다양한 시험 골재료에서 전방십자인대 재건을 위한 생체흡수성 마그네슘 간섭나사의 기계적 특성 원문보기 KCI 원문보기 인용

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12342(2023) 이 기사 인용

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전방십자인대(ACL)의 파열은 무릎의 안정성과 운동학에 부정적인 영향을 미칩니다. 간섭 나사(IS)는 ACL 재건 시 이식편 고정에 사용되며 이식편-뼈 통합 과정에서 환자의 활동을 견딜 수 있는 충분한 고정 강도를 제공합니다. 마그네슘은 강도와 ​​생체흡수성을 고려하여 IS 제조에 사용되는 새로운 소재입니다. 이전 연구에서 선택된 마그네슘 IS 디자인은 형상 디자인과 표면 상태로 인해 기존 IS 디자인에 비해 더 나은 고정 성능을 보여주었습니다. 본 연구에서는 생체흡수성 마그네슘 IS의 삽입(IS 구현을 위한 삽입 토크 및 회전수)과 고정 성능(풀아웃 및 동적 테스트)에 대해 테스트했습니다. IS 성능에 대한 신뢰할 수 있는 초기 평가를 얻기 위해 IS는 15개 PCF(입방피트) Sawbones 폴리우레탄 폼 블록, 17개 PCF 폼 코어가 있는 Sawbones 생체 역학 경골 모델 및 인간 사체 경골에 이식되었습니다. 폼 블록 인발 시험에는 돼지 힘줄을 사용하였고, 인대 이식재 자체의 영향을 방지하기 위해 다른 모든 시험 설정에는 나일론 로프를 사용했습니다. 풀아웃 테스트에서 이식편은 6 mm/min의 속도로 인장 응력을 받았습니다. 동적 테스트의 경우 0~200N 사이에서 1000사이클을 수행한 후 최종 풀아웃 테스트를 수행했습니다. 각 시험 후 삽입 부위의 터널 종횡비를 측정하여 터널 확장 패턴을 관찰하였다. 삽입 토크는 IS의 일반적인 삽입 토크와 삽입 전 평균 인대 장력 내에 있습니다. 폼 블록 설정에서는 나일론 로프가 돼지 힘줄보다 더 높은 인발력을 나타냈습니다. 동적 시험 후 풀아웃 및 풀아웃 모두에 나일론 로프를 사용한 각 설정을 비교한 결과 폼 블록과 카데버 설정 간에 큰 차이가 없는 것으로 나타났습니다. 그러나 모든 경골 모델 설정은 피질층의 영향으로 인해 예기치 않게 높은 인발력을 나타냅니다. 폼 블록-돼지 힘줄과 폼 블록-나일론 로프 구조 사이의 터널 확장에는 통계적으로 유의미한 차이가 없었습니다. 마그네슘 IS의 풀아웃 저항은 일상 활동 중 일반적인 ACL 장력 범위 내에 속합니다. 마그네슘 IS의 시험 결과는 골재별로 다르지만, 마그네슘 IS는 재료 파손 없이 삽입 시 적절한 고정력과 작업성을 보여줍니다.

전방십자인대(ACL)는 무릎 관절의 안정성과 운동학에 영향을 미칩니다1. ACL의 파열은 흔하며2 무릎 관절과 그 주변에 추가적인 병리학적 변화를 초래할 수 있습니다3. 간섭 나사(IS)로 이식편을 고정한 ACL의 관절 내 재건은 일반적으로 75-95%의 성공률로 수행됩니다3,7. 독일에서는 외과 의사의 81%가 IS를 사용한 고정을 선호했으며, 특히 생체 흡수성 IS(60%)를 사용한 고정을 선호했습니다. 특히 경골의 경우 실패가 주로 발생했습니다9. 영구 금속(예: 티타늄) 및 고분자 IS가 사용되었으며 임상 결과에는 큰 차이가 없었습니다10,11. 금속 IS는 이식편 손상을 일으키고 터널 확장을 유발할 수 있습니다3. 고분자 재료는 금속보다 약하며 삽입 중 나사 파손이 발생할 수 있습니다3,12.

경금속인 마그네슘은 표준 금속 재료에 대한 탁월한 대안이며 여러 특성이 연구되었습니다3,13,14. 높은 강도와 ​​결합된 생체 흡수성과 생체 적합성은 다른 재료에 비해 유리합니다. 또한, 마그네슘 합금은 기계적 특성(영률, 포아송 비)이 인간 피질골과 유사하기 때문에 골절 임플란트용 대체 생분해성 재료로 사용되어 왔습니다16. 마그네슘은 뼈에 필적하는 물질 특성과 조절된 흡수율을 보여주며, 방사선투과성이고 MRI 인공물이 적으며, 이식 후 인간에게 이식한 후 적절한 이식 고정 강도와 생분해성을 갖습니다. 재료 선택 외에도 경사면 프로파일 및 표면 상태와 같은 IS 설계 매개변수도 IS 성능에 영향을 미칩니다. 이전 연구에서 본 연구를 위해 선택된 마그네슘 IS 설계는 경사 프로파일과 표면 상태를 고려할 때 기존 IS 설계와 비교하여 유망한 결과를 가져왔습니다. 마그네슘 IS의 기계적 성능은 삽입 토크와 고정 강도라는 두 가지 매개 변수를 고려하여 평가할 수 있습니다. IS의 성능 테스트 방법은 십자인대 및 인대 재건17의 체외 테스트에 대한 지침과 유사하며 금속 의료용 뼈 나사(ASTM F543)에 대한 표준 사양 및 테스트 방법에서 채택되었습니다. 고정 강도는 풀아웃 테스트(부하-고장 테스트)와 동적 테스트를 통해 결정됩니다. 풀아웃 테스트는 5~1000mm/min 범위의 풀링 속도로 수행할 수 있습니다17. 동적 테스트는 IS 이식 구조17의 초기 반응을 평가할 수 있는 1,000주기를 통해 수행됩니다. 인대는 낮은 순환-낮은 부하 방식으로 사전 조정되어야 합니다(예: 0~50 N18 범위의 20주기). IS 테스트에는 일반적으로 폴리우레탄 폼 블록, Sawbones 경골 모델 및 인간 사체 무릎 3,4,19,20,21,22의 세 가지 재료가 사용됩니다. 나사 설계, 뼈 재료 및 테스트 설정 측면에서 테스트가 다양하기 때문에 한 테스트의 모든 결과를 다른 테스트와 비교하는 것은 어렵습니다.