무시멘트형 인공관절의 표면처리
김 용 식
가톨릭대학교 의과대학 정형외과학교실
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서 론
무시멘트형 인공 고관절의 성공을 좌우하는 가장 중요한 요소중의 하나가 인공 관절내로 얼마나 많은 골성장이 일어 나느냐 하는 것 이다. 인공관절 표면 내로 골성장이 많이 일어 날수록 인공관절과 골사이 에는 강한 고정력이 생기게 되며 강한 고정력은 결 국 수십년간 인체내에서 인공관절이 견딜 수 있는 기초가 된다. 이런 이유 때문에 무시멘트형 인공 고 관절이 소개된 이래 반세기 동안 가능한 많은 골성 장이 인공 관절내로 일어나게 하기 위하여 인공관절 의 재질이나 표면처리에 대한 수많은 연구가 진행되 어 오고있다. 그러나 아직 까지 완벽한 인공관절은 존재하지 않고 있으며 인공관절의 재질이나 표면처 리 방법에 따라 각각 장단점이 있다. 현재 사용되고 있는 무시멘트형 인공관절의 재질은 타이타니움 합 금이나 코발트 크롬이 사용되고 있는데 이상적인 인 공관절 재질의 조건은 적절한 생체적합성, 기계적 강도, 무독성, modulus of elasticity, osteophil- i a등을 갖추고 있어야1 4 ) 하기 때문에 이러한 조건을 만족하기 위해서는 타이타니움 합금이 코발트 크롬 보다는 적합하다. 현재 사용되고 있는 대부분의 인 공고관절의 재질은 타이타니움-알루미늄-바나디움 ( T i 6 A l V 4 )합금이나 일부회사 제품(CLS 등)은 세 포독성이 더 적다고 알려진 타이타니움-니오비움 합
금을 사용하고 있다1 5 ). 그러나 D e p u y의 AML 처럼 코발트 크롬으로 만들어진 재질에도 골성장이 잘 발 생하는 것으로 보아 인공관절의 재질 보다는 표면처 리가 골성장을 좌우한다고 볼 수 있다.
현재 사용되고 있는 무시멘트형 인공고관절의 표 면처리는 표면을 골조직이 잘 성장할 수 있는 형상 인 porous structure형태로 코팅하거나 골조직과 화학적 구조가 유사한 h y d r o x y a p a t i t e로 코팅하는 방법, 표면을 a l u m i n a등을 이용하여 단순히 거칠게 만드는 sand blasting 방법이 사용되고 있는데 이 연수강좌에서는 제조회사와 상품에 따라 표면처리 방법을 분석하여 그 장단점을 토론하고 최근 새로이 개발되고 있는 방법을 소개하고자 한다.
본 론
1) Porons coating 방법
Porous structure를 만들기 위한 인공관절 코팅 방법에는 여러가지 형태로 생긴(주로 구형) titani- um bead를 i m p l a n t의 표면에 sintering 시키거 나,(Depuy AML, Howmedica) fiber 모양의 t i t a n i u m으로 으로 p a d모양을 만들고 이것을 d i f- fusion bonding 방법으로 i m p l a n t에 코팅시키는 방법(Zimmer Versys, Harris-Galante), plas- ma spray방법(최근 대부분의 무시멘트형 인공관절
※ 통신저자 : 김 용 식
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대한고관절학회지 제1 4권 제4호 Vol. 14, No. 4, December, 2002
의 코팅방법: Biomet, Aesculap, Endoprotek) 등이 있다.
Bead sintering 방법
Bead sintering 방법은 일정한 크기의 b e a d를 사용함으로서 p o r e의 크기나 p o r o s i t y를 조절할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 s i n t e r i n g시 타이타늄 합금의 m i c r o s t r u c t u r e에 영향을 줄 수 있는 온도 인 1 7 2 0 ~ 1 8 5 0°F 보다 훨씬 높은 온도인 약 2 2 0 0 ~ 2 4 0 0°F을 사용함으로서 인공관절 재질 자체 는 물론 코팅된 b e a d에 microstructural change 를 일으키고 코팅과 implant 의 경계면에 n o t c h 등이 발생하여 피로강도를 약화시킬 뿐 아니라, 시 간이 경과함에 따라 b e a d가 탈락되여 osteolysis 등 을 유발하거나 골과의 결합 강도를 감소 시킬 수 있 다. 인공 관절의 재질을 코발트 크롬으로 했을 경우 도 고온을 사용하기는 마찬가지 이나 타이타니움 합 금에 비해서는 강도에 덜 영향을 받기 때문에 Depuy 에서 생산되는 AML stem 등은 아직도 코 발트 크롬을 사용하고 있다.
Diffusion bonded coating
Bead sintering 이외에 Z i m m e r사에서만 사용하 는 방법으로 Diffusion bonded coating 방법이 있 다. 이 방법은 인공관절의 코팅하고자 하는 부위를 먼저 디자인하고 타이타니움 w i r e를 잘게 짤라서 구 부린다음 m o l d i n g하여 p a d를 만들고 이 p a d를 a p p l i c a t o r를 이용하여 인공관절에 압박시킨 후 p a d와 인공관절 기질이 완전히 융합할 때 까지 인공 관절 전체를 1 4 0 0 ~ 1 8 0 0°F의 온도로 가열한다.
Bead sintering에 비해서 낮은 온도로 가열하나 c o a t i n g과 substrate 사이에 생기는 n o t c h나 crack 등은 마찬가지로 발생하여 피로강도가 역시 감소되는 단점이 있다.
Plasma spray 방법
Bead coating의 단점을 보완할 목적으로 1 9 8 0년 대 초 인공관절의 코팅에 사용된것이 p l a s m a
spray 방법이다. 이 방법은 이미 군에서 1 9 6 0대부 터 원래 재질의 피로강도를 많이 감소 시키지 않고 타이타니움을 도포하기 위해 사용되었고, 의료계에 서는 심장치료용으로 코발트 크롬에 다공성의 코발 트 크롬을 plasma spray를 이용하여 코팅하는 기 술이 개발 되여 사용되여 오고 있었다.
이 방법을 진행과정은 다음과 같다.
1. 시행하기전 인공관절의 코팅할 부위를 아주 작 은 metal ball로 때려 금속 표면의 tensile stress- e s를 compression stresses로 변환시켜 피로강도가 약화되지 않게 표면처리를 한다.
2. 코팅이 필요없는 부위는 특별한 도구를 이용하 여 m a s k i n g한다.
3. 타이타니움은 산소가 있는 상태에서는 쉽게 산 화되어 폭발하므로 진공 상태의 c h a m b e r에 코팅할 인공관절을 장착 시킨다
4. Ti6Al4V powder를 extreme high energy plasma arc로 i n j e c t한다
5. Pressurized gas mixture가 coating pow- d e r를 plasma arc를 통해 device surface로 분출 된다. 이때 처음 분출될 때는 semi-molten 상태였 던 Ti powder는 d e v i c e로 가면서 굳어지게 된다.
Plasma spray 방법은 bead sintering 방법에 비해서 피로강도가 훨씬 우수한것으로 알려져 있으
나2 1 , 2 2 )L P P S로 plasma spray를 시행하는 대부분
의 방법은 spray 된 coating layer 내에 v o i d나 c r a c k이 생길 뿐 아니라 열처리 때문에 i m p l a n t와 plasma spray 사이의 층이 떨어지면서 3rd body wear 를 초래하여 인공관절의 해리를 초래할 수 있 다. 최근에는 이런 단점을 보완하기 위해 p l a s m a arc spray로 i m p l a n t표면을 처리하는 방법이 개발 되여 아주 좋은 결과를 보고하고 있다.
Optimal pore structure
현재 주로 사용되고 있는 porous coating의 목적 은 골 성장에 적합한 porous structure를 만드는데 있다. 일반적으로 알려진 optimal pore structure 는 약 3 0 %의 p o r o s i t y와 150~400 um 혹은 250~350 um 크기의 pore 인데2 ), 아직도 p o r o s i- t y와 s i z e에 대해서는 논란이 많다. 미국계 회사들
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(Biomet,Depuy, Zimmer, Howmedica)은 이 이 론에 근거하여 평균 350~480 um 크기의 p o r e s i z e로 c o a t i n g을 시행하고 있으나 최근 몇몇 유럽 회사들은(Aesculap, Endoprotek) pore size를 200~250 um 정도로 균일하게 유지하도록 노력하 고 있다. 그러나 골 성장에 가장 적당한 pore 의 크 기와 다공성 정도는 인공관절을 시행하려는 부위의 해면골의 p o r o s i t y와 p o r e의 크기에 따라 달아진다 고 가정할 때2 0 ) optimal pore structure를 만들기 위해서는 더욱 더 많은 연구가 필요할 것으로 생각 된다.
2)Hydoxyapatite-coating 방법
무시멘트형 인공 고관절에서 보다 조기에 확고한 골성장을 이룩하기 위하여 1 9 8 0년대 부터 소개되기 시작한 HA 도포형 인공 관절5 , 6 , 7 , 9 , 1 7 )은 화학적 구조 가 골과 유사하여 이상적인 것으로 생각되였으나 인 공관절-HA 접촉면의 경계면이 골-HA 경계면 보다 약하고 s m o o t h한 표면으로 인해 골조직과의 고정력 도 떨어져 임상에서 사용한 결과 P o r o u s - c o a t e d i m p l a n t에 비해서 골과의 접촉력이 훨씬 떨어지는 것으로 보고되고 있다8 , 1 9 ).
smooth suface를 가진 HA 도포형 인공 관절이 기대 이하의 성적을 거두자 HA 의 장점과 p o r o u s coating 의 장점을 같이 갖게 하기 위하여 i m p l a n t 의 표면을 porous coating으로 처리한 다음 그 위 를 H A로 도포하는 방법이 사용되기 시작하여4 , 1 3 )좋 은 결과를 얻었다고 보고하고 있다.
그러나 이러한 방법도 실제 이상적인 pore 크기를 유지하기 에는 문제가 많은데 일반적으로 골성장에 가장 이상적이라고 알려져 있는 50~300 um2 ) 정도 의 pore 크기로 i m p l a n t의 표면을 처리한 다음 약 50 um 의 두께로 H A를 도포하면 오히려 p o r e를 막게되고 표면이 s m o o t h하게 되는 결과를 초래하게 된다. 따라서 pore 를 막는 것을 방지하기 위해서는 pore 크기를 더 크게 해야 하는데 이렇게 되면 골성 장에 필요한 pore 크기를 벗어나게 된다.
Tisdel 등은 fiber metal 처리된 i m p l a n t에 t r i- calcium phosphate를 도포하여 좋은 결과를 얻었 다고 보고 하고 있으나 이 방법 역시 HA 도포로 표 면을 s m o o t h하게 만들고 porous coating 안쪽이나
밑 바닥 까지 HA 를 골고루 도포할 수 없다는 단점 이 있다.
이러한 문제점 때문에 최근에는 대부분의 회사들 이 plasma spray 후에 H A를 도포하는 방법을 사 용하고 있는데 이 방법은 이미 임상에서는 좋은 결 과를 얻고 있다1 0 , 1 6 ).
3)Corundum blasting 방법
일반적으로 골 성장이 인공관절내로 일어나기 위 해서는 porous structure나 HA coating 등이 꼭 필요할 것으로 생각되나 CLS, Zweymüler stem등 의 임상결과 alumina 등의 단단한 tiny material 로 타이타니움 표면을 아주 얇게 파이게 하여 단지 거칠게 만드는 corundum blasting방법도 좋은 결 과를 얻고 있다1 , 1 8 ). 이 방법은 alumina powder를 media 와 혼합하여 nozzle 로 강한 속도로 분사하 여 평균 거칠기(Ra) 5~7 um 로 표면처리 하는 방 법으로 bead sintering이나 plasma spray 등과 달리 고온을 사용하지 않아 재질의 피로강도등을 유 지 할 수 있다는 큰 장점이 있다.
동물실험상 plasma spray 에 비해서는 골 성장 이 적게 일어난다고 보고되고 있으나3 ) 실제 임상성 적은 porous structure를 가진 인공관절 보다 오히 려 우수한 것으로 보고되고 있다1 , 1 8 ).
최근 치과영역에서는 implant 이식 후 조기에 골 성장을 얻어 저작이 가능하도록 하기 위하여 단순한 corundum blasting에 산을 이용하여 표면을 e t c h i n g시켜 접촉면적을 극대화하는 방법과 a n o d i z i n g방법으로 표면을 골조직과 유사하게 만들 면서 거칠기를 조절하는 표면처리 기술도 개발되여 향후 인공관절 분야에서도 이용될 것으로 생각된다.
4 )새로운 금속의 사용
t i t a n i u m으로는 골조직과 비슷한 구조를 만드는 데 한계가 있기 때문에 표면 전체를 완전한 p o r o u s s t r u c t u r e로 제조할 수 있는 t e n t a l u m이 미국에서 개발되여 현재 임상에서 사용되고 있다. 그러나 이 물질은 가격이 매우 높을 뿐 아니라 강도가 타이타 니움등에 비해 약하여 대퇴스템으로 장기간 사용사 용하기 에는 아직 문제가 있으며 생체 적합성에 대 해서도 더 연구가 필요하다고 생각된다.
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무시멘트형 인공관절의 표면처리
결 론
골 성장을 극대화 하기 위해서는 p o r e의 크기나 porosity 등만이 중요한 것이 아니고 재질, 디자인, 표면적의 크기, 표면 s t r u c t u r e의 모양, 표면거칠기 의 정도등 여러가지 요인이 작용한다고 생각한다.
특히 표면의 거칠기는 인공관절의 성공에 중요한 영 향을 미치는데 표면이 s m o o t h한 인공관절은 골성장 이 거의 일어나지 않으며 너무 거친 표면을 가진 경 우는 s t r e s s가 c o n c e n t r a t i o n되여 피로강도가 떨어 지고 c o a t i n g이 떨어져 나갈 가능성이 높아 피하는 것이 좋다고 생각된다.
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