부위에 BMP-7을 함유하는(키토산)-(BMP-7) 복합체로 제작한 골흡수성, 골대체성, 골고정나사를 사용할 경우 그 자체가 골로 대체될 수 있는 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼

Bone fixation materials including screws, plates, and bone pins are used in healing of the bone fractures and/or the osteotomized bones. Its needs are increasing nowadays because of increased the traffic accidents, the ablative cancer surgeries with bone grafts, and especially cosmetic maxillofacial

Bone fixation materials including screws, plates, and bone pins are used in healing of the bone fractures and/or the osteotomized bones. Its needs are increasing nowadays because of increased the traffic accidents, the ablative cancer surgeries with bone grafts, and especially cosmetic maxillofacial surgeries dealing with maxillomandibular osteotomies. Although, current titanium metal fixation devices such as titanium plates and titanium screws are needed to be removed after the healing of fractures or osteotomized gap. No other ideal substitute has been developed until now. Titanium screws and plates were susceptable to corrosion, inducing allergic reaction. and evoking inflammatory reaction in tissue as a time sequences. Another approach is to introduce the resorbable polymers, such as poly-I-lactic acid(PLLA), polylactic acid(PLA), polyglycolic acids(PGA), as a resorbable fixation material. These materials seemed to produce delayed resorption, aseptic necrosis. swelling, and fibrous encapsulation around implanted resorbable polymer. Some of them have low strength to endure the functional stress under dynamic loading before healing process was completed. It may produce another fracture of the device itself during healing process of the bony fracture.
The need of new bioresorbable fixation materials for bone fixation is increasing. In this project, we tried to use chitosan as a biopolymer for making a resorbable 3-dimensional fixation devices. Chitosan is a natural polymer derived from a chitin that is abundant in outer skeleton of crab, shrimp, and robster.
Chitosan has not been molded as we want until now. We succeeded in making chitosan moldable by adding a little amount of biocompatible binding material, which has no influence to the chitosan' s biocompatibility. This method also can help to make a bioresorbable and biocompatible bone fixation screw. This bioresorbable screw has some advantages over conventional titanium screws: there is no need of screw removal after healing of bone. It has been used as a functional screw containing the recombinant BMP-7 that can be helpful to regeneration of fractured bone or osteotomized bones.
This project comprised with three parts. In first part of this study, we tried to develop the molding method of chitosan. It was used as drug delivery vehicle, coagulant chelating agent, etc. But chitosan has its own property that did not easily moldable to make it a 3 dimensional structure. Other methods to make it a 3 dimensional mass have been proved to make it only as a film form and sponge like structure. In this study. we can make the chitosan as a block form, which has a mechanical strength about 80 MPa and a biocompatible property. It showed good tissue compatibility in animal study and in vitro study. It can also be made as a cylindrical form and other types of blocks. Finally, we can make a chitosan screw that can be used in fixation of bone fragments.
Incorporating rhBMP-7 in chitosan screws seemed to be more effective in accelerating the healing process of fracture the bone or osteotomized bones, which were confirmed via quantitative real time RTPCR that mRNAs of BMP-2, BMP-4, osteopontin, and osteocalcin were upregulated by those incorporated BMP-chitosan composite.
In second part of this study, we evaluated the mechanical and physical properties of the moldable chitosan. and tested the biocompatibility of this chitosan. Surface hardness, compressive strength, bending strength, and toughness test were performed with chitosan complex. Cytotoxicity and solubility test were also carried. The results were as follows. Surface hardness is 55+ 15 VHN, compressive strength about 80±20 MPa, bending strength about 60+15 MPa, fracture toughness l.O±O.2 MN/m 15. There is no or slight cytotoxicity in L929 cell line and no weight change in 14-day solubility test.
In third part of this study, we developed the new design for chitosan screws and also developed new device for making the chitosan screws. Using recombinant technology, we also made rhBMP-7, and evaluated the efficacy and property of the rhBMP-7. We made a machine and instruments for making chitosan screws and installation of those screws, such as screwdrivers, tapper, and tabletop lathe.
As a result, we can make the screw that can be applied to fracture fixation or stabilizing the osteotomized bones. This result showed the advantage of resorbable chitosan screws over the conventional titanium screws that needed to be removed after compeletion of the healing. Chitosan screws are resorbed in the body without any serious complications, and they are also used with incorporated rhBMP-7, which improves the healing ability in fixation of bone fragment.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 목차 ... 4
• 연구개발사업 최종보고서 요약문 ... 5
• Project Summery ... 7
• 총괄연구개발과제 연구결과 ... 9
• 1. 총괄연구개발과제의 최종 연구개발 목표 ... 9
• 2. 총괄연구개발과제의 최종 연구개발 내용 및 결과 ... 17
• 3. 총괄연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론 ... 23
• 4. 총괄연구개발과제의 연구생과 및 목표달성도 ... 24
• 5. 총괄연구개발과제의 활용계획 ... 27
• 6. 첨부서류 ... 28
• 제 1세부연구개발과제 연구결과 ... 29
• 1. 제 1세부연구개발과제의 최종 연구개발 목표 ... 30
• 2. 제 1세부연구개발과제의 연구대상 및 방법 ... 34
• 3. 제 1 셰부연구개발과체의 최종 연구개발쩔과 ... 37
• 4. 제 1세부연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론 ... 42
• 5. 제 1세부연구개발과제의 연구성과 및 목표달성도 ... 46
• 6. 제 1세부연구개발과제의 활용계획 ... 48
• 7. 참고문헌 ... 50
• 제 2세부연구개발과제 연구결과 ... 52
• 1. 제 2세부연구개발과제의 최종 연구개발 목표 ... 54
• 2. 제 2세부연구개발과제의 연구대상 및 방법 ... 56
• 3. 제2세부연구개발과제의 최종 연구개발결과 ... 58
• 4. 제 2세부연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론 ... 70
• 5. 제 2세부연구개발과제의 연구성과 및 목표달성도 ... 71
• 6. 제 2세부연구개발과제의 활용계획 ... 72
• 7. 참고문헌 ... 73
• 제 3세부연구개발과제 연구결과 ... 75
• 1. 제 3 세부연구개발과제의 최종 연구개발 목표 ... 76
• 2. 제 3 세부연구개발과제의 연구대상 빛 방법 ... 78
• 3. 제 3세부연구개발과제의 최종 연구개발결과 ... 82
• 4. 제 3세부연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론 ... 91
• 5. 제 3세부연구개발과제의 연구성과 및 목표달성도 ... 92
• 6. 제 3 세부연구개발과제의 활용계획 ... 93
• 7. 참고문헌 ... 94
• 끝페이지 ... 95