골 대체물인 Calcium Sulfate를 이용한 척추 유합 하기용·박성진·최우성·노상현

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골 대체물인 Calcium Sulfate를 이용한 척추 유합

하기용・박성진・최우성・노상현

가톨릭대학교 의과대학 강남성모병원 정형외과

Calcium Sulfate as a Graft Substitute for Spinal Fusion

Kee-Yong Ha, M.D., Sung-Jin Park, M.D., Woo-Sung Choi, M.D., Sang-Hyun Rho, M.D.

Department of Orthopaedic Surgery, Kang-Nam St. Mary’s Hospital, The Catholic University of Korea, College of Medicine – Abstract –

Study design : This is a prospective study to determine whether calcium sulfate(CS) used as a bone graft expander could pro- mote spinal fusion as effectively as autogenous bone graft.

Objectives : To investigate the ability of CS to serve as bone graft substitute when combined in a 1:1 ratio with autogenous graft bone(AGB).

Semmary and Literature Review : Autogenous bone is considered the most successful bone graft material and is presently gold standard. Many complications, however, have been reported. Thus, numerous biodegradable osteoconductive ceramic bone graft substitute have received attention as alternative to autogenous bone to reduce the complications. The advantage of a biodegrad- able graft material is its compatibility with the new bone remodeling process required to attain optimum mechanical strength.

Materials and Methods : Fifteen patients who had undergone posterolateral spinal fusion with instrumentation using CS mixed with AGB were evaluated. The patients received the autogenous iliac crest graft on one side of the spine and an equivalent vol- ume of autogenous iliac crest/ CS combination on the other side. Thus, the patients serve as their own control. The number of segments fused was 45 segments. The implanted sites were assessed for new bone formation and bony fusion by plain radiog- raphy and CT.

Results : Of 47 segments fused with CS and AGB, 42 segments (89.4%) were completely fused. In contrast, segments fused with AGB alone, 44 segments (93.6%) were fused. One patient showed nonunion at the both side. Two patients had nonunion at the fused segments with CS and ABG. However, the other side showed complete union. 5 patients who underwent removal of hardware had grossly and histologically complete union. There were no complications related to CS.

Conclusion : Calcium sulfate appeared to have some potential as a bone graft expender rather than a graft substitute when combined 1:1 ratio with ABG, despite fusion rate by CS mixed with AGB ws lower than AGB alone.

Key Words : Fusion, Osteoconduction, Calcium sulafte, Graft substitute

Journal of Korean Spine Surg.

Vol. 8, No. 1, pp 53~61, 2001

서 론

자가골 이식은 성공률이 가장 높은 유합 이식골이지 만, 25~30%의 환자에서 합병증이 발생하며, 5%~35%의 불유합이 발생된다1 9 , 2 4 )

. 최근에 척추 기기 발달로 척추

유합시 튼튼한 내고정을 통한 기계적 강화로 유합률을 높이려고 시도하지만, 불유합 발생을 완전히 없애지는 못하고 있기 때문에 유합률을 높이기 위한 생물학적 강 화가 점점 중요해지고 있다^3,4,21,22)

. 따라서 수술 부위의 합

병증을 줄이고, 유합률을 높이기 위하여 탈무기질 골 기 질(demineralized bone matrix : DBM)¹⁰⁾

, 골 모양 형성 단

백질(bone morphogenic protein : BMP)4 , 2 1 , 2 2 )과 c a l c i u m

phosplate 세라믹

^{5 )}을 이용하여 자가골 이식을 대체하게 되었으며, 특히 생분해성(biodegradable) 골 전도 물질인 세라믹 골 대체물이 발전되어 왔다.

최근에 골 전도 물질로 tricalcium phosphate, hydroxya-

patite, calcium sulfate(CS) 물질이 소개되어 왔다

^5,7,8,11)

. 그

러나 이들 물질은 이식된 표면적과 재료물질에 따라 생 체 흡수에 영향을 주며, 이식 면적이 넓을수록 생체내로 흡수가 더 크다고 하였다⁷⁾

. 또한 세라믹의 모양과 구조

에 의하여 흡수률이 영향을 받을 수 있다. 그러나 세라 믹은 반드시 골 성장이 일어날 때까지 외부의 부하력으 로부터 보호되어야 한다고 하였다. 따라서 골 유합 과정 동안 견고한 고정이 필요하며, 체중부하를 시켜야 하지 말아야 한다고 하였다⁷⁾

. 세라믹 물질과 비슷한 CS는 40

년 전부터 골 결손 부위의 충전 물질로 사용되어 왔으 며, 인체에 전혀 해가 없는 물질로 알려져 왔다^15-17)

. 하 등

1)은 토끼 실험에서 CS와 자가골 이식을 한 횡돌기간 유 합술을 시도한 부위에서 골 형성를 관찰할 수 없었다고 하였으며, 이는 CS 흡수가 빠르게 일어나 골 유도를 일 으킬 수 있고 세포들이 충분히 자라지 못하기 때문일 것 이라고 보고하였으며, 또한 TNF-α가 골 흡수에 영향을 주는 것 같다고 보고하였다. 그러나 C S를 이용한 척추 고정에 대한 실험 논문은 보고는 있었으나^1,11)

, 이에 대한

임상 보고는 거의 드물다.

따라서 저자들은 CS와 자가골 이식을 혼합하여 척추 유합술을 시행시 CS가 골 대체물의 효과가 있는지 이를 확증하기 위하여 본 연구를 시행하게 되었다.

재료 및 방법

1 9 9 7년 1 1월부터 1 9 9 8년 1 0월까지 calcium sulfate(Osto

술을 시행한 1 5례를 대상으로 본 연구를 시행하였다. 평 균 추시기간은 1 4개월에서 3 8개월로 평균 3 0 . 1개월 이었 으며, 수술 당시 연령은 2 8세에서 7 9세까지 평균 연령은

5 6세였다. 이중 남자가 3례여자가 1 2례였다.

척추 질환 진단명으로는 척추관 협착증을 동반한 퇴 행성 측만증이 7례였으며 이중 4례는 재수술을 시행한 예였다. 척추강협착증 1례, 전방전위증 2례, 골절 4례 및 척추 결핵 1례였다. 고정 부위는 제 4-10흉추 1례, 제 9흉 추-제 2요추 1례, 제 10흉추-제 3요추 1례, 제 1요추-제 5 천추 3례, 제 2-5요추 1례, 제 2-4요추 3례, 제 4-5요추 1 례, 제 3요추-제 1천추 1례, 제 3-5요추 3례였다.

고정 분절은 총 47분절로서 평균 3.1분절에서 CS를 이 용한 자가골 이식을 시행하였다. 전 예에서 TSRH 기기 를 이용한 견고한 고정을 시행하였으며, 5례에서 전방 유합술을 동시에 시행하였고, 수술은 한 술자(HA)에 의 하여 시행하였다. 후외방 유합술을 시행한 15례에서 한 쪽 분절은 자가골 이식만 시행하였으며, 반대쪽 분절은 자가골 이식과 CS을 이용하여 이식을 시행하였으며, 가 능한 1:1 비율로 혼합하여 이식을 시행하였다(Table 1).

단순 방사선 촬영은 주기적으로 수술 후 즉시 4주, 3개 월, 6개월, 9개월, 12개월, 18개월, 24개월 이후 1년 후에 주기적으로 촬영하였으며 , 컴퓨터 단층 촬영은 6개월 및 12개월에 시행하여, 골 유합을 판정하였다. 골판정의 기준은 Lenke 등¹³⁾의 분류에 따라 4가지로 나누었다. 컴 퓨터 단층 촬영에 2 mm 간격으로 횡돌기간 사이를 중심 으로 촬영을 하여 골 유합을 판정하였다. 골 유합 판정 은 각 분절마다 시행하였다. 단순 방사선 촬영에서 기기 에 의한 골 유합이 뚜렷치 않을 때나, 판정이 애매한 경 우에는 CT 소견으로 골 유합으로 판정하였다. 5례에서 는 기기 제거시 직접 육안으로 확인 하였으며, 유합골의 생검을 실시하여 조직학 검사를 시행하였다. 기기 제거 술을 한 이유는 척추골절 및 결핵의 환자로서 수술 후 발생할 수 있는 인접관절의 불안정 혹은 퇴행성 변화를 방지하기 위하여 수술 1년 내에 제거하였던 례들이다.

통계처리는 F i s h e r’s Exact 검사를 실시하여, 두 군간의 유의한 차이를 검증하였다.

결 과

1. calcium sulfate 흡수

CS의 흡수는 빠르게 2주에서 시작하여 6주에서 전례

에서 완전히 흡수되었다. 특히 2주 이내에 방사선 촬영 한 4례 중 3례에서 대부분의 CS의 흡수를 관찰할 수 있

대한척추외과학회지 Vol. 8, No. 1, 2001

2. 골 유합

소견이 보인 분절은 44분절(93.6%)에서 보였으며, 자가 골 이식과 C S을 하여 혼합한 분절 중 4 2분절( 8 9 . 4 % )에 서 유합 소견이 보였다(Fig. 1A-C). 따라서 양측 동시에

대한척추외과학회지 Vol. 8, No. 1, 2001

Fig. 1-A. Postoperative roentgenogram

Fig. 1-B. Postoperative 2 years. Complete union was noted in both graft sites.

Fig. 1-C. On CT finding, there was bone formation on both trans - verse processes.

A

C

B

Fig. 2-A. Postoperative roentgenogram

Fig. 2-B. Postoeprative 28 months. Calcium sulfate site was completely resorbed and showed nonunion.

Fig. 2-C , D . No bony union in CS mixed with autogenous bone graft site, but were showing bony union on autogenous bone graft site.

A B

C D

한 2분절 및 자가골 이식만 한 3분절에서 각각 제 3형 및 제 4형의 불유합 소견이 보였다. 2례의 3분절에서는 자 가골 이식한 분절은 완전유합이 보였으나, 반대측 CS를 혼합한 2례의 3분절에서 유합소견이 전혀 보이지 않는

4형의 불유합 소견을 보였다(Fig. 2A-D). 그리고 C S와

자가골을 이식한 군과 자가골만 이식한 군과의 통계학 적 의의는 없었다(Two-sided Pr<P=0.7142).

3. 육안 및 조직학적 소견

기기 제거 5례 중 전례에서 골 유합 소견이 보였으며, 이 중 1례에서 골 유합한 한 부위와 비교시 CS을 이용한 골 유합 분절에서 많은 소공이 관찰되었다(Fig. 3). 그러 나 조직학적 소견에서 이식을 시행한 부위와 차이점을 발견할 수가 있었다(Fig. 4A-B).

4. 합병증

수술 후 감염, 신경증상의 악화, 수술 기기의 파손과 같 은 합병증은 없었다. 그러나 1례에서 수술과 관련이 없었 지만 수술 4주 후 뇌경색증으로 침상 고정상태 중이다.

고 찰

최근에 여러 종류의 골 이식 제재 중 골유도 및 골전도 가 가능한 이식 대체물이 관심을 끌고 있다3 - 5 , 9 , 1 0 , 1 4 , 2 2 )

. 이와

같은 이식 제재들의 장점은 적절한 기계적 강도를 얻는 데 필요한 새로운 골 재형성 능력이 있다는 점이다. 그러 나 J a r c h o^{1 2 )}은 대부분의 세라믹 골이식 제제들은 완전히 흡수되지 않아 남아있는 이식 제제들이 골의 재형성을 방해하고, 새로이 형성된 골의 강도를 약화시켜 골유합 부위에서 스트레스 유발부로 계속 남게 된다고 보고하 였다. 특히 골 전도 물질인 생체재료 물질만 사용시 골 유합을 이식만 한 것과 같은 결과를 얻을 수 없기 때문에 반드시 골 유도 물질인 골 형성 단백질과 동시에 이식하

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Fig. 3. Showing multiple pores in CS mixed with AGB site(Rt) as compared with autogenous graft(Lt) on gross findings.

Fig. 4. Showing bony trabeculae. But osteocytes were not visible. There was no histologic difference between both groups in matrix

A B

여야 좋은 결과를 초래한다고 하였다^{3 , 8 )}

. 그러나 골형성

단백질은 가격이 비쌀 뿐 아니라 아직 연구단계에 있는 상태이며, 널리 사용되지 않고있다^{2 0 )}

. Delecrin 등

^{8 )}은 세 라믹과 자가골 이식과의 비교에서 생체역학적 검사에서 차이는 없었다고 하였으나, 국소적인 조건, 즉 접촉 면족 이 중요하다고 하였다. 따라서 이들은 세라믹과 뼈는 접 촉 면적이 클수록 골 유합이 높다고 하였으며, 횡돌기 보 다도 후궁에 이식한 부위에 새로이 형성된 골의 비율이 높았다고 하였다. 하 등^{1 )}도 C S를 이용한 동물실험에서 도 횡돌기간 이식에서 골유합을 전혀 관찰할 수 없었다 고 하였으며 이들은 견고한 고정과 접촉 부위가 골이식 대체물질의 골 형성에 중요하다고 하였다.

최근에 Sidqui 등¹⁸⁾은 생체외 실험에서 골모세포가 CS 와 접촉되고, 파골세포가 C S를 흡수한다고 C S의 우수 한 골 형성 능력을 증명하였으나, CS가 너무 빨리 흡수 되면 새로운 직골의 creeping substitution이 일어나지 않 으며, 너무 늦게 흡수되면 새로운 뼈의 성장을 억제한다 고 보고하였다. 하 등¹⁾도 불유합 부위에서 골 흡수를 유 도한 T N F -α가 존재하는 것을 증명하여 T N F -α가 골 흡 수의 중요한 역할을 할 것이라고 하였다.

N i k u l i n과 L j u b o v i c

^{1 5 )}은 자가골 이식보다도 C S가 정상적 인 골의 재생이 더 빨리 일어난다고 하였으며, Bell^{2 )}은 골 이식의 성공은 숙주에 의한 이식제의 빠른 흡수에 의하 여 이루어진다고 하였다. 이들은 5 ~ 7주 내에 C S가 흡수된 다고 하였다. Cotezee^{6 )}도 C S의 흡수 기간은 정확히 모르지 만 자가 해면골의 흡수보다도 더욱 빨리 일어나는 것을 보고하였다.본 연구에서 전 예에서 6주 이내에 C S가 완전 히 흡수된 것을 관찰할 수 있었으며, 술후 2주 이내에 방 사선 촬영을 한 4예 중 3례에서 거의 흡수가 일어나 빠른 생분해성이 일어났다. Peltier^{1 6 )}는 C S의 장점으로 C S로 이 식한 부위의 뼈는 정상 뼈로 재생되었다고 하였으며, 자 가골과 이식하여도 이식골의 증식에 전혀 영향을 주지 않았다고 하였으며 C S의 흡수률은 새로운 골의 증식과 밀접하게 일치한다고 하였다. 따라서 C S의 특징은 쉽게 흡수되고 골생성을 방해하는 대사산물을 만들지 않으며, 생체적합성이 뛰어나 이물반응을 거의 일으키지 않는다.

저자들의 예에서도 이물반응과 같은 합병증이 발생한 예 는 없었으나 1례에서 C S와 관련이 없는 뇌경색에 의하여 침상 가료 중이다. 또한 5례에서 기기 제거를 한 이유는 기기의 파손이나 이완에 의한 원인으로 제거하지 않았으 며, 골이식을 하지 않은 고정관절 혹은 인접관절의 퇴행 성 변화를 방지하기 위하여 제거하였을 뿐이다.

그러나 P e l t i e r와 L i l l o^{1 7 )}은 골막에 의하여 덮혀 있지 않 은 C S은 골의 흡수 소견이 보이지 않으나 골막으로 덮혀 있는 C S은 4 5 ~ 7 2일 내에 C S의 완전한 흡수를 관찰할 수 있다고 하였다. 이들은 C S는 골 형성능은 아니지만 골막

혹은 골과 접촉시 골의 재생을 더욱 촉진시킨다고 하였 다. 본 예에서는 후외방 고정 및 횡돌기간 유합술로 인하 여 이식골과 C S의 혼합을 골막으로 덮을 수 없었으나,

8 9 . 4 %에서 골유합 소견이 보여, 주위의 연부 조직 등에서

부터 혈관이 자라 골형성에 도움을 주지 않나 생각된다.

Yamazaki 등

²³⁾은 혈관과 CS의 골 유도 능력을 주기 위 해 골 형성 단배질과 같은 골 유도체를 혼합하여 사용시 골 생성 속도를 촉진시킨다고 하였으나, 골 형성 단백질 과 혼합하지 않고 CS만 이식한 예에서는 이식한 부위가 육아조직에 의하여 싸여 있고, 대식세포가 C S의 표면 및 안에서 발견되었으며, 골 형성을 관찰하지 못하였다 고 하였다. 하 등¹⁾도 토끼 실험에서 CS만 이식한 부위에 서 골 형성을 전혀 관찰하지 못하였다고 하였다. 따라서

CS를 사용시 반드시 골전도 물질을 동반 사용하여야 골

유합을 얻을 수 있다.

그러나 Hadjipavlou 등^{1 1 )}은 동물 실험에서 t i t a n i u m

mesh에 CS와 자가골 이식을 충전 시킨후 추체간 유합에

서 좋은 결과를 얻었다고 하였으며 CS는 골전도 능력이 뚜렷하다고 보고하였다. 따라서 저자들도 골 전도 능력 을 높이기 위하여 골 형성 단백질 대신에 자가골 이식을 혼합하여 골 유합술을 시행하였다. 본 연구에서 C S의 빠른 흡수가 일어나는 것을 관찰할 수 있었으며, 자가골 이식만 한 부위에서의 골 유합은 93.6%, 자가골 이식과

C S을 혼합한 분절은 8 9 . 4 %로서 자가골 이식한 부위에

서 더 높은 유합률을 보였으나, 통계학적 의의는 없었 다. 특히 기기제거술을 시행한 5예에서 육안적 및 조직 학적으로 완전 유합 소견이 보여 CS의 탁월한 골 유합 능력을 관찰할 수 있었다. 따라서 골 다공증이 심한 환 자에서 충분한 이식골을 채취할 수 없는 경우 채취한 이 식골과 함께 CS는 골 확장제로서 이용될 수 있을 것으 로 생각된다. 그러나 이와 같은 생체재료 물질의 골 전 도 제재를 사용시 반드시 견고한 고정 및 골 유도 물질 과 같이 혼합하여 사용하여야 좋은 결과를 초래할 수 있 을 것으로 생각된다. 본 논문의 문제점으로 자가골 이식 에 의하여 골유합이 이루어 졌는지 확인할 수 없으나 자 가골 이식만 한 부위보다 자가골 이식의 양을 많이 줄일 수 있어 CS는 골 확장제로 충분한 역할을 하는 것으로 생각된다. 그러나 향후 C S와 자가골의 비율에 따른 유 합을 관찰하여, 가능한 자가골의 양을 감소시킬 수 있을 것으로 생각된다.

결 론

C S은 완전한 골대체물로서의 사용보다는 골 확장제

로서 작용을 할 것으로 생각되며, 자가골을 충분히 얻지

못하는 경우에 CS와 혼합하여 사용시 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각되나, 더 많은 증례와 실험 연구가 뒤따라야 할 것으로 생각된다.

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대한척추외과학회지 Vol. 8, No. 1, 2001

연구 계획 : 골전도물질인 calcium sulfate (CS)을 이용하여 척추유합 후 자가 골이식만큼 효과가 있는지 확인하기 위 한 전향적 연구이다.

연구 목적 : 골대체물인 CS을 이용한 척추 유합의 효과를 관찰하였다.

대상 및 방법 : 척추 기기 이용 척추 유합술시 CS를 혼합하여 골 유합술을 시행한 15례를 대상으로 하였다. 후외방 유합술을 시도한 전례에서 동일 분절의 한쪽 부위는 자가골 이식만 시행하였으며, 반대측 부위는 자가골 이식과 함 께 CS을 가능한 1:1 비율로 혼합하여 이식하였다. 추시 기간은 평균 30.1개월이었다. 자가골 이식한 분절 및 자가골 과 CS을 혼합한 분절은 각각 45분절이었다. 전례에서 방사선 촬영 및 CT 촬영을 주기적으로 시행하였다.

결이과 : CS와 자가골을 혼합하여 이식한 47분절 중 42분절(89.4%)에서 골 유합 소견을 보였으며, 자가골 이식만 시 행한 47분절 중 44분절(93.6%)에서 골 유합 소견을 보였다. 1례에서 양측에서 불유합 소견을 보였으며, 2례에서 CS 와 자가골 이식한 분절에서 불유합 소견을 보였으나, 자가골 이식한 분절에서는 골유합 소견을 보였다. 기기 제거시 육안적 관찰이 가능하였던 5례에서 완전한 골 유합 소견이 보였으며 CS와 관련된 합병증은 없었다.

결이론 : 기기 이용 척추 유합시 자가골 이식보다 낮은 골 유합률을 보였지만, 충분한 자가골을 얻을 수 없는 선택된 례에서 CS와 동시에 사용시 이식골 확장제로 사용할 수 있을 것으로 생각된다.

색인단어 : 척추유합, 골전도, calcium sulfate, 이식골 대체물 국 문 초 록

※ 통신저자 : 하 기 용

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