Bioabsorbable bone plate with a radiopaque layer containing barium sulfate for diagnostic X-ray imaging

Abstract

골절된 뼈의 고정을 위해 사용되는 금속합금 기반의 플레이트는 높은 기계적 강도의 장점으로 널리 이용되고 있지만, 간혹 금속재료의 부식물에 대한 독성문제, 골절 치유 이후 2차 제거수술에 대한 환자의 부담감 및 플레이트 자체의 뼈보다 높은 강도로 인하여 접합된 뼈의 강도가 낮아지게 되는 문제점을 보유하고 있다. 이에 반하여, 흡수성 고분자재료 기반의 골 고정용 플레이트는 시술 후 생 분해되어 사라지는 재료의 특성으로 2차 제거수술이 필요하지 않고 분해되는 과정 중에 자체적으로 줄어드는 강도의 특성을 통하여 치유된 뼈의 강도를 높이는 기능을 지니고 있다. 하지만 고분자 재료 자체의 X-ray 투과성으로 인하여 골절 수술 후에 X-선 영상을 통해 시술 후 진단에 필수적인 플레이트의 위치를 파악하기 어렵다는 단점을 지니고 있다. 이를 해결하고자, 본 연구에서는 조영 역할을 하는 황산바륨과 생분해성 폴리(락틱-코-글리콜산) (PLGA) 고분자의 혼합물을 이용하여 진단 층을 별도로 제작하여 기 허가된 흡수성 플레이트 위에 부착함으로써 X-ray 진단을 가능케 하였다. 조영층의 PLGA 고분자와 황산바륨 조영제 조성을 1:10(w/w)과 1:3(w/w)으로 구성하여, 조영능 유지기간 동안 방출되는 황산바륨입자에 대한 독성을 조절하고자 하였다. 세포독성실험을 통하여 조영능 유지기간 동안 방출되는 황산바륨입자에 대한 세포독성이 심각하지 않음을 알 수 있었다. 또한 토끼를 이용한 동물실험을 통하여 조영능 유지기간 동안 조직학적으로 생체 적합함을 증명하였고, 조영층은 시간이 지남에 따라 PLGA 고분자의 분해에 의해 점차 사라지며 조영능이 감소하는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 조영층이 결합된 생체흡수성 골고정용 플레이트가 수술 후 고정 장치의 위치를 쉽게 파악할 수 있는 X-선 진단이 가능한 생체흡수성 골고정용 플레이트를 제작하여 진단 및 치료의 복합적 기능을 갖춘 골고정용 시스템에의 응용 가능성을 고찰해 보았다.

Bone fixation systems made of biodegradable polymers are radiolucent, making post-operative diagnosis with X-ray imaging a challenge. In this study, to allow X-ray visibility, we separately prepared a radiopaque layer and attached it to a bioabsorbable bone plate approved for clinical use (Inion, Finland). We employed barium sulfate (BaSO4) as a radiopaque material due to the high X-ray attenuation coefficient of barium (2.196 cm2/g). The radiopaque layer was composed of a fine powder of BaSO4 bound to a biodegradable material, poly (lactic-co-glycolic acid) (PLGA), to allow layer degradation similar to the original Inion bone plate. In this study, we varied the mass ratio of BaSO4 and PLGA in the layer to be 3:1 w/w or 10:1 w/w to modulate the degree and longevity of X-ray visibility. All radiopaque plates herein were visible via X-ray, both in vitro and in vivo, for up to 40 days. The radio-opacity increased with increasing BaSO4 content. For all layer types, the radio-opacity decreased with time due to the swelling and degradation of PLGA, and the change in the layer shape was more apparent for layers with the higher PLGA content (BaSO4 : PLGA = 3:1 w/w). The radiopaque plates released, at most, 0.5 mg of BaSO4 every two days in a simulated in vitro environment, for which cytotoxicity did not appear. The radiopaque plates also exhibited good biocompatibility, similar to that of the Inion plate, 1 and 4 months following implantation. Therefore, we concluded that the BaSO4-based radiopaque, biodegradable plate prepared in this work has the potential to be used as a fixation device with both X-ray visibility and biocompatibility.