인공뼈

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1. 개요

인공뼈는 뼈의 기능을 대신하기 위해 생체 내에 삽입되는 재료로, 생체 적합성, 생분해성, 기계적 강도, 구조적 특성 등을 충족해야 한다. 인공뼈 소재는 금속, 세라믹, 고분자, 복합 재료로 나뉘며, 타이타늄 합금, 마그네슘 합금, PLGA, 하이드록시아파타이트, 키토산 복합체 등이 사용된다. 3D 프린팅 기술을 활용하여 환자 맞춤형 인공뼈를 제작하는 연구가 진행 중이며, 표면 특성, 생체 반응, 임상 적용 시 고려 사항 등 다양한 과제가 남아있다.

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인공뼈

2. 인공뼈 소재의 조건

인공뼈는 생체 내에 삽입되어 뼈의 기능을 대신해야 하므로, 다음과 같은 조건들을 충족해야 한다.

생체 적합성: 면역 반응을 일으키지 않고, 주변 조직과 잘 결합해야 한다.
생분해성 (필요시): 오랜 시간이 지나도 잘 분해되지 않아야 하며, 세포에 의해 생분해되더라도 그 산물이 독성을 갖지 않아야 한다.
기계적 특성: 기존 뼈와 유사한 강도와 탄성을 가져야 하며, 너무 크거나 작으면 뼈 재생을 방해하고 괴사를 유발할 수 있다.
구조적 특성: 혈관 및 조직 성장을 방해하지 않도록 3차원 다공성 구조를 가져야 한다.

인공뼈 소재로는 생체 적합성, 골전도성, 기계적 강도가 높은 재료가 적합하다.^[2] 하이드록시아파타이트는 생체 적합성과 골전도성이 우수하지만, 부서지기 쉽고 용해율이 낮아 개선이 필요하다.^[10] 높은 인장 강도와 탄성 계수를 가진 나노 구조 인공 진주층도 사용될 수 있다.^[11] 키토산과 하이드록시아파타이트 복합재는 생체 적합성, 다공성, 골전도성을 모두 갖춘 소재로 활용된다.^[2]

2. 1. 생체 적합성

인공뼈 소재는 면역반응을 일으키지 않아야 하며, 기존의 조직들과 잘 결합할 수 있어야 한다. 오랜 시간이 지나도 잘 분해되지 않아야 하며, 세포에 의해 생분해 되더라도 그 산물이 독성을 갖지 않아야 한다.^[2]

인공뼈에 사용하기에 적합한 재료는 생체 적합성, 골전도성 및 기계적 강도가 높아야 한다.^[2] 하이드록시아파타이트는 생체 적합성과 골전도성을 가지고 있어 인공뼈 연구에 자주 사용되지만, 매우 부서지기 쉽고 연간 약 10%의 용해율을 보여 새로 형성된 뼈의 성장 속도보다 훨씬 느리기 때문에 용해율을 향상시키기 위한 조치가 필요하다.^[10]

많은 경우, 한 가지 유형의 재료를 사용하면 인공뼈 이식의 기능이 제한되므로 복합재가 활용된다. 키토산과 하이드록시아파타이트로 구성된 이식재는 키토산의 생체 적합성과 복잡한 다공성 형태로 성형될 수 있는 능력, 그리고 하이드록시아파타이트의 골전도성을 활용하여 이 세 가지 특성을 모두 갖춘 복합재를 만든다.^[2]

2. 2. 생분해성 (필요시)

인공뼈 소재는 오랜 시간이 지나도 잘 분해되지 않아야 하며, 세포에 의해 생분해되더라도 그 산물이 독성을 갖지 않아야 한다.^[1]

2. 3. 기계적 특성

인공뼈는 기존의 뼈와 유사한 강도와 탄성을 가져야 한다. 너무 크거나 작은 강성과 탄성은 뼈의 재생을 방해하고 괴사를 유발할 수 있다.^[2] 인성이 더 우수한 재료가 필요한 경우, 높은 인장 강도와 탄성 계수를 가진 나노 구조 인공 진주층을 사용할 수 있다.^[11]

2. 4. 구조적 특성

인공뼈는 혈관 및 조직의 성장을 방해하지 않도록 3차원 다공성 구조를 가져야 한다.^[1]

3. 인공뼈 소재의 종류

인공뼈 소재는 크게 금속, 세라믹, 고분자, 그리고 이들을 혼합한 복합재료로 나눌 수 있다.

금속 재료: 강철, 코발트 크롬 합금, 타이타늄 합금 등이 사용되며, 강도가 높지만 무겁고 부식될 수 있다. 타이타늄 합금은 생체 적합성이 우수하고, 마그네슘 합금은 생분해성, 생체 흡수성 등이 뛰어나지만 생분해 속도가 빠르다는 단점이 있다.
고분자 재료: PLGA, PGA, PLA 등이 있으며, 제작이 쉽고 생체 친화성이 높으며 가볍고 유연하지만 강도가 낮다.
세라믹 재료: 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 인산 칼슘 혼합물 등이 사용되며, 생체 적합성과 세포 적합성이 우수하고 내마모성과 압축 강도가 높지만, 제작이 어렵고 충격에 약하다. 하이드록시아파타이트는 생체 적합성과 골전도성을 가지지만 부서지기 쉽고 용해율이 낮다.
복합 재료: 고분자와 세라믹 재료를 혼합하여 각 재료의 단점을 보완하고 뼈 재생, 물리적, 기계적, 생물학적 특성을 향상시킨 소재이다. 예를 들어 키틴, 키토산, 알긴산 등의 유기 다당류와 하이드록시아파타이트 등의 무기물을 혼합하여 복합체를 만들거나, 키토산과 탄소 나노튜브를 혼합하여 인성을 향상시킨 복합재를 만들기도 한다.

과거에는 티타늄, 텅스텐 등의 금속, 세라믹, 산호 소재 등 인체와의 친화성이 높은 소재가 사용되었지만, 부위에 따라 경년 열화나 사용자의 고령화로 인한 불량이 발생하여 정기적인 유지 보수가 필요했다. 1990년대부터는 아파타이트 등 인공뼈가 생체 내에서 뼈와 치환되는 것을 목표로 하는 소재 개발도 진행되고 있다.

일본에서는 수산 아파타이트, β형 인산삼칼슘, α형 인산삼칼슘 등이 주로 사용되며, 콜라겐과 아파타이트 복합체, 탄산칼슘, 황산칼슘 등도 인공뼈로 이용된다.

잉크젯 프린터 기술을 응용한 3차원 입체 성형 수법도 시도되고 있으며, 2015년경 이후 3D 프린터에 의한 인공뼈가 개발되었다. 2019년에는 남아프리카 공화국의 프레토리아 대학교가 3D 프린터로 이소골을 제작하여 이식하는 데 성공했다.^[19]

3. 1. 금속 재료

현재 사용되는 금속류 대체제로는 강철(스테인리스 스틸), 코발트 크롬 합금(Co-Cr 합금), 타이타늄 합금(Ti 합금) 등이 있다. 금속류 대체제는 다른 종류의 대체제에 비해 높은 강도를 가지지만, 무겁고 부식될 수 있다는 단점이 있다.^[1]

3. 1. 1. 타이타늄 합금

타이타늄 합금은 생체 적합성이 우수하여 인공뼈 소재로 많이 사용된다. 타이타늄은 신체 내에서 면역 반응을 일으키지 않고, 표면의 산화 타이타늄 산화막이 금속의 부식을 막아주며 용출을 차단한다.^[1] 또한 뼈 탄성률에 상대적으로 가까운 값을 갖는다.^[1]

3. 1. 2. 마그네슘 합금

최근에는 마그네슘 합금(Mg 합금)의 생분해성, 생체 흡수성, 강성 등이 매우 적합하다고 여겨지고 있다. 다만 생분해 속도가 너무 빠르다는 단점이 있어 이를 개선하는 연구가 진행 중이다.^[1]

3. 2. 고분자 재료

고분자 대체제는 인공뼈로 제작하기 쉽고, 생체 친화성이 높으며, 가볍고 유연하다는 장점이 있다. 그러나 강도가 낮다는 단점이 있다. 이러한 고분자 물질의 예로는 PLGA(Polylactide-co-Glycolide), PGA, PLA 등이 있으며, 이들은 체내에서 물과 이산화탄소 등 독성이 없는 천연 대사물로 분해되어 매우 안전하다.

3. 3. 세라믹 재료

세라믹 재료는 생체 적합성과 세포 적합성이 우수하고, 내마모성과 압축 강도가 높다. 그러나 제작이 어렵고 충격에 약해 깨지기 쉽다는 단점이 있다. 세라믹 소재 인공뼈로는 주로 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 인산 칼슘 혼합물과 그 부산물이 사용된다.

3. 3. 1. 하이드록시아파타이트 (HA)

하이드록시아파타이트(HA)는 생체 적합성과 골전도성을 가지고 있어 인공뼈 연구에 자주 사용된다. 하지만 매우 부서지기 쉽고,^[2] 용해율이 연간 약 10%로 낮아 새로 형성된 뼈의 성장 속도보다 훨씬 느리기 때문에, 용해율을 향상시키기 위한 조치가 필요하다.^[10] 하이드록시아파타이트를 복합재로 구현하면 인성과 골전도성을 모두 상당히 향상시킬 수 있어, 인공뼈 재료로 활용할 수 있다.^[2]

3. 4. 복합 재료

고분자 대체제와 세라믹 대체제를 적절하게 혼합하여 뼈 재생, 물리적, 기계적, 생물학적 특성이 인공뼈에 알맞도록 개발한 소재이다. 세라믹의 충격에 약해 깨지기 쉬운 단점을 고분자 물질을 이용해 보완하였다.^[2]

골 이식 재료 유형에 대한 연구는 전통적으로 유기 다당류(키틴, 키토산, 알긴산)와 무기물(하이드록시아파타이트)의 복합체를 생산하는 데 중점을 두었다. 알긴산 스캐폴드는 가교된 칼슘 이온으로 구성되어 있으며, 피부, 간 및 뼈의 재생에 적극적으로 탐구되고 있다.^[9]

인공뼈에 사용하기에 적합한 재료는 생체 적합성, 골전도성 및 기계적 강도가 높아야 한다.^[2] 하이드록시아파타이트는 효과적이고 오래 지속되는 골 이식에 필요한 생체 적합성과 골전도성을 가지고 있어 인공뼈 연구에 자주 사용되지만, 매우 부서지기 쉽다.^[2]

키토산과 하이드록시아파타이트로 구성된 이식재는 키토산의 생체 적합성과 복잡한 다공성 형태로 성형될 수 있는 능력, 그리고 하이드록시아파타이트의 골전도성을 활용한다.^[2]

효과적인 뼈 대체 재료는 적절한 생체 활성과 함께 우수한 기계적 강도를 나타내야 한다. 하이드록시아파타이트 시스템의 대안으로, 키토산 복합체는 인공뼈에 사용될 재료 중 하나로 철저히 연구되었다.^[2] 키토산 자체는 다공성 구조를 포함한 복잡한 형태로 쉽게 변형될 수 있어 세포 성장과 골전도에 적합하다.^[2] 또한, 키토산 스캐폴드는 생체 적합성과 생분해성을 갖지만, 인성이 낮고, 재료 자체는 골전도성이 없다.^[2] 반면, 하이드록시아파타이트는 뛰어난 생체 적합성을 특징으로 하지만, 부서지기 쉬운 특성으로 인해 제약을 받는다.^[14] 하이드록시아파타이트를 복합재로 구현하면 인성과 골전도성이 모두 상당히 향상된다.^[2]

키토산은 탄소 나노튜브와 함께 사용할 수 있다.^[2] 탄소 나노튜브는 크기가 매우 작고, 화학적 및 구조적으로 안정적이며, 생체 활성이 있다.^[2] 탄소 나노튜브와 키토산으로 형성된 복합재는 키토산의 인성을 크게 향상시킨다.^[2]

4. 3D 프린팅 인공뼈

3D 프린팅은 인공 뼈를 제작하는 효율적인 방법으로 주목받고 있다. 환자에게서 얻은 CT 스캔 이미지를 재구성하여 뼈 모델을 생성하고, 인공 뼈 재료를 3D 프린팅용 "필라멘트"로 사용한다. 3D 뼈 모델은 해상도에 따라 여러 층으로 나뉘며, 프린터는 한 층씩 인쇄하여 최종적으로 인공 뼈를 만들어낸다. 최근 연구에 따르면 하이드록시아파타이트(HA) 나노결정이 3D 프린팅 인공 뼈에 이상적인 재료로 알려져 있다. HA 나노결정은 인산이암모늄과 염화 칼슘을 사용하여 습식 합성을 통해 만들어진다.^[12] 또한, 일부 연구에서는 폴리카프로락톤(PCL)을 3D 프린팅을 이용한 인공 뼈 제작에 사용하기도 한다.

과거에는 티타늄, 텅스텐 등의 금속, 세라믹, 산호 등 인체 친화적인 소재가 사용되었지만, 시간이 지나면서 문제가 발생하여 정기적인 관리가 필요했다. 1990년대부터는 아파타이트처럼 시간이 지나면서 생체 내에서 뼈와 치환되는 것을 목표로 하는 소재 개발이 진행되고 있다.

인공뼈는 소재를 깎아내거나 채우는 방식으로 만들어졌지만, 잉크젯 프린터 기술을 응용한 3차원 입체 성형 방법도 시도되고 있다. 일본에서는 비치환 재료(HAP: 수산 아파타이트), 흡수 치환형 재료(β-TCP: β형 인산삼칼슘), 경화형 재료(α-TCP: α형 인산삼칼슘)가 주로 사용된다. 이 외에도 콜라겐과 아파타이트 복합체, 임상시험 단계에 있는 다른 인산칼슘을 사용한 재료, 탄산칼슘이나 황산칼슘 등도 인공뼈로 이용되고 있다.

2015년경부터 3D 프린터를 이용한 인공뼈가 개발되었다. 2019년에는 남아프리카 공화국의 프레토리아 대학교가 3D 프린터로 인체에서 가장 작은 이소골을 만들어 이식하는 데 성공했다.^[19]

4. 1. 장점

3D 프린팅 기술은 환자 개개인의 필요에 맞는 맞춤형 임플란트를 만들 수 있다는 장점이 있다. 또한, 3D 프린팅으로 만든 임플란트는 환자에게 부작용이 거의 없다. 림프구나 적혈구와 같은 다양한 숙주 세포들은 인공 이식편에 대해 면역 반응을 거의 보이지 않는다.^[13]

4. 2. 한계

3D 프린팅 기술은 여러 장점을 가지지만 몇 가지 한계점 또한 존재한다.

프린팅 속도는 인공 뼈 생산에 있어 주요한 제약 요소이다. 뼈 이식편의 종류에 따라 프린팅 시간은 1시간에서 수 시간까지 소요될 수 있다.^[2] 프린터가 더 높은 해상도의 이식편을 생산할수록 프린팅 시간은 비례하여 증가한다.

또한, 프린팅 과정에서 발생하는 결함은 인공 뼈의 압축 강도를 감소시킬 수 있다. 한 연구에서는 염소 대퇴골 복제품을 3D 프린터로 제작했을 때, 불완전한 프린팅과 해면골 비율 증가로 인해 대퇴골의 압축 강도가 약간 감소하는 현상이 나타났다.^[2]

5. 인공뼈 개발의 과제

인공뼈 개발에는 여러 과제가 남아있다. 인공 이식편은 압축 강도는 비슷하지만, 측면 또는 마찰력에 대한 반응이 실제 뼈와 같지 않을 수 있다.^[16] 융착 증착 방식으로 만들어진 인공 뼈는 실제 뼈보다 마찰 계수가 낮게 나타났다.^[2] 또한 프린터의 해상도나 결함으로 인해 압축 강도가 낮아질 수 있다.^[2]

인공 뼈 재료에 대한 생체 반응은 화학적 조성, 지형, 다공성, 입자 크기 등 다양한 요인에 따라 달라진다.^[2] 금속 재료는 부식 및 감염의 위험이 있고, 세라믹 재료는 뼈가 재흡수하거나 대체하기 어렵다.^[2] 하이드록시아파타이트는 골형성 세포의 부착, 분화, 증식을 돕는 데 탁월하지만, 높은 결정성 때문에 재흡수되기 어렵고 고온 처리로 인해 안정적인 상태를 유지하기 어렵다는 문제가 있다.^[2]

5. 1. 표면 특성

인공 이식편은 비슷한 압축 강도를 가지지만, 측면 또는 마찰력에 대한 반응은 인체 뼈와 같지 않은 경우가 있다.^[16] 특히 인공 뼈의 지형은 자연 뼈보다 정확하지 않다. Grant 등의 연구에 따르면, 융착 증착 방식으로 만들어진 인공 뼈 이식편은 실제 뼈보다 평균 20% 낮은 마찰 계수를 보였다.^[2] CT 스캔 및 뼈 모델은 내부 구성을 위해 실제 뼈를 매우 잘 나타내지만, 최종 제품은 프린터의 해상도에 따라 달라진다. 프린터에 결함이 생기면 의도하지 않은 빈 공간으로 인해 압축 강도가 낮아질 수 있다.^[2] 이식 후, 환자가 나이가 들면서 세포 증식 및 분화가 감소한다. 이는 이식편의 통합을 늦추고 뼈 조직 형성을 방해한다. 동물 모델에서 동종 이식편을 삽입하면 기형종이 생길 수 있다. 이 사건의 확률이 유의미하게 증가하는지는 아직 확인되지 않았다.^[2]

5. 2. 생체 반응

인공 뼈 재료에 대한 연구에 따르면 생체 활성 및 흡수성 규산염 유리(생체 유리), 유리 세라믹, 인산 칼슘은 인간의 뼈와 유사한 기계적 특성을 나타낸다.^[18] 그러나 이러한 기계적 특성이 생체 적합성을 보장하는 것은 아니다. 인공 뼈 재료에 대한 신체의 생물학적 반응은 화학적 조성, 지형, 다공성, 입자 크기 등 다양한 요인에 따라 달라진다.^[2] 금속 재료는 부식 및 감염의 위험이 있고, 세라믹 재료는 원하는 모양으로 만들기 어려우며, 높은 결정성 때문에 뼈가 재흡수하거나 대체하기 어렵다.^[2] 반면 하이드록시아파타이트는 열역학적으로 안정하고 생체 활성이 있어 골형성 세포의 부착, 분화, 증식을 돕는 데 탁월하다.^[2] 하이드록시아파타이트를 사용한 인공 뼈는 콜라겐 조직과 결합하여 기공 내에 새로운 뼈를 형성하고, 인접한 뼈 조직과 균일성을 유지하며 생물학적 조직에 대한 강한 친화력을 보인다.^[2] 그러나 하이드록시아파타이트는 높은 결정성 때문에 재흡수 측면에서 세라믹과 같은 문제를 갖는다. 또한 고온에서 처리되므로 안정적인 상태를 유지하기 어렵다.^[2]

6. 임상 적용 시 고려 사항

환자에게 맞지 않는 인공뼈 이식은 이식 부위에 발적 및 부기를 유발할 수 있다.^[2] 소결 과정에서 이식물의 크기가 최대 27%까지 수축될 수 있어 맞지 않는 이식물이 생길 수 있다.^[15] 골전도성은 인공뼈 설계의 또 다른 중요한 고려 사항이다. 소결된 재료는 특정 인공뼈에서 결정성을 증가시키는데, 이는 파골세포에 의한 흡수를 저해하고 생분해성을 손상시킨다.^[2] 한 연구에서는 소결을 사용하지 않고 하이드록시아파타이트로 전환되어 이식물을 굳히는 α-삼인산칼슘(TCP)을 활용한 잉크젯 인쇄 방식의 맞춤형 인공뼈를 제작하여 이를 피했다.^[2] α-TCP는 생체 적합하며 새로운 뼈 형성을 돕기 때문에 장기적으로 환자에게 더 좋다.^[2] 인공뼈는 자가 이식 및 동종 이식 뼈 이식물에 비해 실행 가능한 대안이 되기 위해 생체 적합해야 하고, 골전도성을 가져야 하며, 환자 내에서 오랫동안 지속되어야 한다.

7. 일본의 인공뼈

일본에서 판매되는 인공뼈는 주로 비치환 재료(HAP: 수산 아파타이트), 흡수 치환형 재료(β-TCP: β형 인산삼칼슘), 경화형 재료(α-TCP: α형 인산삼칼슘)가 사용된다. 이 외에도 콜라겐과 아파타이트의 복합체로 이루어져 유연성을 가진 재료나, 임상시험 단계에 있는 다른 인산칼슘을 사용한 재료도 있다. 탄산칼슘이나 황산칼슘 등도 일본 국외에서는 인공뼈로 이용되고 있다.

2015년경 이후 3D 프린터를 이용한 인공뼈 개발이 이루어졌다. 2019년에는 남아프리카 공화국 프레토리아 대학교에서 3D 프린터로 인체 내에서 가장 작은 이소골을 만들어 남성에게 이식하는 데 성공했다^[19]。

참조

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_[3] 논문 Saijo, H., Fujihara Y., Kanno Y., Hoshi K., Hikita A., Chung U., Takato T. (2016). Clinical Experience of full custom-made artificial bones for the maxillofacial region.
_[4] 웹사이트 Creating Artificial Bones for Faster Bone Regeneration. https://www.titech.a[...] Tokyo Institute of Technology 2018-04-20
_[5] 논문 Venkatesan, J., & Kim, S.-K. (2010). Chitosan Composites for Bone Tissue Engineering—An Overview.
_[6] 논문 Ferreira, A. M., Gentile, P., Chiono, V., & Ciardelli, G. (2012). Collagen for bone tissue regeneration.
_[7] 논문 Shivaji Kashte, Amit Kumar Jaiswal, Sachin Kadam. (2017). Artificial Bone via Bone Tissue Engineering: Current Scenario and Challenges.
_[8] 웹사이트 NAMCS: Factsheet-ORTHOPEDIC SURGERY. https://www.cdc.gov/[...] Centers for disease control and prevention 2018-04-20
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_[16] 논문 Grant, J., Bishop, N., Götzen, N., Sprecher, C., Honl, M., & Morlock, M. (2007). Artificial composite bone as a model of human trabecular bone: The implant-bone interface.
_[17] 논문 Xu, N., Ye, X., Wei, D., Zhong, J., Chen, Y., Xu, G., & He, D. (2014). 3D Artificial Bones for Bone Repair Prepared by Computed Tomography-Guided Fused Deposition Modeling for Bone Repair.
_[18] 논문 Hoppe, A., Güldal, N. S., & Boccaccini, A. R. (2011).A review of the biological response to ionic dissolution products from bioactive glasses and glass-ceramics.
_[19] 웹사이트 人体最小の中耳の骨を3Dプリンターで作製、世界初の移植成功南ア https://www.afpbb.co[...] 株式会社クリエイティヴ・リンク（配信元：[[프랑스통신사]]） 2019-03-16

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