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수술용 재료
생체 재료가 가장 많이 이용되고 있는 것은 외과계 분야이다. 외과계라고 하면 수술이다. 이 수술에 생체 재료가 눈에 띄지 않는 스탭으로서 중요한 역할을 하고 있다. 생체 재료가 없다면 수술도 할 수 없지만, 그 불가결한 수술용 생체 재료에도 여러가지 문제를 안고 있다. 본 장에서는, 골절 고정재도 수술용 재료에 포함하여 서술한다.
10.1 범용 재료
여기에서 말하는 수술용 재료란 수술시에 일시적으로 이용하는 재료이다. 이들은, 수술 실과 같이 수술후에도 체내에 상당기간 남아있는 것도 있지만 일반적으로는 메스, 가위, 겸자, 가제 등과 같이 수술시에만 이용되는 것이 많다. 메스나 가위와 같은 금속제 재료에서는 금속의 작은 조각이 체내에 옮겨지고, 천연 고무의 수술용 장갑에서는 알레르기를 일으키는 단백질이 체내에 잠입하는 일이 있어 문제가 되어 있다. 수술시에 착용하는 수술복나 캡은부직포제로 한 번 쓰고 버리는 1회용이다. 주사기의 사용도 1회에 한정 되지만, 금속제 주사침의 폐기 처리가 어렵기 때문에 보다 간단한 처리 방법이 요구되고 있다. 반드시 수술만이 아니고, 검사나 진찰에도 많이 사용되고 있는 생체 재료에 카테테르, 튜브, 수액 세트, 채혈관등이 있다. 참고로 튜브나 카테테르와 같은 종류의 사용 예측량을 진찰과별로 표 10.1에 나타냈다.
이하에, 이와 같은 범용 재료가 아니라 표 10.2에 나타내는 약간 특수한 수술용 생체 재료에 관하여 서술한다.
10.2 개발이 기대되고 있는 수술용 재료
치료의 일시적인 보조를 위해 체내에 잔류하는 수술용 재료는 원칙적으로는 흡수성인 것이 바람직하다. 왜냐하면 그 손상조직이 치유되면 이들은 불필요하게 되기 때문이다. 그런데, 실제로 현재 임상 사용되고 있는 흡수성 수술용 재료는 대부분이 봉합용에 한정되고 있다. 그 이유는 기존의 흡수성 재료의 성질이 사용 목적에 일치하지 않기 때문이다. 예를 들면, 흡수속도가 너무 낮거나 높고, 도가 너무 낮기 때문이다. 흡수성 재료에 관해서는, 이미 제 9 장이라도 서술 했기 때문에 본장과 중복되는 경우도 있다.
10. 2. 1 봉합 재료
절개부의 봉합, 관강장기의 결합, 파치류의 고정등에 봉합사, 스테플러(우리 나라에서는 일반적으로 호치키스라고 한다), 클립 등이 이용되고 있다. 이들은 모두 상처부위가 치유되어 癒合하면 불필요하다기 보다는 악 영향을 미칠 위험성이 있다. 이 때문에, 체내에 흡수되어 소멸하게 되는 것이 바람직하다. 그런데 상술한 것처럼 현재 알려져 있는 흡수성 재료는 고가, 낮은 초기 강도, 고 또는 저 흡수 속도 등 때문에 실제로 임상 사용되고 있는 흡수성 재료는 일부의 봉합사 및 스테플러 뿐이다. 모노 필라멘트 타입의 흡수성 봉합사는 2종류가 시판되고 있지만 우수한 것은 강도가 높은 Maxon(글리코리드와 트리메틸렌 카보네이트의 공중합체)이다.
X선 CT나 MRI에 지장을 주지 않는 비 금속제 스테플러나 클립이 요구되고 있지만, 그 개발이 진행되지 않는 것도, 봉합사와 동일한 이유이다. 내시경하 수술이나 혈관내 수술에서는 봉합 조작이 곤란하기 때문에 간단한 스테플러나 클립에 대한 수요가 높아가고 있다. 이것들도 흡수성 재료로 만드는 것이 바람직하다. 현재, 시판되고 있는 흡수성 클립과 스테플러의 형상을 그림 10.1에 나타낸다.
부드럽고 강도가 낮은 생체 조직의 봉합의 보조에 이용되는 프레제트는 흡수성 부직포로 만들어 판매되고 있다.
10.2.2 접착·지혈재
생체용 접착제도 이미 판매되고 있다. 그러나, 이들은 본래의 접착 목적에는 거의 사용되고 있지 않다. 이것들의 현재의 사용 목적은 피복에 의한 보강, 재료의 고정, 塞栓, 폐쇄 등이다. 혈관의 일치등에 이용되고 있지 않는 것은 접착 강도의 낮음, 상처 치유의 방해, 독성 등 때문이다. 이 점에서는, 점접합에 의해 높은 접합 강도를 얻을 수 있는 수술사에 의한 봉합은 합목적적이지만 봉합 조작에 시간을 필요로 하는 큰 결점이 있다. 점접착에서도 높은 접착 강도가 치료가 완료하기 까지의 수주간에 걸쳐 얻을 수 있고, 경화물이 유연하다라고 하는 생체용 접착제가 강하게 요구받고 있다.
접착제보다도 훨씬 다량의 지혈재가 임상 응용되고 있다. 전기 메스나 레이져 메스의 덕택으로 수술시의 출혈도 용이하게 방지할 수 있게 됐지만, 출혈 혈관이 발견 되지 않고 압박만으로는 지혈이 곤란한 부위에 대해서는 지혈재가 이용된다. 그 전형적인 예는, 간장이나 폐에 대한 지혈이다. 폐 에서의 공기 누출에도 지혈재가 이용되고 있다. 현재, 임상 사용되고 있는 지혈재는, 미 섬유상 콜라겐, 산화 셀룰로스 섬유, 피부린풀, 젤라틴 스펀지 등이다. 이들을 복합화 하여 이용하는 경우도 있지만, 가장 다량으로 이용되고 있는 것은 피부린풀이다.
피부린 풀은 그림 10.2와 같이 피푸리노겐과 트롬빈이라는 2종류의 혈액 응고계 단백질로서 구성되어 있다. 사용시에는 별도로 물을 가하여 이들의 수용액을 조제하고, 주사기에서 나오는 곳에서 2액을 혼합하여 상처부에 도포한다. 도포후, 1분간 정도 경과하면 트롬빈이 피부리노겐을 가수 분해되고 피부린의 3차원 중합이 일어나 겔화 한다. 이 겔의 접착력은 낮기 때문에 접착제로서의 피부린풀의 이용은 적다. 지혈재 로서는 흡수성의 산화 섬유소와 함께 이용하는 경우가 많다. 피푸린 풀의 원료는 인간의 혈장이기 때문에 간염 바이러스등의 사멸법이 현격하게 향상했다고는 하지만 인간의 혈
액을 필요로 하지 않는 지혈재가 바람직하다.
10.2.3 재건 보호막
손상된 조직이 자기 수복하는 것을 보조하는 재료도 수술에는 필요하다. 조직의 수복 재건이 완료하면 보조 재료는 불필요하게 되기 때문에 흡수성재료일 필요가 있다. 이 재료가 가져야할 이것 이외의 중요한 조건은 조직의 수복을 방해하지 않을 것과 적극적으로 수복을 원조하는 일이다. 즉, 생체 조직이 재생할 장소를 확보 하는 동시에 조직에의 영양이나 사이토카인의 보급로를 끊어서는 않되는 것이다. 적극적으로 원조하기 위해서는, 재건에 필요한 물질을 DDS를 이용하여 공급하면 좋다.
이와 같은 조직 재건에는 많은 보호재가 알려지고 있지만, 여기에서는 말초 신경의 접속 가이드와 치주 조직의 재건 보호막의 2가지 예에 대하여 소개한다. 이들의 모식도를 그림 10.3에 나타 냈다. 신경 가이드 튜브에 요구되는 특성은 영양 물질은 투과 시키지만 신경 종단에서 분비 되는 증식 인자는 튜브내에 보지하고, 축색이 재건할 장소를 확보 하는 일이다. 치주 조직의 재건 보호막에 대한 조건도 거의 같다.
다음에 논하는 유착 방지재도 일종의 재건 보호재이다.
10.2.4 유착 방지재
외과 수술후에 조직의 유착이 자주 일어나고 있으나, 확실하게 유착을 방지할 수 있는 재료는 아직 개발되어 있지 않다. 유착 부위에의 방지재의 고정의 곤란함, 재료의 유연함의 부족, 분해 속도의 불일치 등이 개발이 늦어지고 있는 원인이다. 이들의 문제를 해소할 수 있는 하나의 재료는 피부린 풀과 같이 출발 원료는 액상 이고 상처부위에서 불용화할 수 있는 것이다.
10.2.5 인공 혈액
혈액은 체액의 침투압이나 체온의 조절, 생체 방어, 지혈 작용 이외에 신체의 구석구석에 까지 필요물자와 정보를 운반하고 불필요한 것을 그 처리 기관 까지 운반하는 기능도 갖고 있다. 그러나, 현재 연구되고 있는 인공 혈액은 침투압을 조절하는 인공 혈장과 산소를 보급하는 산소 운반체로서의 기능만 가지고 있다. 인공 혈장으로는 이전에는 폴리비닐 필로리든 및 젤라틴 수용액이 이용됐지만 현재는 주로 덱스트란 수용액이 이용되고 있다.
산소 운반체로서 연구되고 있는 것은 헤모글로빈, 합성헴, 파브르오로 카본 등을 포함하는 액상체 이다. 헤모글로빈은 이것을 글루탈 알데히드로 가교 하여 혈중수명을 길게 하거나, 리포솜으로 마이크로 캅셀화 하는 것이 시도되고 있다. 파브르오로 카본도 유화액으로서 이용 되지만 결점은 산소 친화성이 높은 것이다. 이 때문에 일반적으로 산소 텐트속에서 사용이 되고 있다. 이들 중에서 최초로 본격적인 임상 응용에 까지 진행될 것은 가교 인간 헤모글로빈 예상되고 있다. 이를 위해서는 높은 산소 친화성, 짧은 혈중 반감기, 원료원 등의 문제를 해결하지 않으면 않되나 최근 erythropoietin(에리스로폴리에틴) 이나 크로니 자극인자(증식 촉진당 단백질) (G-CSM, M-CSF)등의 조혈 인자의 출현에 의해 자기 조혈 능력이 촉진 되게 되었다. 따라서 단지 부족한 성분을 보충한다는 수혈 요법은, 앞으로 그 기초부터 변화되리라 예상 된다.
10.2.6 혈관내 외과용 재료
수술을 받는다고 해도 큰 절개 수술이 아니라 비 침습적인 수술이 가능하다면 아주 좋을 것이다. 최근, 특히 주목을 받고 있는 수술법은 복강경하 수술이나 혈관내 수술이다. 이들은 의료비의 저감에도 연결되는 뛰어난 방법이지만, 용이하게 상상할 수 있는 것처럼 혈관내 수술은 용이하게 할 수 있는 것이 아니라, 세련된 기술과 정교한 수술 용구가 필요하다. 이 새로운 치료법은 Intervendona1 Radiology(IVR)라 하여, 방사선과에서 행해진다. 주된 목적은 젤라틴 스펀지 등을 이용하는 동맥새전술, 항암제 등을 이용하는 동주요법, 발륜 카테테르를 이용하는 혈관 형성술, 바늘 생검(Biopsy)등이다.
혈관내 수술 용구로서 가장 먼저 필요한 것은 그림 10.4와 같이 체외에서 혈관내에 삽입하는 가는 카테테르이다. 이것을 목적 부위에 보내기 위해 가이드 와이어가 필요하고, 표면은 순조롭게 카테테르를 삽입할 수 있도록 윤활성인 것이 바람직하다. 카테테르의 선단에 벌륜이 장착되어 있는 경우에는, 그 강도도 중요하다. 특히, 관동맥과 같은 혈관 형성술에 사용 하는 그림 10.4의 경우는 충분하게 고압에 견딜 수 있어야 한다. 오늘날의 벌륜 기재는 포리에치렌테레후타레이트, 저 밀도 폴리에틸렌, 나일론 등이다.
덧붙여서, 이 경피적 관동맥 형성술(PTCA)용 확장 카테테르의 시장은 표 10.1에 나타낸 64항목 중에서 수액 세트의 135억엔(1991년도)에 뒤이어 높고, 1991년도의 판매액은 125억엔에 달했다.
PTCA의 약점은 확장 처리후 3개월 이내에 약 40%의 환자에 일어나는 재협착 이다. 이 재협착에 대하여, 그림10.4에 나타낸 것처럼 스텐트를 유치함으로써 혈관경이 축소하는 것을 방지하는 시도가 이루어지고 있다. 이것이, 흡수성이 아니고 반영구적으로 혈관내에 유치되는 경우에는 우수한 혈액 적합성이 필요하다. 오늘날의 스텐트는 일반적으로 그림10.5와 같은 형상을 하고 있고, 금속제이다. 한편, 암조직, 동정맥 기형, 파열부 등에의 혈액 유입을 방지하기 위한 새전 재료도 필요하다. 표10.3에 나타낸 것은 현재, 임상 응용되고 있는 새전 재료이다. 다른 정상적인 혈관은 세전하지 않고 목적의 병변 혈관만을 새전 하는 것이 이들 재료가 담당해야할 조건이다. 그러나, 절각, 새전을 하여도 우회로(by-pass) 혈관이 신생하는 문제가 있다.
이와 같이 수술 없이 경피적으로 할 수 있는 IVR요법은 카테테르, 스텐트, 새전 재료의 개량이 계속된다면 종래의 외과 수술 방법이 대폭적으로 바뀔것이라 예상 되고 있다.
10.2.7 골절 고정재
그림10.6에 나타낸 것처럼 각종 골절부의 내고정에 플레이트, 나사, 로드, 핀, 와이어 등이 이용되고 있으니, 이들의 소재는 모두 금속이다. 가장 많이 사용 되는 것은 SUS316의 스테인레스강이고 최근에는 Ti 합금제도 많아지고 있다. 현재 인체의 내부에 매식하여 그대로의 상태로 남아 있는 인공 재료로써 가장 많은 것은 금액으로 말하면 골절 고정재 이고, 그 다음으로 많은 것이 봉합재료, 그 다음은 안내 렌즈이다.
(1) 문제점
금속제 골절고정재가 체내에 남아 있으면 다양한 문제가 생긴다, 먼저, X선에 조영 되기 때문에 본인이 싫어하는 일이다. 또, X선 CT이나 MRI와 같은 단층상을 촬영할 때, 자주. 헐레이션이 일어나고, 진단에 지장을 준다.
체내에서 분해를 받아 생성한 저분자량 PLEA사슬이 재배열하여 결정화 한 결과일 가능성이 있다.
한편, PLLA에서 사출법에 의해 성형 가공한 고정용 나사의 임상 응용예 에서도 이와 같은 2차 염증의 발생이 보고 되어 있다. 2차 염증이란 어떠한 재료를 체내에 매식하였을 때에도 발생하는 급성 염증에 대하여 그 1차 염증이 사라진 후에 천천히 일어나는 생체반응이다. 사출 성형체에 의한 2차 염증도, 전술의 중합물에서 추출하여 만들었던 경우의 원인과 거의 동일하다고 생각할 수 있다. 흥미 있는 것으로 사출 성형체의 가수 분해는 재료의 외부 보다 내부쪽이 보다 신속하게 진행하여 공동이 형성 되었다. 따라서 초기에는 하나 였던 분자량 분포의 피크도 가수 분해와 함께 2개 이상이 된다. 그림 10.8에 나타낸 것은 중합물 자체의 95주간에 걸친 가수 분해후의 분자량 분포이다. 결정화도도 가수 분해에 의해 증가했다.
우리들은, 중합물 그 자체의 절삭 가공도 사출 성형 가공도 아닌, 중합물 에서 모노머를 추출에 의해 제거하고 나서 압출성형 하여 그 압출체를 섬유화 하지 않을 정도로 연신한 후 절삭 가공에 의해 나사와 플레이트를 제작하고 있다. 연신은 분자를 배향 하여 강도와 탄성율을 높이기 위함 이다. 이 연신 조작에 의해, 그림 10.9와 같이 피질뼈에 충분히 필적하는 굽힘 강도와 굽힘 탄성율을 얻을 수 있었다. 흥미 있는 것은, 압출 연신한 PLLA의 체내 흡수는, 100% 및 0%의 결정화도를 갖는 PLLA성형품의 어느 쪽 보다도 신속하게 진행한다. 그림 10.10에 그 실험 결과, 표 10.4에 이들 성형품의 물성치를 나타냈다. 이들의 성형체는 가수분해에 의해 내부가 공동화하는일 없이 분자량 분포도 그림 10.8과 같이 87주간의 가수 분해후에도 단순하다. 동물 실험에 있어서도 2차 염증의 징후는 없었고 금속제 나사에 뒤떨어지지 않는 골절 고정을 인정받았다. 이 때문에 정형외과에서의 고정용 나사 및 구강 외과에서의 미니 플레이트와 나사로서 임상 응용되고 있다.
미니 플레이트와 나사의 형상을 그림 10.11에 보여 주었다. 그림 10.12에 나타낸 것은, 정형외과에서 PLLA나사를 사용하여 고정한 부위이다. 여기에서 볼 수 있는 것처럼 이 흡수성 나사는 재수술에 의한 제거가 곤란한 곳에 우선적으로 이용되고 있다.
PLLA 골절 고정재에 관하여 강조해 두고 싶은 것은, 흡수성이기 때문에 제거를 위한 재수술이 불필요하다는 의료적 및 경제적 이점만이 아니고, PLLA에는 피에조성이 있기 때문에 뼈의 수복도 PLLA의 존재에 의해 가속된다, 라는 흥미 있는 특징도 갖고 있는 것이다. 이 때, PLLA의 피에조성을 충분히 발휘할 수 있도록 재료를 성형 가공하는 동시에 매식도 적정한 부위여야 한다는 것은 말할 것까지도 없다.
출처 : (미소.원봉윤.삼성의료원 시설관리팀)님