생체 분해성 Mg-Ca-Zn 합금이 토끼 성장판에 미치는 영향

Abstract

정형외과 영역에서 골유합 후에는 이차적인 삽입물 제거술을 시행하게 되는데, 이로 인한 통증과 연부조직 손실, 일상생활로의 복귀 지연 등의 여러 문제들이 발생하고는 한다. 특히 소아 환자들의 경우, 전신마취를 다시 시행 받아야 한다는 점도 매우 부담스러운 일이다. 이들 환아에서 고식적인 삽입물 대신에 생체 분해성 삽입물로 내고정하면 추가적인 삽입물 제거술 없이 한차례의 수술로 치료가 종결될 수 있기 때문에, 생체 분해성 제제 삽입물의 개발은 소아정형외과 분야에서 매우 매력적인 소재라 할 것이다. 본 연구의 목적은 생체 분해성 Mg-Ca-Zn 제제가 성장판이 열려 있는 소아에서 사용해도 안전한지 여부를 평가하는 것이다. 이를 위하여 생체 분해성 Mg-Ca-Zn 제제를 가토 성장판에 식립한 후 흡수되는 과정에서 성장판에서의 반응을 관찰하여 사용한 생체 분해성 Mg-Ca-Zn 제제가 유해한 영향을 미치지 않는 생체 적합한 소재인지 검증하고자 하였다. 또한 플라즈마 전해 양극산화 (plasma electrolytic oxidation, PEO) 코팅 핀과 코팅을 하지 않은 핀과의 분해 속도 및 반응에 차이가 있는지에 대해서도 확인해보고자 하였다. 6주차 36마리의 미성숙 가토를 사용한 핀의 종류에 따라 플라즈마 전해 양극산화 코팅 군과 코팅을 하지 않은 군으로 나누어 삽입 3주, 6주, 12주간 실험을 수행하였다. 직경은 1.3 mm이고 길이는 35 mm인 Mg-Ca-Zn 핀을 대퇴 과간 절흔에서 원위 대퇴골 성장판을 관통하도록 삽입하였다. Micro CT 영상을 분석하여 가토의 대퇴골의 전장 길이를 측정하고, 핀의 잔여 부피와 핀 주위의 빈 공간의 부피를 측정하였다. 또한 이를 통하여 핀의 분해 속도를 계산하였다. 조직학적으로는 핀 주위의 성장판에 불연속성 발생 여부 및 상기 부위의 개재 물질에 대해서 확인하고 조직병리학적으로 염증 반응이 동반되는지를 평가하였다. 조직형태학적으로는 핀 주위 성장판의 높이를 측정하였다. 플라즈마 전해 양극산화 코팅 군과 코팅을 하지 않은 군 모두에서 급성기 및 만성기 염증 반응은 관찰되지 않았으나, 삽입된 핀의 분해 속도와 성장판에서의 반응에는 유의한 차이를 보였다. 플라즈마 전해 양극산화 코팅 핀은 코팅을 하지 않은 핀에 비하여 상대적으로 천천히 분해되었고 더 적은 양의 수소 가스를 형성하였다. 분해 속도의 차이에 의하여 핀의 분해 속도가 더딘 플라즈마 전해 양극산화 코팅 군에서는 작은 사이즈의 골가교가 발생하였을 뿐이지만 핀이 빠르게 분해되는 코팅을 하지 않은 군에서는 골가교의 크기가 크고 성장판 조기 폐쇄가 발생하기도 하였다. 성장판에서 관찰된 이러한 차이로 인하여 플라즈마 전해 양극산화 코팅 핀과 연관해서는 성장 장애가 발생하지 않았으나 코팅을 하지 않은 핀과 연관하여는 핀이 식립된 대퇴골의 단축 소견이 명확하게 관찰되었다. 상기 연구 결과에 따라 생체 분해성 Mg-Ca-Zn 합금 중 플라즈마 전해 양극산화 코팅을 시행한 Mg-Ca-Zn 합금은 생체에 적합하고 성장판에 사용하여도 안전한 정도의 분해 속도를 갖는 것으로 판단되었다.

Because Mg-Ca-Zn alloys are biodegradable and obviate secondary implant removal, they are especially beneficial for pediatric patients. We examined the degradation performance of Mg-Ca-Zn alloys depending on the surface modification and investigated the in vivo effects on the growth plate in a skeletally immature rabbit model. Either plasma electrolyte oxidation (PEO)-coated (n = 18) or non-coated (n = 18) Mg-Ca-Zn alloy was inserted at the distal femoral physis. We measured the degradation performance and femoral segment lengths using micro-CT. In addition, we analyzed the histomorphometric and histopathologic characteristics of the growth plate. Although there were no acute, chronic inflammatory reactions in either group, they differed significantly in the tissue reactions to their degradation performance and physeal responses. Compared to non-coated alloys, PEO-coated alloys degraded significantly slowly with diminished hydrogen gas formation. Depending on the degradation rate, large bone bridge formation and premature physeal arrest occurred primarily in the non-coated group, whereas only a small-sized bone bridge formed in the PEO-coated group. This difference ultimately led to significant shortening of the femoral segment in the non-coated group. This study suggests that optimal degradation could be achieved with PEO-coated Mg-Ca-Zn alloys, making them promising and safe biodegradable materials with no growth plate damage.