대한고관절학회지제 21 권제 1 호 Vol. 21, No. 1, March, 2009 종 설 세라믹 - 세라믹관절면에대한최신지견 이수호 안영주 이대희 1 울산대학교의과대학서울아산병원정형외과, 고려대학교의과대학정형외과학교실 1 서 인공고관절주변의골용해 (periprosthetic osteolysis) 는인공관절의수명에영항을미치는주요인자로인식되고있다. 이는마모입자에대한체내면역계의생물학적반응의하나로, 그중폴리에틸렌입자가가장주된원인으로작용하는것으로알려져있다 15,16). 폴리에틸렌마모는생각보다심각하여연간선상마모율이 50~200 μm 에이르며연간 10 8 ~10 9 개정도의폴리에틸렌입자가만들어져이들이대식세포를활성화시킴으로써골의흡수를초래하여결국골용해와해리를야기한다. 활성마모입자에의한골용해를줄이기위한노력으로시도된세라믹 - 세라믹관절면을이용한인공관절은 1971 년프랑스의 Pierre Boutin 3) 이알루미나세라믹관절면을이용한것이시초라할수있겠다. 초기알루미나 - 알루미나관절면사용인공고관절은세라믹컵을직접또는시멘트를이용하여비구에고정하였기때문에비구컵의이완이많이보고되었고, 세라믹제조과정상의한계로세라믹의순도가낮고입자가큰세라믹의사용이불가피하여세라믹의파괴가많아지면서한동안침체기에접어들게된다 13). 그러나, 지난 20~30 년간열간등방압성형 (hot isostatic pressure, HIPing) 등이제조공정상에도입됨으로써최근의알루미나세라믹은매우작은미세입자크기가가능해짐에따라순도와밀도가높아지면서경도 (hardness), 강도 (strength) 와같은기계적특성이우수해졌고, 검증시험 (proof testing) 과제품인식표시방법 론 투고일 : 2008년 8월 15일 1차수정일 : 2008년 10월 14일 2차수정일 : 2009년 2월 4일 3차수정일 : 2009년 3월 2일게재확정일 : 2009년 3월 2일 통신저자 : 이수호서울특별시송파구풍납 2동 388-1 울산대학교의과대학서울아산병원정형외과 TEL: 82-2-3010-3530 FAX: 82-2-488-7877 E-mail: shlee2@amc.seoul.kr (laser engraving) 의도입으로제품의완성도가획기적으로발전하였다. 그리하여, 최근에는젊고활동적인환자들에서가장이상적인관절면으로다시각광받기시작했다. 그러나, 아직까지해결되지못한세라믹자체의물리적특성에의한문제와새롭게야기된문제점들이남아있다. 따라서저자는세라믹 - 세라믹관절면자체의여러특성및현재까지의임상결과를재검토후최근에화두가되고있는여러문제점및한계에대하여알아보고자한다. 1. 세라믹의일반적특성 본 현재인공관절면의주요재료는알루미나세라믹 (Al 2 0 3 ) 으로써초기의단순소결공정 (sintering process) 으로는결정입자의크기를 30 μm 이하로만들기어려워다공성 (porosity) 이문제가되었다. 그러나, 앞서언급한열간등방압성형의도입으로이러한문제가해결됨으로써매우단단하고, 98% 이상의순도를가지며결정입자크기가 2 μm 미만의아주조밀한세라믹을만들수있게되었다. 알루미나세라믹은탄성계수가다른물질보다크고 (380Gpa; cobalt chrome 220, 피질골 20 2) ), 딱딱하며 (stiff), 단단하여 (hard) 기계적특성상압축력에는잘견디나깨지기쉬운단점을갖고있다. 높은경도는마모에대한저항이큼을의미하며취성 (brittleness) 이높다는것은세라믹관절면의가장큰약점인부품파손의배경이된다고볼수있겠다. 알루미나세라믹은높은산화상태를가지고모든생체환경에서높은화학적안정성을가지며생체와는거의반응하지않는다. 또한관절의마찰계수는 0.01 정도로생체관절면 (0.008~0.02) 에맞먹는수치를보인다. 그외흡습성 (wettability) 이있어액체가알루미나의표면에넓게퍼지게된다. 따라서액체층 (fluid film) 이인공골두와라이너사이에형성되며이액체층에의해잘조화된표면들사이에서접촉응력 (contact stress) 이줄어든다. 최근고급알루미나의연간선상마모율은 0.5~3 μm 로알려져있으며 ( 금 론 1
이수호 안영주 이대희 속 - 금속 2.5 μm/yr, 세라믹대폴리에틸렌 30~70 μm/yr, 금속대폴리에틸렌 75~150 μm/year), 생성된마모입자의무게로계산한용적마모율은금속대폴리에틸렌의 1/1,000, 금속대금속의 1/40 에불과하다고한다 17). 순수한지르코니아는불안정한물질로서 3 개의상을가지며열발생에의한상변화 (phase transformation) 가부피의증가를가져오면서 crack 을만들게됨으로써물성이저하되어과도한마모가일어난다. 현재지르코니아세라믹 (ZrO 2 ) 은폴리에틸렌소켓에대한골두만으로사용되고있는데이는실험적으로알루미나소켓이나지르코니아소켓에대하여쓸경우과도한마모가일어나기때문이다. 2. 알루미나 - 알루미나관절면의임상결과 알루미나인공고관절의임상결과들은현재사용되고있는다른재료에비해비교적좋으며젊고활동적인연령층에국한시킬경우그결과는더욱탁월하다. 대부분의장기추시상골용해는드문것으로보고되고, 일부예에서보고된골용해도세라믹이아닌다른마모입자생성기전, 예컨대알루미나와금속간의비정상적인접촉에서생기는금속입자에의한골용해였다고한다. 1971 년 Pierre Boutin 에의하여처음으로알루미나 - 알루미나인공관절이시술될당시에는알루미나골두를 epoxy resin 을이용하여부착하거나대퇴주대에나사홈고정하였기때문에골두의분리가종종발생하였다 (5.7%). 또한입자의크기가크고변동이심하며순도가낮은등알루미나세라믹의질에도문제가있어시술례의 1.3% 에서골두및비구소켓의파손이발생하였다. 1977 년이후알루미나골두와티타늄스템간에 Morse-taper 잠금장치에의한고정방법이도입되고제조과정의향상으로골두의파손은많이줄게되었다. 그후문제점으로대두된것이장기적인알루미나비구고정의이완이었는데골시멘트고정, 나사고정법, 압박고정등이소개되었으나실패율이높아결국골성장이일어날수있는금속 shell 을가진비구컵을이용하게되었다. Boutin 에의하여 1978 년부터 1980 년까지시행된 118 관절중 20 년추시결과비구는골시멘트로고정한경우에 61%, 시멘트를사용하지않은경우는 86% 가생존하였고주대의경우골시멘트를사용하지않은경우는 85%, 사용한경우에는 87% 의생존율을보였다. 골두가파단된경우는없었고마모도일반방사선소견상관찰되지않았다 8). Bizot 등 2) 은 1989 년이후도입된금속 shell 을가진알루미나 - 알루미나관절의중기결과로써 9 년생존율이재수술을기준으로 93.4% 였고, 무균성이완을기준으로는 97.4% 였으며 97.5% 이상에서우수이상의임상결과를보였다고하였다. 우리나라에서는 Yoo 등 22) 이 28 mm 알루미나 - 알루미나관절면을이용한무시멘트성고관절전치환술후최소 5 년이상추시가능했던 93 례를 분석한결과, 부품의해리나부품주위골용해는한예에서도관찰되지않았으며, 평균 Harris 고관절기능점수가 97 점, 교통사고에의한세라믹골두파손 1 례, 라이너의가장자리파손 (chip fracture) 1 례등으로중기결과가상당히양호한것으로보고하였다. 그러나, 최근들어서제 3 세대알루미나세라믹 (BIOLOX Forte ) 의파손이드물게보고되고있다. 이러한단점을극복하기위하여 75% 의산화알루미늄에입자가더욱고운 24% 산화지르코니움과약간의첨가물을혼합하여만든알루미나세라믹복합체 (aluminia ceramic matrix composite or zirconia toughened alumina; BIOLOX Delta ) 가개발되어사용되고있지만아직까지임상결과는제한적이다. 3. 알루미나세라믹관절면의문제점들과최신지견들 1) 골두및라이너부품파손 (fractures of head and femoral liner) 세라믹은우수한마모특성을지니고있으나취성이강하여항상깨지기쉬운문제점을갖고있다. 초기알루미나세라믹골두는파손이많았는데이는제조공정상의어려움과디자인상의문제에서발생하였다. 세라믹골두의파손과연관되어몇가지가설이있다. 첫째, 수술시충분한 Morse taper 의 fitting 을얻기위하여는골두를대퇴경부에놓고돌려서감입을시켜야한다. 이때돌리는과정을하지않을경우골두가대퇴경부에편심성 (eccentricity) 으로들어가부정선열과높은접촉부하가걸려파손의위험성이증가할수있다. 둘째, 대퇴주대 (stem) 가비교적잘고정되어재치환술이필요없는경우기존의 taper 에이미손상이있는경우로써, 깊은긁힘등에의해골두가파손될수있다. 이러한세라믹골두의파손을막기위해 BIOLOX option ball 이개발되어사용되고있다. 셋째, Marsonis 등 12) 에의하면특히긴골두 (long neck) 를사용한경우파손이더많았고그이유로긴골두의경우 taper 가골두내홈 (bore) 의아래쪽에접촉하여홈상단에더큰신장내력 (tensile stress) 이발생하기때문이라고가정하였다. 그러나그와는반대로짧은골두 (short neck) 를사용한경우골두내홈상단외측끝으로부터골두표면까지의두께가긴골두보다는상대적으로얇기때문에골두파손이더많다 11) 는주장도있어좀더많은연구가필요하리라생각된다. 넷째, 비구컵과대퇴스템의디자인측면에서비구컵이 metal shell 이너무얇거나비구컵과대퇴스템의 taper 의길이가불충분할경우골절이일어날수있다. 세라믹라이너의파손에대해서도몇가지가설이있는데, 첫째, 라이너삽입과정에서비구컵에정확하게직각방향이아니고약간비스듬한방향으로힘을주어삽입할경우에라이너와비구컵사이에 jamming 이발생하게된다 10). 이렇게됨으로써라이너의파괴또는라이너변연부에조 2
세라믹 - 세라믹관절면에대한최신지견 각파손이발생하게되는것이다. 그러므로, modular ceramic liner 를비구컵에편심성없이안전하게넣기위해서는비구컵의변연부까지충분히노출시켜라이너를중심성으로꽉밀어놓는것이무엇보다중요하며넣고난이후 impact 과정에서발생할수있는조그만틈 (crack) 또는조각 (chip) 이있는지꼭확인하여야하겠다. 둘째, 비구컵의경사각이부적절하거나전경각 (anteversion) 이불충분한경우, taper 의하단과라이너의측면에서충돌 (impingement) 이발생되어라이너의파손을유발하는경우가있을수있다 7,9,14). 그외에도심한외상이나활동력이많거나비만한경우등에서도파손이발생될수있다. 이상과같은파손위험때문에세라믹관절면을이용한인공고관절수술시충분한노출을하여정확한고정이필요로하므로최소절개수술시주의를요한다. 2) 큰골두사용 (big ball heads) 과거인공고관절수술에서는관절면에서의마찰계수및마모입자를줄이기위하여작은골두 (28 mm) 를주로사용했으나, 대퇴경부및비구컵간의충돌 (impingement) 과그로인한탈구가문제가되었다. 그러나세라믹관절면의사용으로인하여마찰계수및마모입자에대한문제는해결된반면관절운동범위와탈구등이문제로대두되었다. 이를해결하기위해더큰골두를사용하게되었는데큰골두는관절운동범위가증가 (22 mm 에서 40 mm 가되면약 30% 증가 ) 되고충돌이적어지며탈구유발시까지거리 ( 소위 jump distance) 의증가 (22 mm 에서 40 mm 가되면 13 mm 에서 22 mm 로증가 ) 로탈구의빈도가감소되는장점 5) 이있는반면, 비구라이너가얇아지고그로인한파손이나변형의가능성등이론적단점도있다. 현재많이사용되는것은 36 mm 로이론적으로는더큰골두의사용이가능할것처럼보이나 Burroughs 등 4) 에의하면 38 mm 보다큰골두의경우관절운동의증가가더이상관찰되지않아향후적정골두크기에대한연구가뒤따라야할것이다. 3) 다양한임플란트선택의제한 (loss of options) 세라믹관절면을이용한인공고관절수술의또한가지문제점은환자에따라수술자가필요로하는다양한임플란트를제공하고있지못하다는것이다. 전통적으로많이사용되고있는금속대폴리에틸렌관절면에서는골두의크기가 22 mm, 26 mm, 28 mm, 32 mm, 36 mm 까지다양하고경부길이도대략 6 종류로약 20 mm 정도까지길이의보정이가능하다. 이와는달리세라믹관절면의경우에는컵사이즈하나당골두크기가정해져다른크기의골두를사용하기힘들고경부길이도많아야 4 종류정도로가능한길이보정이보통 10 mm 이하다. 이것은인공고관절의또하나의목표인다리길이보정을어렵게하는 요인이라할수있다. 따라서향후다양한라이너및골두의선택이가능하도록세라믹제조공정이발달되어야할것이다. 4) 대상마모 (stripe wear) 와미세분리 (microseparation) 세라믹 - 세라믹관절면에서접촉응력이증가할수있는경우가있는데첫째는제 3 개체마모 (third body wear) 로관절면사이에입자조각이존재하는경우이다. 이는인공고관절삽입후관절을정복하는과정에서과도한근육의긴장등으로정복의어려움이있을경우세라믹의일부또는금속의일부가손상되면서입자가유리되어관절면사이에끼는경우발생할수도있고, 수술후보행중유각기에골두가비구에서미세하게분리 (microseparation) 되었다가다시제자리로들어가면서야기되는수도있다. 후자의경우근육의긴장성이떨어져있는경우악화될수있으므로이경우에는세라믹관절면선택에신중을기하는것이좋겠다. 대상마모 (stripe wear) 는세라믹골두에초생달모양의줄무늬가표면에생기는것으로재수술시에종종발견되어알게된현상이다 18). 이것의원인은여러가지가설이있는데그중하나가앞서언급한제 3 개체개재에의한마모이며또다른하나는접촉응력이증가할수있는상태로부적절한비구컵경사각및대퇴경부각을들수있다. Walter 는비구경사각이 55 도이상인경우, 대퇴경부각이 140 도이상인경우마모율이증가한다고했는데 20), 이것은관절면의일부에접촉응력이커져과도한마모를유발하기때문으로보인다. 5) Squeaking Squeaking 의사전적의미는 찍찍 ( 끽끽 ) 거리는소리 이다. 아직까지정확한의미는밝혀지지않고있으나원인인자로언급되고있는것들은다음과같다. 첫째, 임플란트요소로서관절면에사용된재질이 hard-on-hard 인경우이다. 수술후에들을수있을정도의 squeaking 은최근에보고된문헌들에의하면세라믹관절면의경우에 0.5~7% 정도이다. 또한금속대금속관절면을이용한표면치환술의경우일시적으로나타나는 squeaking 의빈도는 3.9% 정도로보고되고있다 1). 즉기존의폴리에틸렌을사용한관절면에서는대개 squeaking 이일어나지않는것으로알려져있다. 둘째, 환자측요소로서젊고키가크며뚱뚱한환자에서많이보고되고있다. 이러한환자들에서사용되는관절면에요구되는기계적특성이다른사람들보다크다는것을시사한다고할수있겠다. 마지막으로수술적요소로서비구컵의위치가중요한요소로서작용하는것으로보인다 21). 비구컵의전경각이너무큰경우정상적인보행주기중입각기말 (end of stance phase) 에세라믹골두가상대적으로전상방으로 coverage 가부족해지면서세라믹관절면의앞쪽에 edge loading 이걸리 3
이수호 안영주 이대희 게된다 (ceramic squeak). 이러한경우고관절이신전될때 squeaking 이유발된다. 반대로전경각이너무적으면고관절굴곡시에세라믹골두의상대적인 coverage 가후방쪽에서부족해지면서후방에 edge loading 이걸리게되어굴곡시 squeaking 이발생하게된다. 또다른원인으로언급되고있는것이대퇴경부와비구컵의변연부 (rim of acetabular component, titanium squeak) 와의충돌 (impingement) 이다 19). Squeaking 은아직까지는정확히알수없지만임플란트에무언가손상이있다는것을시사하는것만은분명하다. 향후에이것과골용해와의연관성이밝혀질수도있으며아니면또다른인공관절실패의원인으로간주될수도있다. 따라서, 이러한 squeaking 을갖고있는환자들에게현재의시점에서 squeaking 을유발하는운동이나자세를피할것을권고하고정기적인외래추적을통하여골용해나다른문제점이없는지확인하는것이중요하다고할수있겠다. 6) 세라믹삼극인공고관절전치환술 (all ceramic tripolar THR) 근육및신경질환을가지고있는환자의경우인공고관절수술후탈구가큰위험요소이다. 이를줄이기위하여세라믹삼극인공고관절전치환술이고안되어사용되고있는데, 이것은비구컵및골두의세라믹사이에소위 자가조절컵 (self adjusting cup) 을하나더사용하여 2 개의관절면을만든디자인이다. 이시스템은관절운동범위의제한이없이관절회전중심의위치를더깊게하여탈구를막고나아가미세분리및마찰계수의감소를유발함으로써과도한마모를줄일수있다는이론적장점을갖고있다. 7) 신소재의개발 (development of new materials) 세라믹은앞에서도언급한것처럼많은장점을가지고있지만여전히파손등의단점도있다. 따라서이러한단점을극복하기위한또다른소재의개발도진행중에있다. 그대표적인것이 Oxinium TM 이다. 이것은금속재질표면에고온의열처리및산화과정을통하여약 5 μm 의두께로세라믹을표면처리한것으로지르코니아 97.5% 와 Niobium 2.5% 의세라믹을사용하였다. 이러한 Oxinium TM 의이론적장점은세라믹의좋은점은유지하면서도금속재질의단점인금속과민성 (metal hypersensitivity) 및알러지를극복할수있다는것이다. 또한금속재질이므로파손의위험도없고라이너의마모가적다 6). 그러나이러한장점에도불구하고폴리에틸렌라이너를사용해야하므로폴리에틸렌마모의위험성과세라믹파손의위험성은여전히존재하는단점을가지고있다. 또한서로다른재질의관절면을사용하여서로다른경도 (differential hardness) 에서오는장점을이용하려는 시도도있다. 예컨대세라믹골두에금속라이너를사용한경우금속대금속관절면보다마모와금속이온유리를줄이면서전체적인장점은세라믹대세라믹관절면수준을유지할수있다. 그러나아직까지시도단계이므로좀더장기간의임상적추시가필요할것으로생각된다. 4. 결론 세라믹관절면은재료의성질상마모가적은특성을갖고있으므로인공고관절의내구성향상에많은기여를하고있음을부정할수없다. 그러나, 앞에서살펴본바와같이최근에발생되는여러가지문제점및제한점이남아있는것또한사실이다. 무엇보다도세라믹관절면사용에있어발생되는문제점을막기위해서는정확한비구컵의위치, 중심성라이너삽입등이필요하며따라서정교하고정확한수술술기를익히는것이매우중요하다고사료된다. REFERENCES 01) Back DL, Dalziel R, Young D, Shimmin A: Early results of primary Birmingham hip resurfacings: An independent prospective study of the first 230 hips. J Bone Joint Surg, 87-B: 324-329, 2005. 02) Bizot P, Larrouy M, Witvoet J, Sedel L, Nizard R: Press-fit metal-backed alumina sockets: a minimum 5-year followup study. Clin Orthop Relat Res, 379: 134-142, 2000. 03) Boutin P: Alumina and its use in surgery of the hip. (Experimental study). Presse Med, 79: 639-640, 1971. 04) Burroughs BR, Hallstrom B, Golladay GJ, Hoeffel D, Harris WH: Range of motion and stability in total hip arthroplasty with 28-, 32-, 38-, and 44-mm femoral head sizes. J Arthroplasty, 20: 11-19, 2005. 05) Crowninshield RD, Maloney WJ, Wentz DH, Humphrey SM, Blanchard CR: Biomechanics of large femoral heads: what they do and don t do. Clin Orthop Relat Res, 429: 102-107, 2004. 06) Good V, Ries M, Barrack RL, Widding K, Hunter G, Heuer D: Reduced wear with oxidized zirconium femoral heads. J Bone Joint Surg, 85-A Suppl 4: 105-110, 2003. 07) Ha YC, Kim SY, Kim HJ, Yoo JJ, Koo KH: Ceramic liner fracture after cementless alumina-on-alumina total hip arthroplasty. Clin Orthop Relat Res, 458: 106-110, 2007. 08) Hannouche D, Hamadouche M, Nizard R, Bizot P, Meunier A, Sedel L: Ceramics in total hip replacement. Clin Orthop Relat Res, 430: 62-71, 2005. 09) Hasegawa M, Sudo A, Uchida A: Alumina ceramic-onceramic total hip replacement with a layered acetabular component. J Bone Joint Surg, 88-B: 877-882, 2006. 10) Huk OL, Bansal M, Betts F, et al.: Polyethylene and metal debris generated by non-articulating surfaces of 4
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