형상 기억 합금인 porous coated nickel-titanium alloy (porous NiTi alloy)에 대한 인간 골모세포의 생체 적합성

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대한정형외과연구학회지 제 5 권 제 2 호 J. of Korean Orthopaedic Research Society Volume 5, Number 2, October, 2002

형상 기억 합금인 porous coated nickel-titanium alloy (porous NiTi alloy)에 대한 인간 골모세포의 생체 적합성

가톨릭대학교 의과대학 성모병원 정형외과교실, Bio-SMART*

정도현・권순용・정진화・김종철・강지훈*・이승구

= Abstract =

The Biocompatibility of Human Osteoblasts to Porous Coated Nickel- Titanium Alloy (porous NiTi alloy) with Thermal Shape Memory

Do-Hyun Chung, M.D., Soon-Yong Kwon, M.D., Jin-Wha Chung, M.D., Jong-Chul Kim, M.D., Ji-Whoon Kang*, Ph.D., and Seung-Koo Rhee, M.D.

Department of Orthopedic Surgery, ST. Mary’s Hospital, The Catholic University of Korea, Seoul, Korea, (주) Bio-SMART*

Purpose: This research is to clarify utilization and efficiency of porous coated NiTi alloy by observing its affinity on human osteoblast. In this study, the biocompatibility of porous NiTi alloy was analyzed by investi- gating the biological activity and growth patterns of osteoblasts on NiTi alloy in vitro, followed by comparative analysis of their activity on commercial titanium based alloy (TBA) and tissue culture polystyrene (TCP), as a control.

Materials and Methods: The human osteoblasts were obtained from the iliac crest of a normal adult and cultured with routine maneuver. A seeding of cultured human osteoblasts to each group (NiTi alloy : experimental 1 group, TBA: experimental 2 group, TCP: control group) was done at the 15th day of primary culture.

At the 4th, 7th and 10th seeding day, we observed the morphology of cultured cells on the surface of materials using scanning electron microscope and measured the amount of biosynthesis of cell protein and activity of alkaline phosphatase.

Results: In the scanning electron microscope study, the osteoblasts in experimental 1 and 2 groups were pro- liferated well in similar levels. However in control group, growth of osteoblasts were significantly retarded than experimental 1 and 2 groups. And the biosynthesis of proteins and activity of alkaline phosphatase were significantly increased in experimental 1 and 2 groups time dependently but decreased apparently in control group.

Conclusion: The porous NiTi alloy which was proved to have good affinity and biocompatibility on human osteoblasts could be used as one of press-fit implants in orthopaedic fields.

Key Words: Human osteoblasts, Nickel-titanium alloy, Porous NiTi alloy, Biocompatibility

※ 통신저자: 이 승 구

서울시 영등포구 여의도동 6 2번지 가톨릭대학교 성모병원 정형외과학교실

Tel: 02) 3779-1192, Fax: 02) 783-0252, E-mail: [email protected]

본논문의 요지는 2001년도추계대한정형외과학회에서구연되었으며 , 가톨릭중앙의료원과 Bio-SMART사의연구 비로이루어졌음 .

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서 론

정형외과 영역에서 여러 목적으로 인체에 사용 되는 금속 삽입물은 생체 적합성과 친화성이 좋고, 이물반응이나 종양 유발인자가 되어서는 안된다.

최근 열에 따른 형상 기억의 특성이 있고, 고탄 성과 높은 진동에 대한 내성을 갖는 n i c k e l - t i t a- nium alloy (이하 NiTi alloy)는 정형외과의 골 절 정복용의 기본 금속물 및 건-골 고정물인 M i t e k^Ⓡ 그리고 치과 보철 재료와 혈관외과의 혈 관 filter (Simon nitinol filter, SNF^Ⓡ)등의 기본 재료로 각광을 받고 있다. 이미 NiTi alloy 는 생체 적합성이 많은 동물 및 인체세포들을 대 상으로한 실험들과 실제 수술기기들의 인체수술 및 장기 추적 결과를 통하여 그 안정성이 검증된

바 있다^{2 9 )}. 또한 S i m s k e와 Sachdeva (1995)는

NiTi alloy 표면에 5 0 %의 porous coating을 한 후 implant cross-section하의 bone ingrowth 의 정도는 30% porous hydroxyapatite보다 상 회함을 보고하였다^{3 1 )}. 이러한 양호한 b o n e i n g r o w t h의 정도는, 고탄성 및 형상 기억 성질 을 갖는 porous NiTi alloy가 주위 골 및 i m p l a n t의 손상없이 보다 견고한 골내 p r e s s - f i t i m p l a n t로 이용될 수 있을 것으로 판단된다. 이 러한 판단은 특히 1 9 9 4년 Itin 등이 현재 임상에 널리 사용되는 각종 m e t a l과 ceramic 들의 탄성 계수 (modulus of elasticity)가 1 0 0 ~ 4 0 0 G P a로서 정상 피질골의 20 GPa보다 훨씬 강직 성 ( s t i f f n e s s )을 보이는 반면, NiTi alloy는 28~41 GPa, 그리고 50% porous NiTi alloy 는 14~20 GPa로서 유연성이 뛰어나다는 보고로 도 뒷받침된다^{1 5 )}.

그러나 porous NiTi alloy에 대한 실험 중 인 간 골모세포를 대상으로 한 친화성과 생체적합성 에 대한 문헌은 거의 없다. 이에 본 연구에서는 NiTi alloy에 대한 인간 골모세포의 친화성을 관 찰하기 위하여 NiTi alloy 표면에 300~500 µm 크기의 porous coated NiTi alloy를 B i o - SMART 주식회사와 공동 개발하고, 성인남자의 장골능에서 채취하고 배양된 인간 골모세포를 porous NiTi alloy 표면에서 다시 배양시킨 후,

현재 임상에서 널리 사용되는 다른 t i t a n i u m based alloy 및 세포 배양기의 polystyrene 표 면에서의 골 형성 정도와 비교 관찰하였다. 이 실 험으로 porous NiTi alloy 금속의 생체 적합성 과 골절 정복용 금속이나 인공관절 재료로서의 이 용도 및 효율성을 예측하고자 하였다.

연구재료 및 방법 1. 재료

1) 골모세포의 배양 및 준비

평균 연령 2 3세인 건강한 성인 남자의 장골능으 로부터 채취한 해면골을 35 ML 20% FCS-α- FEM 배양액 (M-0644, Sigma Chemical Co.

St. Louis, MO, USA)과 350 unit의 h e p a r i n 이 든 용기에 넣어 실험실로 옮겼다. 이를 조심스 럽게 흔들어 섞은 후 큰 골편은 제거하고, 4℃에 서 1,500 rpm으로 1 0분간 원심분리를 하였다 (Sorvall, T6000B Centrifuge, DuPONT Co.

Newtown, CT, USA). 상층액을 제거하고 남 은 침전물에 20 ml의 배양액을 첨가하여, 여과기 (No 2350, Falcon, Franklin lakes, NJ, U S A )를 이용하여 여과시킨 후 세포 농도를 1×

1 0⁷ c e l l / m l로 희석시켰다. 이를 배양용기 ( N o 430720, Corning, NY, USA)에 10 ml씩 담 아 배양을 시작하였고 배양기(Model 3194, Automatic CO2 Incubator, Harris manu- facturing Co. N.C. USA)는 3 7℃, 5% CO2

환경으로 유지하였다. 다음날부터 격일로 세포 배 양 증진을 위하여 L-ascorbic acid (A-4544, Sigma Chemical Co.) 1,000 µg과 1 0^{- 5}M dexamethasone (M.W. 392.5, D-4902.

Sigma Chemical Co.) 10 µl를 첨가하였다. 광 학현미경으로 세포 배양 정도를 평가한 후, 배양 5일에 배양액을 교환하였고, 이후부터는 격일로 배양액 교환후에 L-ascorbic acid와 d e x a m- e t h a s o n e을 첨가하였다. 두 용기에서 배양 1 5일 에 배양액을 제거한 후 PBS buffer 10 ml로 씻 고 다시 trypsin-EDTA 2 ml를 첨가하여 배양 기에 5분간 두었다. 배양액 7 ml을 가하여 t r y p s i n - E D T A의 활성을 멈추게 한 뒤 배양용기

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내의 모든 내용물을 원추 용기에 모아, 이를 4℃

에서 1,500 rpm으로 5분간 원심분리를 한 후, 상층액을 제거하고 배양액을 첨가한 뒤 7 . 6 6_×1 0⁵ c e l l / m l로 세포 농도를 희석시켰다.

배양 1 5일에, 세포 기질내의 칼슘을 확인하는 Von Kossa 염색과 alkaline phosphatase를 확인하는 조직 화학적 염색법을 시행하여, 골모세 포임을 증명하였다.

2) 시편의 준비

1 9 9 8년이래 본 대학 정형외과학 교실과 B i o - SMART 주식회사가 공동 연구 중인 p o r o u s coated NiTi alloy를 각각 5_×5_×5 mm로 일정 하게 절단하였다. 상업화되어 시판되고 있는 titanium based alloy (TBA)와 세포배양용 polystyrene (TCP) 시편도 같은 크기로 준비하 였다.

각 실험 및 대조 시편들은 표면 관찰을 위하여

정도현 외: 형상 기억 합금인 porous coated nickel-titanium alloy (porous NiTi alloy)에 대한 인간 골모세포의 생체 적합성

Fig. 1. Findings of scanning electron microscope of NiTi alloy surface ( × 1000 ) A: Porous coated surface before experiment

B: after 4 days in culture, covered with osteoblasts gradually and showed reticular form of cellular proliferation partially

C: after 7 days in culture, covered with lamellar proliferation of osteoblasts and also filled with lamellar proliferation in pore site and disappeared reticular form gradually

D: after 10 days in culture, showed proliferation of thick and overlaped cell layers and observed smooth surface relatively

A

C D

B

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주사전자현미경 (S-2250N, microanalyzer, Hitachi, Tokyo, Japan)으로 1 5 0배와 1 0 0 0배 에서 관찰하였다 (Fig. 1A, 2A, 3A).

2. 검체 실험

배양세포는 3군 (n = 27)으로 나누어 각각의 배양용기에 7 . 6 6_×1 0⁵ cell/ml 골모세포를 1 ml 씩 나누어, 실험1군 (NiTi alloy), 실험2군 (Titanium based alloy)및 대조군 ( p o l y-

s t y r e n e )에서 각각 배양하였다. 배양 다음날부터 보다 빠른 세포 분화를 위하여 격일로 L - a s c o r- bic acid 100 µg와 10~5M dexamethasone 1 µl를 첨가하였으며, 배양 4일에 3군 모두에서 1개 시편은 전자현미경으로 관찰하고 2개 시편은 단백 질 정량 및 알칼리성 인산화 효소 활성도를 측정 하는 데에 사용하였다. 전자현미경 관찰은, 배양 액 제거 후 2.5% glutaraldehyde로 2시간 동안 고정하고 g l u t a r a l d e h y d e를 제거 후 5 0 % , 70%, 95% 및 99.9% alcohol로 각각 2 0분간 Fig. 2. Findings of scanning electron microscope of titanium based alloy surface( × 1000 )

A: Rod type porous coated surface before experiment

B: after 4 days in culture, covered with osteoblasts around rod and also showed reticular proliferation C: after 7 days in culture, showed similar appearance to experimental group and covered with lamellar prolif-

eration of osteoblasts in rod and pore site

D: after 10 days in culture, showed proliferation of carpet like pattern

A B

C D

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고정하였다. 단백질 정량 등은, 배양액 제거 후 phosphate buffered saline (1000-3, Sigma Chemical Co.)으로 세척하고 0.02% Triton X - 1 0 0 (57H0650, Sigma Chemical Co.) 1 m l을 가하여 배양세포를 분해시킨 후, 4℃에서 14,000 rpm으로 1 5분간 원심분리하였고 (5417R, Eppendorf Centrifuger, Hamburg, Germany), 상층액은 분리하여 - 2 0℃에 보관하 였다. 배양 7일과 1 0일에도 상기와 같은 방법으 로 전자현미경 관찰과 단백질 정량 등을 위한 개 체를 준비하였다.

3. 표면 관찰, 단백질 정량 및 알칼리성 인산화 효소 활성도 측정

배양 성과를 평가하는 방법으로, 주사전자현미 경 표면 관찰, 세포 단백질량 및 알칼리성 인산화 효소 활성도를 측정하였다.

주사전자현미경 관찰 개체는 a l c o h o l을 제거하 고 상온에서 건조시킨 후 시편과 세포 결합부를 1 5 0배와 1 , 0 0 0배로 관찰하였고^{2 4 )}, 단백질 정량

Fig. 3. Findings of scanning electron microscope of tissue culture polystyrene surface ( × 150 ) A: Smooth surface before experiment

B: after 4 days in culture, showed relatively long spindle shaped and slow proliferation

C: after 7 days in culture, showed reticular proliferation partially but inferior to experimental and control 1 group in quantity

B: after 10 days in culture, no interval changes between 7th and 10th day

A

C

B

D

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개체는 해동시킨 후 검체 100 µl을 B i c i n- choninic acid (B-9643, Sigma Chemical Co.)-4% Copper sulfate (C-2284, Sigma chemical Co.) 2.0 ml와 3 7℃에서 3 0분 동안 반응시켰으며, 이를 상온에서 식힌 후 562 nm에 서 흡광도를 측정 (UV mini1240, UV-visible recording spectrophotometer, Shimadzu C o . )하였다. Bovine serum albumin (P- 0914, Sigma chemical Co.)을 표준 검체 ( s t a n d a r d )로 하여, 각 검체의 흡광도로부터 농 도를 산정하였다. 알칼리성 인산화 효소 활성도 측정에는 1 mM PNP를 표준 검체로 준비하고, 해동시킨 검체 300 µl에 1 M Tris-HCl 500 µl, 5 mM MgCl₂ 100 µl, 5 mM PNPP 100 µl를 첨가한 후, 37℃에서 3 0분간 배양시켰다. 그 후 다시 1N NaOH 250 µl를 첨가한 후, 측정기간 동안 검체와 표준 검체를 얼음 용기에 보관한 상 태에서, 410 nm에서 흡광도를 측정하였다.

4. 통계 분석

검정 방법으로는 각 군의 단백질량의 표본평균 과 표준편차를 사용하여 S t u d e n t’s t-test 방법 중에, 모분산이 서로 같다고 볼 수 없는 경우의 D i x o n과 M a s s e y의 수정에 의한 검정법을 사용 하였으며 각 군간 양의 우위를 유의수준 5 %로 검 정하였다.

결 과 1. 표면 관찰 결과

배양 4일에, 실험1군의 표면은 신생 세포들에 의해 덮혀가면서 부분적으로 망상구조가 얽혀있는 모양을 보였고, 실험2군에서는 시편의 표면에 부 착된 rod 부위에 세포들이 덮혀가면서 그 주위로 망상구조가 얽혀가는 모양을 보였으나, 대조군의 표면은 긴 방추상의 세포 배열을 이루면서 서서히 덮혀가는 양상을 보였다 (Fig. 1B - 3B).

배양 7일에, 실험1군은 망상구조는 점차 소실되 면서 쇠공을 포함한 표층 전체가 층판구조의 세포 들에 의해 대부분 채워졌고, 실험2군에서도 비슷

한 양상으로 층판구조의 세포들이 rod 부위 및 주 위 금속 표면을 덮어가는 모양을 보였다. 반면 대 조군에서는 세포층 위에 긴 방추상의 돌기들이 부 분적인 망상으로 연결되면서 일부에서 층판구조로 덮혀있었으나 양적으로 감소하였다 ( F i g . 1 C - 3 C ) .

배양 1 0일에, 실험1군에서는 두껍고, 겹쳐진 세포층의 증식과 비교적 매끄러운 신생골 표면을 관찰할 수 있었고, 실험2군에서도 융단과 같은 양 상으로 세포층과 신생골이 덮혀있는 것을 볼 수 있었으나, 대조군에서는 7일과 비교해 별다른 변 화를 보이지 않았다(Fig. 1D-3D).

2. 단백질 정량 및 알칼리성 인산화 효소 활성 도 측정 결과

실험1군과 실험2군에서는 시간경과에 따라 두 가지 실험 결과가 모두 의미있게 증가하였는데, 단백질 정량은, 4, 7 및 1 0일에 실험1군에서는 각각 129.6, 384.8 및 444.3 ug/ml로 실험2군 에서의 134.7, 241.5 및 280.5 ug/ml보다 각 시기별로 약간 높은 경향을 보였다(Table 1, Fig. 4).

알칼리성 인산화 효소 활성도 역시 실험1군에서 는 각각 6.3, 24.2 및 123.8 mM로 실험2군에 서의 1.5, 10.2 및 92.3 mM보다 높은 수치를 보였으나 (Table 2, Fig. 5), 실험 조건등의 변 수를 고려할 때 의미있는 차이는 없었다.

반면에 대조군에서는 단백질 정량이 각각 - 3 . 1 , 3.8 및 12.9 ug/ml로 (Table 1, Fig. 4), 그리 고 알칼리성 인산화 효소 활성도는 0.3, 10.3 및 2.7 mM로서 (Table 2, Fig. 5), 실험1군 및 실험2군과 비교해서 현저한 차이를 보였으며, 특 히 알칼리성 인산화 효소 활성도는 오히려 1 0일 이 7일에 비해 낮은 결과를 보였다.

고 찰

1 6세기 이후부터 여러 종류의 금속들이 인체의 결손된 부분을 치료하는데 사용되기 시작하였으 며, 정형외과 영역에서는 1 8 6 2년 G u r l t가 금속 나사나 금속선을 골절에 사용하기 시작하면서부터

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발전하여^{1 2 )}, 근래에는 titanium, tantalum, zirconium 등의 기계적으로나 화학적으로 우수 한 금속들이 인체에 응용되고 있다. 특히 최근 인 공관절 및 인체 삽입용 의료기구의 주재료로서 가 장 보편화된 금속물인 t i t a n i u m은 이들과 함께 많이 사용되는 CoCrMo 및 316L stainless steel 등과 비교하여 생물학적 적합성이 뛰어나고 생체 이식시 부식에 대한 내성이 우수하다. 또한 NiTi alloy는 열에 따른 형상기억과 고탄성 및 높은 진동내성을 갖고 있어 그 임상적 이용이 널 리 예상된다.

인체 삽입용 금속이 갖추어야 할 요건들은 첫 째, 생체내에서 삽입된 금속이나, 금속에서 유리

된 이차적인 물질에 대하여 생체조직이 잘 적응하 고, 국소 또는 전신적으로 이물 작용을 하지 않아 야 하며, 둘째로 삽입물이 생체와 뼈에 작용하는 외부의 높은 응력에 잘 견딜 수 있도록 적절한 기 계적 강도를 지녀야 하며, 셋째로 비교적 염수성 인 인체에서 부식에 견딜 수 있는 부식 내구성을 지녀야 하고, 넷째로 주물이나 기계적 가공이 쉽 고 가격이 저렴해야 한다는 점 등이다9 , 1 3 , 1 9 ). 특히 최근에는 Nitinol (Nickel-Titanium-Naval Ordnance Lab.)로도 알려지고, 열에 따른 형상 기억효과가 있으며, 고탄성과 진동에 대한 높은 내성을 갖는 NiTi alloy4 , 5 , 2 9 )

가 국내에서도 개발 되고 있는데, 1998년부터 본 교실에서는 B i o -

Fig. 4. Protein assessment of cultured human osteoblasts on porous NiTi alloy, titanium based alloy (TBA) and tissue culture polystyrene (TCP) for 4th, 7th and 10th days by absorbance

Table 1. Protein assessment of cultured human osteoblasts on porous NiTi alloy, titanium based alloy (TBA) and tissue culture polystyrene (TCP) for 4th, 7th and 10th days by absorbance Exp. date

Group 4th 7th 10th

NiTi alloy 129.6^*(21.5^＋) 384.8(43.3) 444.3(30.7) TBA 134.7(19.2) 241.5(32.1) 280.5(53.8)

TCP -3.1(2.5) 3.8(1.9) 12.9(6.2)

* : unit = ug/ml, ^＋: SD

Fig. 5. Alkaline phosphatase activity of cultured human osteoblasts on porous NiTi alloy, titanium based alloy (TBA) and tissue culture polystyrene (TCP) for 4th, 7th and 10th days by absorbance

Table 2. Alkaline phosphatase activity of cultured human osteoblasts on porous NiTi alloy, titanium based alloy (TBA) and tissue culture polystyrene (TCP) for 4th, 7th and 10th days by absorbance Exp. date

Group 4th 7th 10th

NiTi alloy 6.3^*(2.1^＋) 24.2(5.7) 123.8(14.7)

TBA 1.5(0.9) 10.2(3.5) 92.3(19.2)

TCP 0.3(0.2) 10.3(2.8) 2.7(0.8)

* : unit = mM, ^＋: SD

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SMART 주식회사와 공동 연구로 개발한 N i T i alloy 금속환을 임상에 사용 중이며, 실험적으로 도 NiTi alloy 표면에서의 골모세포들의 활착정 도와 알칼리성 인산화 효소 활성도 등이 타 금속 (Ti-6Al-4V plate, 2.5 mm thick, Corentec -Samsung, ChangWon)과 세포 배양용기 ( 2 4 well cell culture plate)의 표면에서와 비교하여 비슷한 결과를 확인한 바 있다^{1 6 )}. NiTi alloy의 길이는 열자극 특히 전기자극으로 8 %까지 고신장 력 ( s u p e r e l a s t i c i t y )을 보일 수 있으며^{7 )}, 기존의 인공관절 재료와 같은 금속들에 비해 높은 진동내 성 (damping capacity)과 인체 뼈와 유사한 탄 성계수를 갖고 있는 NiTi alloy는 골-금속간 이 완 ( l o o s e n i n g )을 줄이고 인체 내에서의 금속 수 명을 늘일 수 있는 특성을 갖고 있다. 따라서 fatigue fretting을 유발할 수 있는 일반 금속들 에 비하여 NiTi alloy는 1 9 6 2년 치과 영역의 a r c h^{1 )} 사용을 필두로 혈관외과에서의 s t e n t i n g (SNF), 정형외과 영역에서의 staple, wire, Mitek G2 및 척추 측만증에서의 NiTi distrac- tion rod 등에 널리 이용되고 있다1 1 , 3 4 )

. 본 연구에 서는 NiTi alloy 표면을 porous coating하여 금 속 표면을 확산시킴은 물론 신생골과의 접촉면을 넓혀 조기 골-금속간 고정 (bone-metal fixa- t i o n )을 유도시킴으로써 새로운 금속판이나 인공 관절의 재료로서의 가능성을 알아보고자 하였다.

NiTi alloy의 독특한 성질이 처음 발견^{3 )}된 이 래 많은 관심과 연구가 이루어졌으며3 2 , 3 3 )

, 이미 여 러 성공적인 임상 실험 결과들이 보고되고 있으나

6 , 1 8 ), 실험실적 연구에 의한 NiTi alloy의 생체 적

합성에 대한 기초자료는 매우 드물다. 현재 N i T i a l l o y는 F D A의 class III로 공인되어 있으며, NiTi alloy의 합성금속으로는 V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo 과 W 등이 소량씩 함유되어 있으며 인체 무해함이 밝혀져 있다.

처음으로 금속의 세포독성에 대한 실험실적 연

구^{2 6 )}가 이루어진 이래로, Putters 등은, NiTi

alloy, nickel 및 t i t a n i u m에서의 인간 섬유모 세포 배양 실험에서 n i c k e l에서만 유의한 정도의 세포 분열 억제가 일어났으며, NiTi alloy와 t i t a n i u m에서는 별다른 영향이 없었다고 보고하

였다^{2 8 )}. 고농도의 n i c k e l이 세포배양과 조직에 대

해 미세한 독성 효과를 가지고 있다는 것은 이미 알려진 사실이며^{1 0 )}, nickel 이온은 알러지성 접촉 성 피부염의 주요 원인이다^{2 7 )}. 즉 n i c k e l은 성장 을 저해시키거나, 철 흡수를 저하시켜 빈혈을 유 발할 수 있고, 특히 미국과 유럽 여성들의 7 ~ 1 5 %가 nickel allergy를 갖고 있는 것으로 보고되어 있고, NiTi alloy는 인체 삽입 후 n i c k e l이온이 1 ug/cm²/week 정도로 유리됨이 patch test의 강도로 확인된 바 있으나, 동물 실 험에서 n i c k e l의 주입 후 4 8시간 내에 대부분 소 변으로 배설됨이 밝혀져 안정성이 입증되어 있다

2 2 , 2 3 ). 반면에 NiTi alloy의 다른 주 요소의 하나

인 t i t a n i u m은 다른 조직에 대해서도 잘 견디며 골조직과도 단단한 결합을 형성한다고 알려져 있 다2 1 , 3 0 )

.

N i c k e l과 t i t a n i u m을 주 성분으로 하는 N i T i a l l o y는 그 성분 배합의 비를 달리하면 형상기억, 고탄성 및 높은 진동 내성 등의 금속으로써의 장 점을 갖게 되기 때문에, nickel의 세포 독성 작용 들에도 불구하고 n i c k e l을 한 성분으로 하는 합금 인 NiTi alloy를 생체에 적용시키기 위하여 많은 노력들이 계속되어 왔다.

합금의 일부 금속성분들은 부식에 의해 유리되 어 세포독성을 보일 수 있고, 특히 T i t a n i u m은 인체의 정상 조직내에 0.2 ppm정도 존재하며, Molybdenum (Mo), Copper (Cu) 및 Nidoium (Nb) 등의 금속과 함께 부식방지 효과 가 뛰어나며^{1 1 )}, Mo은 매일 0.1 mg씩의 정상 섭 취가 필요하며 인체 효소기능 ( e n z y m a t i c a c t i v i t i e s )에 관여하고 과잉 섭취시 통풍 증세를 유발할 수 있다^{1 4 )}. 그 외 C u는 t y r o s i n a s e와 cytochrome oxidase와 같은 효소기능을 하며 부족시 M e n k e’s disease를 유발한다. 이러한 합 금의 부식 내구성 (corrosion resistance)과 합 금내의 개개 금속의 독성, 금속 표면의 물리적 특 성 과 금 속 으 로 부 터 유 리 된 미 세 파 편 들 ( m i c r o p a r t i c l e s )이 생체 적합성을 결정짓는 주 요 요소가 된다1 7 , 2 0 )

. 부식 내구성은 금속 표면의 불활성 ( p a s s i v a t i o n )에 기인하는데, 표면의 금 속 원소가 산소와 반응하여 안정되고 무반응성인 산화물의 표면층을 형성하게 되고 이것이 금속을 보호하게 된다^{2 )}. Titanium은 안정된 산화물을

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형성하는 반면에, nickel은 표면으로 부터 t i t a- n i u m보다 쉽게 유리되며, 그 산화물도 안정성이

적다^{2 5 )}. 그러나 1 9 9 7년 Ryhanen 등^{2 9 )}은 실험에

서, 골모세포들이 NiTi alloy에서 101%, tita- n i u m에서 100%, stainless steel에서 1 0 5 %의 성장을 보였고, 초기 NiTi alloy로부터 유리된 n i c k e l농도가 129~87 ug/L로 stainless steel 에서의 n i c k e l농도 7 ug/L보다 현저히 많았으 나, 2일 후에는 그 농도가 거의 비슷한 수준 ( 2 3 - 5 ug/L versus 11-1 ug/L)으로 감소하여, 결국 초기의 높은 n i c k e l유리에도 불구하고, NiTi a l l o y에서 세포독성이나, 세포 성장 감소 및 성장 억제등이 나타나지 않는다고 하였다.

본 실험에서도 단백질 정량 결과, 4, 7 및 1 0일 에 NiTi alloy에서는 각각 129.6, 384.8 및 444.3 ug/ml, titanium에서는 134.8, 241.5 및 280.5 ug/ml로서 배양 용기 p o l y s t y r e n e에 서의 -3.1, 3.8 및 12.9 ug/ml와 비교할 때, NiTi alloy와 titanium 표면에서의 인간 골모세 포배양 결과가 모두 좋았으며, 유의한 차이를 양 군간 발견할 수 없었던 점에서 Ryhanen 등^{2 9 )}의 결과와 유사하였다.

Ryhanen 등^{2 9 )}은 또한 금속 표면을 어떻게 처 리하는냐에 따라서 합금의 부식성 및 세포 성장에 영향을 미칠수 있다고 하였는데, 기계적 광택 (mechanical polishing)보다 전기 화학적 광택 이 초기 nickel 유리를 최소화할 수 있으며, NiTi alloy에 titanium 질소 화합물 표면 처리 ( c o a t i n g )를 함으로써, 부식 내구성을 향상시킬 수 있고^{8 )}, 이것이 결국 생체 적합성 향상으로 이 어지게 된다. 본 실험에서는 NiTi alloy 표면을 작은 쇠공 처리 (porous coating)하였고, tita- n i u m은 매우 작은 막대형태의 표면처리 ( r o d type porous coating)를 한 시편들을 사용하였 는데, 이 때문에 평탄한 표면의 p o l y s t y r e n e에서 보다 현저히 많은 골모세포 성장이 이루어진 것으 로 여겨진다(Fig. 1-3).

Castleman 등5 )은 개의 대퇴골에 NiTi alloy 금속판과 나사를 삽입후, 3, 6, 12 및 1 7개월에 각각 금속판과 나사를 제거하여, 임상적, 방사선 학적 및 형태학적 관찰과 부검에 의한 조직학적 분석결과, 대조군인 Co-Cr 합금과 비교하여 별다

른 차이 없이 골모세포의 성장이 잘 이루어졌다고 보고한 바 있으며, 본 대학 정형외과에서는 이미 1 9 9 8년 이래 NiTi alloy 금속환을 인체 골절의 치료에 사용하고 있다.

결 론

Porous NiTi alloy의 생체 적합성을 증명하고 이를 인체에 적용할 근거를 마련하기 위하여, porous NiTi alloy 표면에 인간 골모세포를 배 양시킨 후, 이를 현재 인공 삽입물로 많이 사용 중인 titanium based alloy및 세포 배양용기인 p o l y s t y r e n e에서의 결과와 비교 관찰하였다.

실험은 주사 전자 현미경 표면 관찰과, 흡광도 측정을 통한 단백질 정량 및 알칼리성 인산화 효 소 활성도 측정을 하였다. 그 결과, porous NiTi alloy와 t i t a n i u m에서 p o l y s t y r e n e에서 보다 현저한 골모세포의 성장을 확인할 수 있었으 며, 두 금속 간 유의한 차이는 발견할 수 없었다.

이상에서, porous NiTi alloy의 생체 적합성 이 기존의 다른 합금들에 비해 우수하거나 최소한 떨어지지 않는 만족할만한 결과를 보여, 형상기 억, 고탄성 및 높은 진동 내성 등의 금속으로서의 장점과 함께 press-fit implant의 측면에서 임상 사용이 매우 효과적일 것으로 판단된다.

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