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- 소재 마모를 방지하여 장기 수명화가 기대되는 인공 관절의 개발에 성공
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- 소재 마모를 방지하여 장기 수명화가 기대되는 인공 정강이 관절의 개발에 성공 / 의료기기의 제조 판매 승인을 취득, 독립행정법인 과학기술 진흥기구(이하, JST) 위탁 개발의 성과 / 인공 정강이 관절의 습동면(摺動面)에 생체 의사막(擬似膜)을 형성하여 내마모성의 향상을 실현 / 인공 정강이 관절의 장기 수명화에 의해, 환자의 QOL의 유지?향상에 공헌 -
JST는 이번에 독창적 `Seeds` 전개 사업?위탁 개발의 개발 과제 `MPC(주 1) 처리를 이용한 장수명형 인공 정강이 관절`의 개발 결과를 성공이라고 인정하였다.이 개발 과제는 일본 국립 장애자 사회 복귀 요법 센터 나카무라(Nakamura) 자립 지원 국장과 도쿄(Tokyo) 대학 대학원 공학계 연구과 이시하라(Ishihara) 교수들의 연구 성과를 기초로 2006년 3월부터 2011년 3월에 걸쳐 일본 메디컬 머테리얼(Medical Material) 주식회사에 위탁하여 기업화 개발(개발비 약 6억 엔(약 78억 원))을 진행시킨 과제라고 한다. 그리고 본 인공 정강이 관절은 2011년 4월에 일본 후생노동성으로부터 의료기기로서 제조 판매의 승인을 취득하였다.
고령자 인구의 증가에 따라 관절의 기능에 지장을 초래하여 운동 부전(運動不全)이 되는 인구도 증가하고 있다. 격렬한 통증 등으로 환자의 QOL(quality of life, 생활의 질)가 현저하게 저하되면 인공 정강이 관절로 치환하는 처치 등 수술 요법이 선택되는 것이 일반적으로 일본 국내에서는 연간 4만 건 이상이라고 한다.
이 인공 정강이 관절 치환방법은 환자의 운동 기능 회복에 큰 역할을 완수하는 뛰어난 치료법 이라고 할 수 있지만 `마모 `라는 제품의 수명(내용연수), 나아가서는 환자의 QOL에 영향을 주는 심각한 합병증으로 인해 인공 정강이 관절을 재치환 수술의 필요성이나 젊은 층에게는 적용이 곤란하다는 점 등의 문제점이 있다. `마모`가 일어나는 큰 요인의 하나에 인공 정강이 관절이 스치는 관절면에서 생기는 폴리에틸렌의 마모분(摩耗粉)을 들 수 있고 폴리에틸렌에 고에너지선을 조사하여 가교?경질화(架橋?硬質化)시키는 등 기존부터 대책이 취해져 왔지만 근본적인 해결책이 되지는 못했다.
본 개발에서는 JST의 위탁 개발 과제 `인지질(phospholipid)(지식리포터 주) 극성기를 가지는 폴리머의 제조 기술`에서 실용화된 생체 적합성이 뛰어난 MPC라는 물질을 이용하고, 인공 정강이 관절의 관절면을 구성하는 폴리에틸렌 라이너(주 2)의 표면을 나노미터 스케일(나노는 10억분의 1)의 MPC 폴리머의 막으로 덮었다. 이 결과 관절면에 생체 의사막이 형성되어 양호한 내마모성을 가지는 제품 개발에 성공하였다.본 기술의 활용에 의해 `마모`의 주된 원인으로 여겨지는 마모분이 적게 되어 재치환 수술에 이르는 리스크의 저감이 기대된다. 그 결과 환자가 장기간에 걸치는 QOL의 유지?향상에 공헌한다고 생각할 수 있다.
독창적 Seeds 전개 사업?위탁 개발은 대학이나 공적 연구기관 등의 연구 성과로 특히 개발 리스크의 높은 것에 관해서 기업에 개발비를 지출하고 개발을 위탁하여 실용화를 도모하고 있다. 본 사업은 현재 `연구 성과 최적 전개 지원 프로그램(A－STEP)`에 발전적으로 재편하고 있다.향후 증가하는 인공 정강이 관절의 수요에 따라 `마모`라는 제품의 수명(내용연수), 나아가서는 환자의 QOL에 영향을 주는 심각한 합병증이 문제가 되고 있다.고령자 인구의 증가에 따라 관절의 기능에 지장을 초래하여 운동 부전이 되는 인구도 증가하고 있다. 현재 일본 국내에서는 연간 4만 건 이상의 인공 정강이 관절 치환방법을 해 이 건수는 해마다 계속 증가하고 있다.
질환의 초기 단계에서는 약제 요법 등에서 관절의 통증이나 질환의 진행은 어느 정도 억제지만 격렬한 통증 등으로 환자의 QOL가 현저하게 저하하면 인공 정강이 관절로 치환하는 조치 등 수술 요법을 선택하는 것이 일반적이다.인공 정강이 관절 치환방법은 환자의 운동 기능 회복에는 큰 역할을 완수하는 뛰어난 치료법이라고 할 수 있지만 인공 정강이 관절의 수명(내용연수)에 영향을 주는 `마모`라는 심각한 합병증에 대한 결정적인 해결책이 제시되지 않고 있다. 이러한 `마모`가 발생하면 인공 정강이 관절을 바꿔 넣는(재치환) 수술이 필요하게 된다. 그리고 재치환의 반복이 필요한 젊은 층 환자에 대한 적용도 곤란하다.
`마모`의 과정은 인공 정강이 관절의 관절면으로부터 발생하는 마모분로부터 시작된다. 면역 세포(체내의 생체 방어 기구를 주관하는 세포)가 이 마모분을 이물질로서 인식하여 배제할 때 파골(破骨) 세포(뼈의 재구축 프로세스에 대해 뼈 흡수를 주관하는 세포)를 형성?활성화하여 매립된 인공 정강이 관절의 주위의 뼈가 흡수되기 때문에 `마모`로 도달한다. 따라서 마모분의 발생을 억제하는 것이 지금까지 큰 기술 과제였다.
마모분은 관절면을 구성하는 폴리에틸렌으로부터 발생하기 때문에 폴리에틸렌에 고에너지선을 조사하여 가교?경질화 시키는 등 기존부터 대책이 취해져 왔지만 근본적인 해결책까지는 도달하고 있지 않았다.본 기술은 이시하라 교수가 가지고 있는 생체 친화형 바이오 머터리얼(biomaterial) 기술(인공 세포막의 구조를 만드는 머테리얼 기술)인 MPC 폴리머로 인공 정강이 관절의 관절면을 구성하는 폴리에틸렌 라이너의 표면을 처리하는 것으로 내마모성의 향상을 실현하였다.
생체의 정강이 관절 연골 표면에는 인지질의 조직화층이 존재하고 있어 이 층에 의하여 관절면이 보호되어 윤활 기구가 유지되고 있다. 따라서 본 개발에서는 인지질 구조를 포함하여 생체 친화성이 뛰어난 MPC 폴리머에 주목해 인공 정강이 관절의 폴리에틸렌 라이너의 관절면에 MPC를 광화학적으로 그래프트(graft) 중합(주 3)하여 나노미터 스케일의 MPC 폴리머 층을 형성하였다.
인공 정강이 관절의 관절면에 형성된 인공 세포막 모양의 MPC 폴리머 층에 의해 관절면에는 엷은 물의 층이 생기기 때문에 생체의 관절 연골과 동등한 높은 윤활성이 발현하였다. 실제 정강이 관절 시뮬레이터를 이용하여 1,000만 사이클의 정강이 관절 운동을 모의한 마모 시험을 실시하였는데 미처리된 폴리에틸렌 라이너에 비하여 마모량의 대폭적인 저감이 확인되었다. 또한 MPC 폴리머 층의 안정 생성 조건을 명확하게 하여 제조 기술 및 품질관리 수법을 확립하였다.
이러한 개발 성과에 의해 관절면의 마찰을 저감할 수 있어 내마모 특성의 새로운 개선으로 연결되기 때문에 인공 정강이 관절의 수명 향상이 기대된다.
본 개발에서는, 2007년부터 임상시험을 실시하여 안전성을 확인하였다. 임상시험 결과를 정리하여 약사 승인 신청을 실시, 2011년 4월에 의료기기로서 제조 판매 승인을 취득하였다.본 기술을 적용한 인공 정강이 관절은 일본에서 개발한 연구 성과이며, 인공 정강이 관절의 재치환 수술의 필요성을 효과적으로 저감하여 환자의 QOL 향상에 공헌할 것으로 기대된다.
(주 1) MPC
2－methacryloyloxyethyl phosphorylcholine의 약칭으로 인지질을 가지고 있는 MPC를 중합하여 얻을 수 있는 MPC 폴리머는 다양한 의료기기의 표면에 응용되고 있고 MPC 폴리머의 특성인 항혈전성이나 단백질 흡착 억제를 이용한 인공 폐, 친수성을 이용한 소프트 콘택트렌즈, 윤활성을 이용한 가이드 와이어, 혈관 스텐트(Stents) 등 세계적으로 임상 현장에서 이용되고 있다. 이 폴리머는 JST의 위탁 개발 과제 `인지질 극성기를 가지고 있는 폴리머의 제조 기술`에서 실용화되었다.
(주 2) 폴리에틸렌 라이너
정강이 관절에 있어서의 골반 구개(臼蓋)를 모의한 폴리에틸렌제의 부품
(주 3) 그래프트 중합
근간이 되는 고분자에 광학적으로 라디칼(활성점)을 형성하여 다른 모노머 또는 폴리머를 결합시키는 기술.
(지식리포터 주 ) 인지질
지방과 비슷한 구조를 하고 있지만 글리세롤에 3개의 지방산이 결합하는 지방과 달리 2개의 지방산과 1개의 인산기가 결합되어 있다는 점에서 다르다. 인산기는 다른 유기물과 결합되어 있으며, 결합된 유기물의 종류에 따라 인지질의 종류가 달라진다.
인지질은 지방과는 달리 극성을 띠는데 지방산이 있는 부위는 물과 잘 섞이지 않고 비극성 물질들과 쉽게 섞이는 소수성이고, 인산기가 있는 부위는 물 분자 또는 다른 극성분자들과 쉽게 섞이는 친수성이다. 이러한 인지질은 생체막의 주요 구성 성분이 되므로 중요하며, 신경 조직의 미엘린 수초에 다량 함유되어 있다.
이러한 인지질의 특성 때문에 물속에서 인지질은 이중막을 이루게 된다. 인지질의 인산기 머리 부분은 물과 닿아있는 것을 선호하고 지방산 꼬리부분은 물로부터 떨어져있는 것을 선호하게 된다. 이로 인해 꼬리부분은 꼬리부분끼리 모이고, 머리 부분은 물에 노출되어 이중의 막을 형성하게 된다.이러한 이중막 구조는 모든 세포의 세포막을 이룰 뿐만 아니라 진핵생물의 세포 내 소기관들(핵, 엽록체, 미토콘드리아 등)을 구성하는 중요한 구성요소이다.
<참고자료 1> 인공 정강이 관절과 폴리에틸렌 라이너의 제품 외관
<참고자료 2> 그래프트 중합한 폴리에틸렌 표면과 MPC 폴리머 층의 결합 상태(폴리에틸렌의 표면에 MPC를 광화학적으로 그래프트 중합시켜 MPC 폴리머의 층을 형성하였다.)
<참고자료 3> 정강이 관절 모의실험 장치를 이용한 마모 시험 결과(MPC 폴리머 처리에 의해 폴리에틸렌 표면으로부터 생산되는 마모분의 발생을 억제할 수 있기 때문에 폴리에틸렌 라이너는 중량 감소가 확인되었지만 MPC 폴리머 처리 폴리에틸렌 라이너의 중량 감소는 확인되지 않았다.)
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키워드 : 소재, 마모, 인공 관절, 정강이, 폴리에틸렌
출처 : http://www.jst.go.jp/pr/info/info808/index.html
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