ABSTRACT
The bone scaffold is artificial mechanical support, that is implanted on collapsed bone microstructure. The clinical field has become interested in that, because it is free of immunological rejection. However, few studies have analyzed quantitively the mechanical interaction with the surrounding bone tissue, when the bone scaffold is implanted. Thus, the purpose of this study was to analyze structural behavior variance, according to porous structures of the bone scaffold. This study set the proximal femoral head as the implantation skeletal system, and defined bone scaffolds (i.e. triangular, rectangle, circular, honeycomb) with four porous structures. Then, structural behavior variance was analyzed, caused by the implantation of bone scaffolds. As a result, it was quantitatively confirmed that a porous structure such as a normal bone that can transmit and support an external load is important.
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KEYWORDS: Bone scaffold, Proximal femur, Structural stiffness, Strain energy
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KEYWORDS: 골용 스캐폴드, 근위 대퇴골, 구조적 강성, 변형률 에너지
1. 서론
인체의 골은 손상에 대한 자가 치유 및 회복 능력을 갖추고 있는 생체 경조직(Hard Tissue)이다. 하지만 외상이나 골 질환으로 인해 골조직 손상이 심한 경우 자가 치유 능력만으로 완벽한 회복은 기대하기 어렵다. 이러한 경우 임상에서는 손상된 골조직을 제거하고 생체 재료를 이식(Transplantation)하거나 인공 재료를 삽입(Implantation)하는 치료법을 사용하고 있다. 하지만 이식법은 골 채취 부위에 결손부를 남겨 통증 및 합병증을 유발할 수 있으며, 면역 거부 반응을 일으킬 수 있다
[1]. 이러한 위험성으로 인해 최근 인공 재료의 삽입을 통한 치료법이 임상 분야에서 많은 관심을 받고 있다
[2].
인공 재료를 이용한 대표적 치료법은 골용 스캐폴드 삽입술이다. 골용 스캐폴드는 손상된 골조직 부위에 삽입되어 외부로부터의 하중을 지지하고, 주변 골세포들을 활성화하여 세포의 배양, 증식, 결합을 가능하게 하는 인공 구조물이다. 일반적으로 스캐폴드는 생체 적합성, 생분해성을 가진 재료로 제작되어 생체 내에 흡수되어 합병증이나 면역 거부 반응 문제로부터 이점을 가진다. 또한 스캐폴드의 다공성 구조는 혈관 형성을 촉진하고 세포 이동을 증대시켜 골 형성을 증가시킨다
[3].
골용 스캐폴드의 장점은 대퇴골두 관련 질환에 적극적으로 활용되고 있다. 대퇴골두는 골 질환이나 외상으로 인해 골 이식술이나 임플란트 삽입술이 빈번히 발생하는 골조직 손상의 대표적 환부이다
[4]. 예를 들어 골다공증이나 무혈성 괴사 같은 질환들은 미세 골조직을 붕괴시켜 구조적으로 취약하게 만든다. 이때 골용 스캐폴드는 손상 부위에 삽입되어 외부 하중을 지지할 뿐만 아니라 골조직을 회복시키는 역할을 한다. 이러한 장점으로 인해 대퇴골에서의 골용 스캐폴드 관련 연구들이 활발히 진행되고 있다
[5].
골용 스캐폴드 관련 연구는 주로 재료, 제작 방법, 다공성 구조의 형상에 중점을 두고 진행되고 있다. 금속, 세라믹, 천연 고분자가 대표적 스캐폴드 재료이며, 최근 PLGA (Poly Lactic-co-Glycolic Acid), PLCL (Poly Lactide-co-caprolactone)과 같은 합성 고분자도 활발히 연구되고 있다
[6]. 골용 스캐폴드 제작 방법은 크게 시험관에서 수행하는 체외(In Vitro)방법과 체내(In Vivo)방법으로 연구되고 있으며, 최근 3D 프린팅 기술의 발전과 함께 제작 방법도 다각화되고 있다
[3]. 구조의 경우 다공성을 가지는 원형
[7,
8], 삼각형
[9], 사각형
[10,
11], 벌집형
[12] 스캐폴드가 대표적이며, 최근 연근 구조, 연꽃 종자 꼬투리와 유사한 구조들도 연구되고 있다
[13,
14]. 비록 이전 연구들을 통해 골용 스캐폴드의 발전이 비약적으로 이뤄졌지만 아직까지 골용 스캐폴드가 삽입되었을 시 주변 골조직과의 역학적 상호작용에 대한 정량적 분석 연구는 미비한 상황이다.
본 연구에서는 골용 스캐폴드의 다공성 구조에 따른 대퇴골두 삽입 주변부에서의 거동 변화를 정량적으로 분석하고자 한다. 이를 위해 다공성 구조의 대표 형상들을 선정하고, 600 μm의 임상 해상도를 가지는 근위 대퇴골두에 삽입하였다. 이어서 3가지 일상 하중 조건 아래 스캐폴드 삽입 주변부의 거동을 계산하여 정상골과 정량적으로 비교하였다. 그리고 구조별 겉보기 탄성계수와 거동 변화의 관계성을 분석하였다.
2. 본론
2.1 골용 스캐폴드와 근위 대퇴골 모델
본 연구에서는 첫째, 다공성 구조의 형상을 임상에서 주로 사용되고 있는 원형, 삼각형, 사각형, 벌집형으로 선정하였다.
Fig. 1은 위의 4가지 형상들로 구성된 골용 스캐폴드를 나타내며 모두 동일한 크기(길이: 10.2, 높이: 10.2 mm)를 가진다. 다만 혈액 공급을 위한 기공의 최소 크기(0.5-1.0 mm)를 만족시키면서 동일한 면적에 많은 수를 구성하기 위해 구조별로 기공의 수를 달리하였다
[15]. 원형과 사각형 구조의 골용 스캐폴드는 총 49개(7 × 7)의 기공(지름 1.0 mm)으로 구성하였으며, 기공간 거리는 1.45 mm이다. 여기서, 원형 스캐폴드의 기공도(Porosity)는 32%이며, 사각형 스캐폴드의 기공도는 47%이다. 삼각형 구조의 스캐폴드는 80개(8 × 10)의 기공(지름 0.7 mm)으로 구성하였으며, 기공간 거리는 0.95 mm이다. 또한 삼각형 스캐폴드의 기공도는 44%이다. 벌집형 구조의 스캐폴드는(9 × 10)의 기공(지름 0.7 mm)으로 구성하였다. 기공간 거리는 1.40 mm이며, 기공도는 41%이다. 생성된 스캐폴드들은 단위 다공성 구조를 적층하였기에 서로 다른 기공도를 가진다.
Fig. 1Bone scaffold specification according to four porous structures: (a) Circle, (b) Triangle, (c) Rectangle, and (d) Honeycomb
둘째, 임상 해상도(픽셀 해상도: 600 μm)를 가지는 인공 근위 대퇴골 2차원 영상(길이: 94.20, 높이: 104.40 mm) 이용하여 골용 스캐폴드가 삽입될 대퇴골 모델을 생성하였다.
Fig. 2는 본 연구에서 사용한 근위 대퇴골 영상이다. 해당 영상은 대퇴골의 Wolff’s Law에 근거한 주요 골 구조(Principal and Secondary Compressive Groups, Principal and Secondary Tensile Groups)들을 포함하며, 외부 하중에 대한 골의 구조적 거동을 잘 표현하여 많은 연구들에서 사용되고 있다
[16-
18].
Fig. 2The site of the bone scaffold implantation in the synthetic proximal femur
2.2 스캐폴드 삽입에 따른 구조적 거동 변화 분석
본 단계에서는 유한요소해석을 통해 골용 스캐폴드가 삽입된 근위 대퇴골 모델의 구조적 거동을 계산하였다. 이를 위해 유한요소 모델은 2,153,773개의 절점과 50 μm 크기의 2,149,488개의 2차원 요소로 구성되었다. 각 요소의 밀도값(
ρi)은 영상의 픽셀값(
i.
e. 상대 골 밀도값)과 같게 부여하였다. 요소의 탄성계수(
Ei)값은 요소의 밀도값을 기반으로 이전 연구에서 제안된
변환식(1)을 사용하여 부여하였다
[19]. 요소의 포아송비(Poisson’s Ratio)는 0.3으로 동일하게 부여하였다
[20].
연구에서의 유한요소해석은 ANSYS의 Mechanical APDL 2022 R1과 개인용 데스크탑(CPU: i7-6,700 K, Ram: 64 GB, GPU: GeForce: GTX 970)을 이용하여 수행하였다. 그리고 2차원 요소는 ANSYS의 Plane 42를 이용하여 구현하였다.
대퇴골두에서 골용 스캐폴드의 3가지 서로 다른 다공성 구조에 따른 삽입 주변부의 거동 변화 분석은 총 3가지 일상 하중 조건(외발서기, 외전, 내전) 아래 분석되었다. 3가지 하중 조건은 각각 2,317, 1,158, 1,548 N의 분포 하중으로 대퇴골두 부위에 각각 부여되었고 703, 351, 468 N의 힘이 대퇴전자 부위에 각각 부여되었다
[21,
22]. 거동의 변화는 동일 하중 조건 내에서 정상 대퇴골과 스캐폴드가 삽입된 대퇴골의 변형률 에너지 차이를 통해 계산하였다. 특히 삽입된 스캐폴드로부터 상하좌우 방향으로 1.8 mm 증가된 영역을 삽입 주변부(Implantation Periphery)로 정의하여 정량적으로 분석하였다. 변형률 에너지 차이의 평균값, 표준편차, 최댓값, 최솟값을 정량적 지표로 사용하였다. 또한 다공성 구조의 강성과 거동 변화와의 관계성을 분석하기 위해 골용 스캐폴드의 겉보기 탄성계수를 계산하였다. 겉보기 탄성계수는 Superior-Inferior 방향과 Medial-Lateral 방향으로 스캐폴드 크기의 1% 변위량 압축을 통해 얻어진 반력으로 계산하였다. 해당 탄성계수는 복잡한 골 구조의 강성을 나타내는 하나의 정량적 지표로서 최근 많은 연구에서 사용되고 있다.
3. 결과 및 고찰
본 연구에서는 대퇴골두에 삽입된 골용 스캐폴드의 다공성 구조 형상에 따른 주변 골조직과의 거동 변화를 분석하였다.
Fig. 3은 일상 하중 조건하에서 스캐폴드가 삽입된 근위 대퇴골과 정상 대퇴골의 구조적 거동을 보여준다. 거시적인 관점에서 스캐폴드가 삽입된 근위 대퇴골의 거동은 정상골과 대비하여 큰 차이는 확인되지 않았다. 하지만 골용 스캐폴드 내부에서의 변형률 에너지 분포 균일성은 동일 위치에 해당하는 정상골의 분포와는 많은 차이가 발생하였다. 또한 다공성 구조별로도 상이한 내부 변형률 에너지 분포를 보였다. 특히 외발서기 하중 조건과 내전 하중 조건에서 각각 가장 많은 변화와 가장 적은 변화를 확인하였다.
Fig. 3 Comparison of strain energy among the bone scaffold-implanted and normal proximal femurs under daily activities
Table 1은 스캐폴드의 다공성 구조별 내부 변형률 에너지 분포를 나타낸다. 모든 3가지 하중 조건에 대해 원형 다공성 구조에서의 에너지 분포가 가장 균일하였으며, 벌집형 다공성 구조와 삼각형 다공성 구조가 사각형 다공성 구조보다 균일한 에너지 분포를 가졌다. 이는 사각형 다공성 구조 대비 나머지 다공성 구조들의 정렬 방향이 대퇴골두의 Principal Compressive Group과 유사하여 고관절 하중(Hip Joint Load)의 전달에 유리하기 때문에 발생한 결과로 발생한 결과로 예상할 수 있다.
Table 1 Internal strain energy distribution by porous structure of scaffold
Table 1
Load
condition |
One-legged stance |
Abduction |
Adduction |
Pore
structure |
Avg. [μJ] |
Std. [μJ] |
Max. [μJ] |
Min. [μJ] |
Avg. [μJ] |
Std. [μJ] |
Max. [μJ] |
Min. [μJ] |
Avg. [μJ] |
Std. [μJ] |
Max. [μJ] |
Min. [μJ] |
|
Circle |
2.62E+00 |
3.72E+00 |
5.63E+01 |
2.04E-03 |
1.07E+00 |
1.26E+00 |
1.95E+01 |
6.56E-04 |
4.43E-01 |
6.56E-01 |
8.63E+00 |
6.87E-04 |
|
Rectangle |
3.70E+00 |
7.60E+00 |
2.85E+02 |
8.07E-03 |
1.33E+00 |
2.21E+00 |
5.99E+01 |
3.44E-04 |
6.29E-01 |
1.33E+00 |
4.87E+01 |
1.08E-03 |
|
Triangle |
3.20E+00 |
5.80E+00 |
9.84E+01 |
2.18E-03 |
1.33E+00 |
1.82E+00 |
2.92E+01 |
5.19E-04 |
5.49E-01 |
1.15E+00 |
2.75E+01 |
2.92E-04 |
|
Honeycomb |
2.76E+00 |
5.10E+00 |
9.84E+01 |
2.17E-04 |
1.34E+00 |
2.19E+00 |
3.59E+01 |
4.06E-04 |
4.86E-01 |
7.25E-01 |
2.21E+01 |
5.80E-04 |
Bone
structure |
2.82E+00 |
2.18E+00 |
8.60E+01 |
3.30E-02 |
1.27E+00 |
7.07E-01 |
2.35E+01 |
2.65E-02 |
4.83E-01 |
4.07E-01 |
2.09E+01 |
1.77E-03 |
반면 사각형 다공성 구조의 경우 격자 구조로 인해 사선 방향으로 전달되는 고관절 하중에 불리하다. 따라서 모든 하중 조건 아래 구조들이 직교하는 부분에서 나머지 다공성 구조들보다 높은 최대 변형률 에너지와 최소 변형률 에너지가 확인되었다. 특히, 외발서기 하중 조건에서 높은 최대 변형률 에너지(2.85 μJ)와 최소 변형률 에너지(8.07 μJ)가 계산되었다. 이러한 결과들은 대퇴골두에 골용 스캐폴드 삽입 시 구조에 따라 골용 스캐폴드 내부(골수)와 외부(삽입 주변부)의 골조직 재생에 영향을 미칠 수 있음을 의미한다.
Fig. 4와
Table 2는 정상골과 스캐폴드가 삽입된 삽입 주변부에서의 변형률 에너지 차이를 나타낸다. 구조별로는 원형 다공성 구조의 스캐폴드가 모든 하중 조건에서 정상골 대비 가장 적은 거동의 변화를 보였다. 특히 근위 대퇴골의 구조적 거동을 가장 잘 표현하는 외발서기 하중 조건에서 나머지 구조들에 비해 가장 적은 거동을 보였다(평균: 4.37, 표준편차: 6.57 μJ). 반면 사각형 다공성 구조의 스캐폴드는 모든 하중 조건에서 가장 많은 거동의 변화를 보였으며, 특히 외발서기 하중 조건에서 높은 값이 계산되었다(평균: 1.14, 표준편차: 1.77 μJ). 하중 조건별로는 모든 구조에서 전체 대퇴골의 거동과 동일하게 외발서기 하중 조건에서 높은 변화와 내전에서 가장 낮은 변화를 보였다. 이러한 결과는 원형 다공성 구조의 스캐폴드가 대퇴골두 중앙부에서 정상골과 가장 비슷한 거동을 가짐을 의미하며, 사각형 스캐폴드가 가장 상이한 거동을 가짐을 의미한다.
Fig. 4 Strain energy difference in bone scaffold periphery compared to normal bone (Grey color refers to the bone scaffolds implantation site and is excluded in the difference analysis)
Table 2 The difference in strain energy between the implanted periphery of the scaffold and the normal bone
Table 2
Load
condition |
One-legged stance |
Abduction |
Adduction |
Pore
structure |
Avg. [μJ] |
Std. [μJ] |
Max. [μJ] |
Min. [μJ] |
Avg. [μJ] |
Std. [μJ] |
Max. [μJ] |
Min. [μJ] |
Avg. [μJ] |
Std. [μJ] |
Max. [μJ] |
Min. [μJ] |
|
Circle |
4.37E-01 |
6.57E-01 |
2.38E+01 |
1.19E-05 |
2.14E-01 |
2.60E-01 |
7.01E+00 |
1.01E-05 |
8.57E-02 |
1.33E-01 |
5.55E+00 |
3.76E-06 |
|
Rectangle |
1.14E+00 |
1.76E+00 |
5.94E+01 |
7.42E-05 |
3.64E-01 |
4.90E-01 |
1.23E+01 |
5.52E-07 |
2.02E-01 |
3.27E-01 |
1.28E+01 |
5.23E-07 |
|
Triangle |
5.90E-01 |
9.59E-01 |
3.84E+01 |
1.53E-05 |
2.42E-01 |
3.68E-01 |
7.04E+00 |
1.39E-06 |
1.08E-01 |
2.04E-01 |
9.46E+00 |
3.19E-06 |
|
Honeycomb |
5.15E-01 |
9.92E-01 |
3.80E+01 |
9.08E-06 |
3.04E-01 |
5.00E-01 |
1.39E+01 |
2.81E-06 |
1.24E-01 |
2.58E-01 |
1.38E+01 |
3.32E-06 |
본 연구에서는 다공성 구조의 강성과 거동 변화와의 관계성을 분석하기 위해 다공성 구조별 골용 스캐폴드의 겉보기 탄성계수를 계산하였다.
Table 3에서 확인할 수 있듯 원형 구조와 사각형 구조의 골용 스캐폴드는 압축 방향에 대해 동일한 구조로 동일한 겉보기 탄성계수가 확인되었다. 벌집형 구조의 스캐폴드 경우 Superior-Inferior 방향에 대해 겉보기 탄성계수(5.51 GPa)는 높게 계산되었지만, Medial-Lateral 방향에 대한 겉보기 탄성계수(2.96 GPa)는 상대적으로 작게 계산되었다. 삼각형 구조의 스캐폴드의 경우 상대적으로 다공성이 높아 겉보기 탄성계수가 정상골의 겉보기 탄성계수에 가장 유사하게 계산되었다. 정상골의 경우 Morgan, et al.
[23] 연구에서 계산된 대퇴골의 해면골 탄성계수의 범위(0.1-4.5 GPa)안에 존재하므로 본 연구의 정상골이 실제 골 구조와 유사성을 가진다고 말할 수 있다.
Table 3 Apparent elastic modulus of bone scaffolds according to the porous structures
Table 3
|
Axial direction |
EML [GPa] |
ESI [GPa] |
|
Circle |
6.535E+0 |
6.535E+0 |
|
Rectangle |
5.166E+0 |
5.166E+0 |
|
Triangle |
4.088E+0 |
4.726E+0 |
|
Honeycomb |
2.965E+0 |
5.551E+0 |
|
Normal bone |
3.835E+0 |
4.443E+0 |
다만 정상골 대비하여 원형 구조의 스캐폴드가 가장 큰 강성 차이를 보인 반면, 삼각형 구조의 스캐폴드가 가장 작은 차이를 보였다. 또한 정상골 대비 사각형 구조와 벌집형 구조의 스캐폴드 강성은 삼각형 스캐폴드보다 큰 차이를 보였다. 그러나 앞서 언급하였듯이 원형 구조의 스캐폴드가 가장 균일한 변형률 에너지 분포와 삽입 주변부에서 정상골 대비 가장 적은 변화를 보였다. 반면, 사각형 구조의 스캐폴드는 가장 불균일한 변형률 에너지 분포와 삽입 주변부에서 정상골 대비 가장 큰 변화를 보였다. 이러한 사실은 스캐폴드의 구조가 매우 중요한 골용 스캐폴드의 설계 요소임을 입증한다. 특히 스캐폴드의 구조가 삽입부의 실제 정상골과 흡사할수록 외부 하중을 잘 지지하고 전달하여 삽입 후 주변부와의 구조적 거동 변화도 적게 발생시킬 수 있음을 말한다.
본 연구는 다음과 같은 한계점이 존재한다. 첫째, 본 연구에서는 3가지 일상 하중 조건 하에서 거동을 분석하였다. 일반적으로 골격계의 구조적 거동은 다양한 하중 패턴에 의존할 수 있으므로 추후 복합 하중에 대한 분석이 필요하다. 둘째, 본 연구에서 600 μm의 임상 해상도를 갖는 근위 대퇴골 사용하여 구조적 거동을 분석하였다. 해당 모델은 골 미세구조를 표현하지 못해 구조적 거동을 자세하게 표현하는데 한계가 있다. 따라서 정확한 구조적 거동을 분석하기 위해서는 2차원 고해상도(해상도: 50 μm) 모델뿐만 아니라 3차원 모델을 활용한 연구가 필수적이다. 그럼에도 본 연구에서는 스캐폴드의 다공성 구조별로 거동의 차이가 발생할 수 있음을 정량적으로 입증하였다. 본 연구의 결과들을 바탕으로 위 한계점을 극복할 수 있는 추후 연구가 진행되기를 기대한다.
4. 결론
본 연구에서는 골용 스캐폴드의 다공성 구조에 따른 대퇴골두 삽입 주변부에서의 거동 변화를 정량적으로 분석하였다. 이를 위해 임상에서 주로 사용되는 원형, 삼각형, 사각형, 벌집형 다공성 구조를 갖는 스캐폴드를 선정하였으며, 600 μm의 임상 해상도를 가지는 근위 대퇴골두 중앙부에 삽입하였다. 이어서 3가지 일상 하중 조건 아래 스캐폴드 삽입 주변부의 거동을 계산하여 정상골과 정량적으로 비교 분석하였다. 그리고 구조별 겉보기 탄성계수와 거동 변화의 관계성을 분석하였다.
거시적 관점에서 스캐폴드가 삽입된 근위 대퇴골과 정상 근위 대퇴골과의 구조적 거동은 3가지 일상 하중 조건에서 모두 큰 차이는 없었다. 하지만, 스캐폴드 삽입부의 구조적 거동은 정상골과 상이하였다. 또한, 스캐폴드의 다공성 구조별로도 상이한 정도가 달랐다. 구체적으로 모든 하중 조건에서 원형 스캐폴드와 사각형 스캐폴드가 가장 균일하고 불균일한 내부 변형률 에너지 분포를 각각 보였다. 이러한 사실은 스캐폴드 삽입 주변부에도 영향을 미쳐 정상골 대비 구조적 거동의 차이를 발생시켰다. 마지막으로 정상골과 대비하여 다공성 구조별 스캐폴드의 겉보기 탄성계수의 차이는 원형이 가장 컸으며 삼각형이 가장 낮았다. 이러한 결과는 외부 하중을 전달하고 지탱할 수 있는 정상골과 유사한 구조가 중요함을 의미한다.
ACKNOWLEDGMENTS
본 논문은 2021년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2021R1I1A3043967).
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Biography
- Jun Won Choi
MS. Candidate in the Department of Mechanical Engineering, Keimyung University. His research interest is patient-specific bone scaffold design.
- Jung Jin Kim
Assistant Professor in the Department of Mechanical Engineering, Keimyung University. His research interest is biomechanical engineering based on optimization and artificial neural network.
