다공성 탄탈륨의 임상 응용

다공성 탄탈륨은 뛰어난 생체 적합성, 내식성, 자연 뼈의 역학과 유사한 특성으로 인해 생체 공학 분야에서 기적의 재료로 부상했습니다. 처음에는 정형외과용으로 합성되었지만 현재는 치과, 심혈관 장치, 실험적 재생 의학 분야로 그 용도가 확장되었습니다. 실험 및 임상 적용 사례를 살펴보겠습니다.

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왜 다공성 탄탈룸인가?

탄탈륨은 내화성 금속으로 생체 재료로 활용될 때 많은 장점을 가지고 있습니다. 특히 다공성 탄탈륨은 장기적인 생물학적 안정성 외에도 골유착을 위한 소재로 각광받고 있습니다.

다공성 탄탈륨은 탄탈륨을 스캐폴드에 증착하여 만들어지며, 의료용 임플란트에 이상적인 매우 균일하고 상호 연결된 구조를 만듭니다. 소결 또는 스페이스 홀더 방식으로 생산되는 탄탈륨 폼은 기공 구조가 덜 규칙적이며 일반적으로 낮은 정밀도가 허용되는 구조용 또는 실험용 애플리케이션에 사용됩니다.

다공성 탄탈륨은 생체의학 분야에 적합한 몇 가지 중요한 특성을 가지고 있습니다.

• 최대 80%에 달하는 높은 다공성으로 조직 성장과 혈관 형성에 적합합니다.
• 탄성 계수는 해면골과 매우 유사하여 응력 차폐를 최소화하고 자연스러운 하중 전달을 촉진합니다.
• 또한 다공성 탄탈륨은 내식성이 뛰어나 생리적 조건에서 안정적이고 불활성 상태를 유지합니다.
• 또한 높은 마찰 계수로 인해 이식 시 초기 기계적 안정성이 극대화됩니다.

이러한 모든 특성으로 인해 다공성 탄탈륨은 하중을 견디는 임플란트와 조직 공학 스캐폴드에 사용하기에 특히 적합합니다.

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1. 정형외과 임플란트

다공성 탄탈륨은 정형외과 재건 수술, 특히 뼈 손실이 심하거나 뼈의 질이 좋지 않은 환자에서 널리 사용됩니다.

--다공성 탄탈륨을 사용한 고관절 및 슬관절 성형술

다공성 탄탈륨은 까다로운 고관절 및 슬관절 인공관절 수술에 효과적인 소재입니다. 기계적 안정성과 높은 골 성장 잠재력이 결합된 다공성 탄탈륨은 특히 재치환 고관절 전치환술(THA) 과 슬관절 전치환술에 유용합니다.

재치환술에서 광범위한 골 손실과 복잡한 비구 결손을 관리하기 위해 다공성 탄탈륨 모듈형 어그먼트와 비구 컵이 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이러한 임플란트는 다공성 표면을 가지고 있어 뼈가 빠르게 성장할 수 있으며, 높은 마찰 계수로 인해 강력한 1차 고정이 가능합니다.

위든과 슈미트의 획기적인 임상 논문(2008)에 따르면 다공성 탄탈 비구 컵을 재치환술로 받은 환자의 5년 생존율이 98%에 달했습니다. 이 논문에서는 심각한 모골 손실과 골반 불연속성을 동반한 파프로스키 3A형 33건과 3B형 10건을 포함하여 43건의 어려운 비구 재건술을 검토했습니다. 이 중 26건에서 모듈형 탄탈 보형물을 사용하여 비구 외피를 보충했습니다. 평균 2.8년의 추적 관찰 결과, 43개 중 42개는 안정적으로 유지되었고 패혈성 이완으로 인한 단독 실패는 한 건도 없었습니다. [3]

슬관절 전치환술에서 다공성 탄탈륨 콘은 생물학적 및 기계적 고정을 제공하는 큰 형이상학적 뼈 결손의 관리에 일반적으로 사용됩니다. 콘을 사용하면 광범위한 골 손실이 있는 경우 뼈를 복원하고 임플란트 고정을 위한 견고한 기초를 마련할 수 있습니다.

--척추 융합 케이지

탄탈륨은 척추 유합 수술, 특히 경유 요추체간 유합술(TLIF)을 위한 체간 케이지로서 엄청난 잠재력을 보여주었습니다. 탄탈륨 케이지가 척추 안정성을 최적화하고 뼈 통합을 촉진하는 동시에 인접한 뼈와의 기계적 호환성을 통해 임플란트 침하 위험을 줄이도록 설계되었습니다.

임상적으로 탄탈 케이지의 골유착은 폴리에테르에테르케톤(PEEK)과 같은 기존 재료보다 우수한 것으로 입증되었습니다. TLIF를 받은 40명의 환자를 대상으로 증상 완화, 활동 복귀, 방사선학적 유합 등의 결과를 후향적으로 평가했습니다. 금속 케이지와 PEEK 케이지 두 그룹 모두 유사한 기능 개선을 보였지만, 골 반응과 유합 결과에는 눈에 띄는 차이가 있었습니다. [4]

1년 추적 관찰 결과, 금속 케이지의 경우 골 용해가 10%에 불과한 반면, PEEK 케이지의 경우 50%에서 골 용해가 발생했습니다. 또한, 금속 케이지 케이스의 40%에서 유합이 발생하여 PEEK 케이지의 15%보다 훨씬 우수한 결과를 보였습니다. 이러한 결과는 탄탈륨의 골 유도 특성과 함께 높은 생체 적합성 및 기계적 성능을 나타냅니다.

2. 치과 임플란트

탄탈의 생체 적합성과 골유착 능력은 골질이 좋지 않거나 이전에 임플란트에 실패한 환자를 위한 치과 임플란트에서 활용됩니다. 탄탈을 사용하면 표준 티타늄 임플란트에 비해 치유 시간이 단축되고 장기 고정력이 향상됩니다.

한 전임상 연구에서는 토끼 대퇴골 과두 모델을 사용하여 탄탈 트라베큘러 메탈(TM) 치과용 임플란트와 기존 티타늄 스크류 벤트(TSV) 임플란트의 성능을 비교했습니다. 이 연구에서는 뉴질랜드 흰토끼 10마리에 임플란트 20개(TM 10개, TSV 10개)를 무작위로 삽입했습니다. 8주간의 치유 단계를 거친 후 마이크로 컴퓨터 단층촬영(micro-CT), 조직학 및 조직 형태 측정을 통해 임플란트를 평가했습니다. [5]

그 결과, TM 임플란트는 관심 부위의 뼈와 임플란트 간 접촉(BIC)과 골량(BV)에서 TSV 임플란트보다 훨씬 더 우수한 것으로 나타났습니다. TM 임플란트는 57.9% ± 6.5의 BIC를 기록한 반면, TSV는 47.6% ± 8을 기록했습니다. 마찬가지로 BV는 TM 임플란트의 경우 57% ± 7.3, TSV의 경우 46.4% ± 7.4였습니다. 마이크로 CT 평가에서도 TM 그룹은 골 용적 비율이 89.1% ± 8.7로 TSV 그룹의 79.1% ± 8.6에 비해 높게 측정되어 이러한 결과가 확인되었습니다.

3. 두개악안면 재건술

다공성 탄탈륨 플레이트와 메쉬는 심미적 적합성과 기계적 안정성을 모두 갖춘 복잡한 안면 재건술에 사용됩니다. 개방형 기공 구조는 연조직 통합을 가능하게 하고 감염의 위험을 줄여줍니다.

탄탈륨은 Ti6Al4V와 같은 기존 소재에 비해 골 형성 능력이 향상되어 턱과 얼굴의 복잡한 부위에서 뼈의 재성장을 촉진하는 데 특히 유용합니다.

CMF 결함의 매우 개인화된 특성을 해결하기 위해 3D 프린팅 기술을 사용하여 환자별 다공성 탄탈 임플란트를 제작하고 있습니다. 최근 한 연구에서는 수열 처리로 나노 지형 표면을 변형한 3D 프린팅 탄탈륨 스캐폴드를 조사했습니다. 이 표면 공학은 조골세포 부착을 지원하고 골수 줄기세포(BMSC)의 골 형성 분화를 촉발하여 스캐폴드의 생체 활성을 촉진하는 것으로 보고되었습니다. [6]

결론

다공성 탄탈륨은 의학, 특히 정형외과 및 치과 임플란트 수술에 광범위한 영향을 미쳤습니다. 가공 및 맞춤화가 더욱 발전함에 따라 다공성 탄탈륨은 미래의 이식형 생체 재료의 초석으로 남을 것입니다. 더 많은 탄탈륨 제품 및 기술 지원을 확인하려면 Stanford Advanced Materials(SAM)를 방문하세요.

참고자료:

[1] Mohandas, Gokhuldass & Oskolkov, Nikita & Mcmahon, Michael & Walczak, Piotr & Janowski, Miroslaw. (2014). 재생 의학을 위한 다공성 탄탈륨 및 산화탄탈륨 나노입자. Acta neurobiologiae experimentalis. 74. 188-96. 10.55782/ane-2014-1984.

[2] 왕 X, 저우 K, 리 Y, 시에 H, 왕 B. 다공성 탄탈륨 스캐폴드의 준비, 수정 및 임상 적용. 프론트 바이오엔 바이오테크놀. 2023 Apr 4;11:1127939. 도이: 10.3389/fbioe.2023.1127939. PMID: 37082213; PMCID: PMC10110962.

[3] 스티븐 H. 위든, 로버트 H. 슈미트, 파프로스키 3A 및 3B 결손에 탄탈륨 다공성 금속 임플란트 사용, 관절 성형술 저널, 22권 6호, 보충, 2007, 151-155페이지, ISSN 0883-5403.

[4] Cuzzocrea F, Ivone A, Jannelli E, Fioruzzi A, Ferranti E, Vanelli R, Benazzo F. 후방 요추체간 융합에서 PEEK 대 금속 케이지: 임상 및 방사선학적 비교 연구. 2019 Dec;103(3):237-241. 도이: 10.1007/s12306-018-0580-6. Epub 2018 Dec 10. PMID: 30536223.

[5] 알 디브 M, 알도사리 AA, 아닐 S. 티타늄 치과 임플란트에서 탄탈 트라베큘러 금속의 골유착: 조직학적 및 마이크로-CT 연구. J 기능 바이오매터. 2023 Jul 6;14(7):355. 도이: 10.3390/jfb14070355. PMID: 37504850; PMCID: PMC10382015.

[6] 장 C, 저우 Z, 류 N, 첸 J, 우 J, 장 Y, 린 K, 장 S. 두개안면 뼈 결손을 복구하기 위한 나노 지형 변형이 있는 3D 프린팅 다공성 탄탈륨의 골 형성 분화. 프론트 바이오엔 바이오테크놀. 2023 Aug 21;11:1258030. 도이: 10.3389/fbioe.2023.1258030. PMID: 37671184; PMCID: PMC10475942.