Bearing Surface of Total Hip Arthroplasty

Overview

고려대학교 손원용

1. 서론

1950-60년대 초창기 인공고관절의 관절면은 MacKee-Farra가 metal-on-metal, 찰리경이 metal-on-polymer로 시작하였으며, 촬리경의 22mm직경의 Low-friction arthroplasty의 개념의 폴리에틸렌-금속 관절면이 관절면의 마찰계수, impingement에서 우수하여 지난 반세기동안 널리 사용되었다. 찰리경이 초기에 사용한 polytetrafluoroethylene은 5-6년 사이에 심한 마모로 곧 ulitra-high molecular weight polyethylene(UHMWPE) 로 바꾸며 실험실상의 마모율이 0.07-0.2mm/y으로, 약 25년간 5mm 마모를 예상되었고, metal-on -poly 관절이 50대 이후의 환자에게 인공 고관절 치환술의 gold standard로 여겨졌었다. 그러나 최근에 젊은 환자들에게 특히 무심멘트 인공고관절치환술의 시행이 증가하면서 폴리에틸렌의 마모에 의해 발생한 골용해가 인공고관절의 실패의 주요한 원인으로 밝혀지고, 새로운 관절면에 대한 연구들이 진행되어, 마모에 대해서 개선된 새로운 관절들이 현재 임상에서 시도되고 있다. 그러나 대부분의 새로운 관절면의 임상경험들이 아직 단기 추시 결과들이고, 일부 새로운 관절면은 비교적 장기 추시 결과이라고 하더라도 아직 부분적 결과로 전반적인 인정을 받고 있는 상태가 아니다. 인체의 고관절의 관절기능으로 작용 시에 고려해야 할 기초적 사항 및 최근에 밝혀지고 있는 고관절 동역학과 현재 시도되고 있는 각각의 새로운 관절들을 간단히 review하고자 한다.

2. 기초학(Basic Science)

인체내 인공 고관절기능에서 고려해야 되는 기초적 사항은 첫째, Tribology(마찰공학)돠 관절면의 마모 기전과 인공 고관절 동역학일 것이다.

1) 관절의 마찰공학 (Tribiolgy)

인공 관절의 마모에 가장 큰 역할을 하는 것은 관절면에서의 Coefficient of Friction (마찰 게수)이며, 이는 lubrication에 의해서 주로 영향을 받게 되는데 관절의 lubrication 은 크게 1) fluid-film lubrication : 두 관절면이 압력이 가해진 fluid로 서로 떨어진 상태로 작용하 는 관절로 마찰계수는 0.001-0.02이며, 2) boundary lubrication : 두 개의 관절면이 불규칙한 표면으로 고체면에 달라 붙는 단분자 내지, 수분자 정도의 두께(10-6 mm)의 액체 기체 분자층에 의해 완전히 분리되어 있지 않고, 부분적으로 두 관절면이 직접 접촉되어 있는 관절 상태로 마찰계수는 0.07-0.15 이다, 그 외 fluid-film lubrication과 boundary lubrication의 혼합형태의 3) Mixed (마찰계수: 0.01-0.1)와 4)dry(마찰계수: 0.1-2) 로 나누어진다.

인체의 관절의 마찰은 연골이 힘을 받으면 연골 표면의 미세포말 형태로 세포액이 배출 이나 이동으로 연골 기질의 변형이 발생하므로 힘을 흡수하는 Plowing friction이며, 인체 활막 관절은 glycoproteins과 phospholipids의 농도에 따른 viscosity, hyaluronic acid등에 따라 mixed, boundary lubrication들에 의해 작용하는 active multi-mode lubrication이라고 할 수 있으며, 인체 고관절의 마찰계수는 0.04-0.01정 도이다. 폴리에틸렌-금속 관절면도 boundary lubrication과 mixed-film lubrication이 혼합된 관절로 마찰계수는 0.02-0.06이며, metal-on-metal 관절은 0.17, ceramic-on-

ceramic 관절은 0.001-0.06 정도로 보고되어 있다. Hard bearing에서는 sequaking, clicking, seizing등의 발생이 보고 되어있고 이는 dry type의 lubrication이 원인이 아닌가 생각된다.

2)고관절 동역학( Hip kinematics )

a. Impingement ;

* 현재까지의 인공고관절의 디자인에서는 22mm, 28mm, 32mm에서는 관절운동의 허용범위는 104° 에서 127°까지이나 일상생활에서는 그 이상의 고관절 운동범위가 필요하기 때문에 인공 고관절 치환술 후에 인공고관절 부품사이에 충돌(impingement)현상이 발생 할 수 있다, 최근에 인공고관절 치환술 후에 제거한 비구컵에서 약 39%-56%에서 impingement의 증거가 관찰되었다는 보고가 있었다. 실패한 고관절치환술에서의 결과이지마는 예상보다는 인공고관절 치환술 후 충돌현상이 발생한다는 것을 알 수 있으며, 향후 인공고관절 치환술후 동역학에 대한 연구가 필요한 상태이다.

b. micro-separation :

보행시 평균 1.2mm(0.8mm-2.8mm)의 관절면 분리가, 내전 및 외전시 평균1.7mm(1.7 - 3.0mm)의 관절면 분리가 발생한다는 보고가 최근에 발표되어 있어 이에 대한 향후 연구도 필요하다..

1) 기존의 폴리에틸렌-금속관절

기존의 폴리에틸렌-금속 관절은 반세기 동안 10년 90%이상의 성공률을 보여주고 장기간 인체에 독성 등의 부작용의 발생이 보고되지 않은 안전성이 확증된 인공관절면이다.

그러나 폴리에틸렌의 abrasive, 3rd body wear등의 마모로 특히 젊은 환자에게 흔히폴리에틸렌의 미세 마모입자에 의한 심한 골용해를 발생시켜서 인공 고관절의 실패나 재수술이 필요한 심각한 후유증의 유발 시키는 것이 문제이다.

기존의 28mm head의 경우에 년간 선상 마모가 0.12mm/y 인 경우에 연간 마모입자의 볼륨은 60-100mm3로 보고되고 있으나, 실제로는 국내의 보고된 결과는 그 이상으로 평균 100-200mm3이상이다. 평균 마모입자의 크기가 0.5-6um3라고 할 때에 년 간 적어도 1011( 7.4x1010-1.5x1011)이상의 마모입자 발생하며, 이는 한 스텝 고관절을 움직 일때 마다 약 74,000-150,000개 이상의 폴리에틸렌 마모편이 발생하고, 한 개의 macrophage 가 약 60개의폴리에틸렌 입자를 흡입 한다고 할때에 약 109 macrophage 가 필요하고, 한 개의 macrophage의 평균 10um 길이라고 하고, 빽빽이 차있다고 할 때에 약 1000um3의(1cm3)의 양의 공간이 필요하게 된다. 일반적으로 년간 마모율이 0.2mm 이상, 년간 마모 볼륨이 150mm3 이상이 발생하면 골흡수 현상이 발생 위험도 가 높다. 22mm head 경우에는 선상 마모율이 28mm 경우보다 많으나 마모볼륨은 적 고, 32mm head의 경우에는 선상 마모율은 적은 편이나, 년간 마모율이 증가하여 그 동 안 폴리에틸렌-금속 관절에서는 사용하지 못하였다.

이러한 폴리에틸렌의 마모는 소독을 위해 시행하는 방사선 조사에 의해 발생하는 free radical이 공기중의 산소에 의해 산화(oxidation)가 되어 폴리에틸렌의 물성의 약화, 특 히 brittleness가 증가되는 것이 마모를 증가 시키는 주요인이었다.

3. Highly Cross-linked 폴리에틸렌

silane, peroxide를 사용하는 화학적 방법과 방사선 조사방법으로 폴리에틸렌을 cross-linking을 시킨 폴리에텔렌은 마모가 감소하고, 폴리에틸렌의 산화가 감소하는

특성을 가지게 된다. . 이러한 cross linking의 형성이 많을수록 polyethylene의 wear 율이 감소하게 된다. 그 감소율은 radiation의 양이 많을수록 감소하게 되는데 생체외 실 험에서 5 Mrads 조사 시 90%, 10 Mrads조사 시는 100%까지 wear율이 감소한다고 보고하고 있다. 그러나 반면에 UHMWPE의 mechanical properties에 대해서는, 논란이 있으나, 방사선조사량에 반비례하여 폴리에틸렌의 물리적 강도가 감소한다는 보고가 있 으며, Yield strength가 15-30%, Elongation이 45%까지, Modulus of Elasticity는 27%까지 감소한다고 한다. 더구나 가장 중요한 mechanical properties중의 하나인 toughness가의 감소가 확실히 있게되는데, 실험실결과에 따르면 toughness를 가장 잘 나타내는 J intergral test에서 5 Mrads 조사시49%, 10 Mrads시는 64%까지 강도가 약하여진다는 실험 보고가 있다. 이러한 mechanical strength의 변화가 향후 highly cross-linked UHMWPE 사용시 polyethylene의 fracture로 인한 failure의 발생 할 수 있다는 것이 가장 우려되는 단점이다. 또한 highly cross-linked UHMWPE의 마모 입자가 더 활성화 된 생물학적 반응을 유발한다는 보고와 표면 손상을 받은 골두에서는

마모가 더 심하다는 주장도 있다.

현재까지 생체내에서의 cross linked polyethylene의 결과는 100 Mrad gamma irradiation한 Oonish의 결과와 Silane을 사용한 Wroblewski의 결과에서 마모가 상당 히 감소한 것을 보고하고 있으나, 표본수 적거나 와 추시 기간이 아직 짧다. 현재 사 용하기 시작하고 있는 cross linked polyethylene을 사용한 폴리에틸렌-금속 관절면 이 체외 마모실험에서는 기존의 폴리에틸렌보다 42%-100% 마모가 감소하는 것이 증 명되었으며, 최근 보고된 5년간 추시 임상결과에 년간 선상마모가 0.036mm/y 대조군 보다 약 76%의 마모 감소를 발표한 보고가 있으나, 확실한 임상결과는 장기 추시가 필 요한 상태이다.

장점은 첫째, 이미 40년간 폴리에텔렌을 골용해 이외에 인체에 부작용이 없이 사용한 경험이며 둘째, 포리에틸렌을 사용시 elevated lip liner, offset liner, constrained type의 liner들을 사용 할 수 있고, 포리에틸렌의 충격을 흡수 할 수 있는 물성으로 impingement, 보행 시 micro-separation등의 현상에 hard-hard bearing보다 우월하 다.

4. Ceramic-ceramic bearing

세라믹은 탄성계수가 아주 높은 단단하며(hard), 마모에는 강한 물질이나 이에 비해 인장 강도는 낮고, 연성(ductility)의 물성이 거의 없어 충격에 깨지기가 쉬운 물질이다. 1970년대부터 인공 고관절에 사용되기 시작하였으며, 초기에는 13%의 실패율을 보고 되는데 세라믹의 fracture 와 이완이 주요 원인이었다. 초창기 세라믹 head의 골절의 발 생율은 많게는 10/130 정도로 보고 되었으나, 그동안 세라믹이 제조과정의 향상으로 최 근에는 5-6년에 0.4%-0.02%으로보고되고 있다.

장점은 첫째, 단단하고 부식에 강하며, 친수성(wettability)으로 관절면에 fluid film 윤활 을 유도 할 수 있어 마찰계수가 세 관절중에 가장 우수 할 수 있으며, 회수된 세라믹 관 절의 년간 선상마모가 2-20um/y, 마모볼륨이 0,02-0.05mm3/y로 우수하다. 둘째는 biocompatibility로 세라믹 마모 입자는 평균 0.5um(0.13-78.4um)이하로 대식세포에 의 하여 포식되어, 단백분해효소를 배출하여 생물학적 반응을 활성시키는 정도가 적다. 그러 나 세라믹 마모입자들 역시 골용해 유발 한다고 보고되어 있다.

단점은 첫째 세라믹은 탄성계수 높은 단단한 물질이나, 최근에 개선되었다 하더라도 연성 과 인장력이 약하여 충격에 골절 발생의 위험성이 있으며 골절된 후 재수술이 어려운 것은 잘 알려져 있다. 골절은 세라믹 골두와 대퇴스템의 경부(trunnion)사이에서, 세라믹 라이너가 수술중 외과의 조작의 잘못과, 지속적인 고관절의 micro-separation에 의한 피 로 골절으로 발생 할 수 있다. 둘째는 고관절 치환술 후 발생할 수 있는 impingement의 충격을 흡수하는 능력이 없어 세라믹 관절을 사용시 임플란트의 고정 위치(position)의 허용범위가 적다. Impingment의 발생은 세리믹 라이너의 chipping이나 골절의 발생의 위 험이 있다. 세째, micro-separation 으로 표면의 손상이 (Strip wear) 발생 할 수 있다.

그러나 최근에 보고된 Biolox femoral head의 경우에 0.014%-0.004%의 골절 발생율, sandwich type의 세라믹관절의 3-5년간 0-0.5% 골용해와 0%의 골절의 우수한 결과들 이 보고되어있다. 그러나 최근에 세라믹 관절에서 일상생활중에 세라믹 고관절의 0.6%

환자들에게서 Sequeaking의 발생이 보고되어있다..

5. Metal-on-metal bearing

1950-60년대의 초기의 McKee-Farra형, Stanmore 형등의 금속-금속 관절면의 사용을 시도 하였으나 10-15년에 53-89%, 20년에 27.5-84%의 비교적 낮은 생존율로 사용이 중지되었으나 1980년대 후반 부터 1990년대 중반부터 개량된 금속-금속 관절을 일부 학 자들에 의해서 다시 사용하기 시작하였다. 초창기 금속 관절의 실패의 주요인은 관절의 크기(직경)과 두 관절면의 사이의 간격(clearance)가 적당하지 못하여 염전력이 너무 커 져서 대퇴 스템이나 비구컵에의 과중한 모멘트로 조기에 해리가 발생하거나, 접촉 표면이 너무 작아져 관절표면의 단위면적당 과중한 표면응력이 가하여져 마모가 증가한 것이다.

금속=금속 관절면의 마찰공학은 적당한 관절 간격이 중요하며, 이는 관절윤활에 직접적인

영향을 주며, 150um이상의 관절간격은 마모를 증가시키는 것으로 알려져 있다.

일반적으로 금속-금속 관절면은 보통 mixed type의 lubrication 으로 작용하는 것으로 여겨지고 있으며, 마찰계수는 28mm 골두에 40um의 관절 간격인 경우에 0.17로 폴리에 틸렌 -금속 관절의 3배 정도이다. 그러나 금속재질의 향상, 제조기술의 발전, 알맞은 디 자인과 적당한 관절 간격과 직경의 선택으로, 금속-금속 관절이 fluid-flim lubircation도 가능한 것으로 되어있다. 금속-금속관절의 마모정도는 실험적으로는 년간 0.22mm3 (0.05-0.85)로 보고되어 있으며, 회수된 임프란트에서는 년간 선상 마모율이 4.2um로 기 존의 폴리에틸렌-금속 관절면보다 25배 적고, 년간 마모볼륨은 1.5mm3/y 로 폴리에틸렌 -금속 관절 보다 60배 정도 적은 것으로 보고되어 있다.

금속-금속 관절면에서 발생하는 금속마모 입자의 크기는 6nm-1um으로 대부분은 50nm 이하의 크기로 포리에틸렌 마모입자보다 100배정도 작은 마모입자들이 응집되어 있으며 마모입자의 개수는 약 6.7x1012에서 2.5x1014정도로 추산된다. 이는 폴리에티렌 마모입 자보다 13-500배 많은 수이며, 때문에 적은 볼륨이라도 그것이 국소적으로 영향을 미치는 면적은 상당히 넓게된다.

금속마모입자들은 국소적, 전신적 생물학적 영향을 줄 수 있으나 아직 밝혀진 임상보고 는 없다. 작은 금속입자들은 대식세포에 탐식작용(phagocytosis)보다 세포 흡수작용 (pinocytosis)로 흡입되며, 한 개의 대식세포가 많은 작은 금속입자들을 흡입하기 때문 에 전체 대식세포의 수는 폴리에틸렌의 마모입자에서 볼 수 있는 수보다 작은 것으로 되 어 있다. 그러나 코발트-크롬의 마모입자는 폴리에틸렌 마모입자보다 생물학적으로 반응 이나 세포독성에 대해서는 폴리에틸렌 마모입자보다 한 단계 약한 것으로 알려져 있지마 는, 고농도의 코발트-크롬입자는 세포독성이 있으며 대식세포의 탐식작용을 변화시키고, 세포를 죽이는 것이 밝혀졌고, 저농도의 금속입자는 역시 국소 염증 반응을 유도하여 금 속-금속 관절면에서도 골용해는 발생하는 것으로 보고 되어있다. 이러한 dissolution된 코발트, 크롬입자들에 의해 적혈구, 혈청, 소변의 금속 이온의 농도는 증가하게 된다. 아 직 증가된 금속이온이 임파계, 비장, 간, 신장에 손상을 주는 것을 증명한 보고는 없느나 금속파편들 전신적으로 침착된 최근 보고들은 있다.

모든 금속은 인체 내에서 부식돨 수 있으며 금속이온은 항원으로 면역체계를 활성화 시키고 과민반응을 유발시킬 수 있다. 정형외과에서 사용되는 금속들 중 니켈, 코발트, 크 롬등의 순으로 과민반응이 나타나는 것으로 보고되어 있다. 일반적으로 금속-금속 관절 에서 보고된 과민 반응의 빈도는 2/10000으로 되어있었으나, 최근에 aseptic lymphocytic vasculitis-associated lesions이 보고되었고, 국내에서 김 등은 151 금속- 금속 인공 고관절중 3례가, 박 등은 165 환자중 8례가 hypersensitivity에 의한 골용해가 으로 보고되었다. 금속에 의한 hypersensitivity는 delayed(IV)형으로 알려져 있다. 금속 파편에 으한 발암 위험도도 아직 확증되지는 않았으나, 조혈기관의 발암의 위험도는 있는 것으로 보고되어 있다. 그러므로 금속-금속관절은 젊은 환자, 신장기능 부전의 환자나 가 임기의 여성에서 사용은 신중하여야 할 것이다.

6. 요약

새로운 관절면들은 기존의 포리에틸렌을 사용한 인공고관절보다 마모에 관하여 상당히

개선되어 인공관절의 수명을 연장 시킬 가능성은 많아 보인다. 그러나 Cross linked 폴리에틸렌은 기계적 강도 특히 피로강도에서 실패할 가능성, 세라믹 관절은 마모면에서는 월등하나 고관절 역동학으로 인한 합볍증의 발생할 가능성과 금속-금속관절에서 발생 할 수 있는 임체에 해로운 생물학적 반응을 염두에 두어야 할 것으로 사료된다. 현재 상태에서는 새로운 관절면들의 좀 더 광범위한 장기 임상결과들이 보고가 필요하다.

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