Arthroplasty, which is the operation that replaces a damaged joint with the artificial implant, is one of the most frequently operated orthopedic surgeries. Up to now, many kinds of implants have been developed and used. However, implant fixation methods are categorized into two basic types: cemented and cementless. Also in cemented type, there are two kinds of concept according to surface finish: polished and rough. However, current implants have short longevity because of the stress shielding, wear debris, micromotion and so on.
In this study, the problems of current implant fixation methods were investigated and the failure cause was analyzed in a biomechanical point of view. First, the effect of stem surface roughness was investigated in cemented implant fixation. For that, the axisymmetric simple model was developed and interface micromotions were measured in vitro. In axisymmetric simple model, polished taper stem sustained more load than rough stem because polished taper stem transferred more compressive load to bone interface. According to Hoffman’s criteria, compressive load prevents the shear failure at the interface. Otherwise, excessive hoop stress of polished stem can induce the failure of cement mantle. For in vitro measurements, small and light sensors were custom-made using straingages to measure accurate interface motion. The interface micromotions were detected at the all interfaces. Even the cement-bone interface, which was considered well interlocked, showed some micromotion. Also, small amount of cracks were found at the cement mantle. However, the differences in the micromotion and cracks between the polished stem and the matt-finished stem were not significant. Next, the finite element analysis of current implant fixation methods was performed to understand more completely the biomechanics of implant system. The polished cemented fixation could be taper-locked. The polished implant was subsided into cement so that the compressive stresses at the cement-bone interface as well as the stem-cement interface were increased. In addition, more cement wear particles might be expected in the rough stem compared to the polished stem. However, the taper-locked implant causes the greater cement stress than the rough implant so that the probability of the cement failure at the polished cemented fixation is increased. In the cementless fixation, the stress shielding was observed. The stress at the implant-bone interface was not uniformly distributed.
Based on previous results, a new concept of implant fixation, named as buffered implant fixation, was suggested. It use a biocompatible buffer instead the cement to establish the taper-lock effect. It will reduce the failure probability of cement and promote bone ingrowth. In this study, PEEK was selected for the buffer as an example. The feasibility of the new buffed fixation was investigated using FEA and animal test.
The FEA results showed that the buffered implant fixation encouraged an appropriated mechanical environment. The PEEK buffer had lower failure probability than the cement and the greater compressive stress was transferred to the bone in the buffered implant fixation. Also, relatively wide distribution of the stresses was observed compared to the cementless fixation. Buffered fixation could complement the weak point of the each implant fixation. The results of animal test showed the bone volume fraction maintained with time in the buffer fixation, while decreased with time in the cement fixation. The buffered fixation showed gain in the strength with time while the cemented fixation showed reverse tendency but the difference was not significant. The buffered fixation is expected to be superior to the current implant fixations. However, further researches are necessary to improve the buffered implant fixation.
인공관절 치환술은 가장 빈번하게 시술되고 있는 정형외과 시술로 손상된 관절을 인공관절로 바꾸어 주는 시술이다. 그러나 현재까지의 인공관절들은 응력 차단 현상, 마모 입자, 미세움직임 등으로 인하여 충분한 수명을 보장하지 못한다. 인공관절의 수명을 결정하는 요소는 환자 상태를 비롯하여 인공관절 재질이나 형상 등 매우 다양하나 인공관절과 생체조직을 결합시키는 방법이 가장 결정적이고, 핵심적인 요인이 될 수 있을 것이다. 현재까지 많은 인공관절들이 개발되어 사용되고 있으나 크게 시멘트 사용방식과 시멘트를 사용하지 않는 방식으로 나눌 수 있다. 시멘트 사용 방식은 인공관절과 뼈 사이에 접착성이 강한 시멘트를 첨가하여 고정시키는 방식이고, 시멘트를 사용하지 않는 방법은 뼈가 자라 붙도록 하여 생물학적인 고정을 얻는 방식이다. 또한, 시멘트를 사용하는 방식은 인공관절 표면의 거친 정도에 따라 폴리싱 처리된 것과 거친 것으로 나뉘어진다.
본 연구에서는 현재까지의 인공관절 고정술의 문제점을 살펴보고, 그 원인을 생체역학적 관점에서 분석하고자 한다. 이를 위해 먼저, 축 대칭 간략모델을 구현하여 시멘트 사용 고정술의 표면 거칠기에 따른 효과를 살펴보았다. 그 결과, 폴리싱 처리된 모델이 거친 표면의 모델보다 큰 하중을 견딜 수 있음을 확인할 수 있었다. 그러나 큰 원환 응력에 의해 시멘트 층의 파괴가능성은 증가하였다. 그리고, 사체실험을 통해 미세움직임을 측정하였다. 기존연구들의 미세 움직임 측정은 주로 LVDT등의 큰 센서를 이용하여 측정함으로써 탄성변형량이 미세 움직임 측정에 많은 영향을 끼치는 반면, 본 연구에서는 작고 가벼운 센서를 제작하여 정확한 계면에서의 미세 움직임을 측정하고자 하였다. 미세움직임 측정결과는 표면 거칠기에 따라 유의미한 차이를 발견하지는 못하였다. 그리고, 유한요소해석을 수행하여 이러한 실험 결과에 대한 이해를 돕고자 하였다. 표면이 매끄러운 시멘트 사용 인공관절의 경우 쐐기효과가 발생함을 확인할 수 있었고, 이로 인해 뼈로 전달되는 압축응력이 증가 하였다. 그러나 쐐기효과는 시멘트 층의 응력도 증가시켜 시멘트 층의 파괴가능성이 높아졌다. 시멘트를 사용하지 않는 인공관절의 경우에는 응력 차단 현상이 관찰되었다. 즉, 인공관절과 뼈 계면에서 응력이 고르게 분포되지 못하고 좁은 영역에서 큰 힘이 걸리는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 인공관절의 문제점을 해결하고 지속적인 골융합을 통한 안정적인 고정을 얻기 위하여 새로운 인공관절 고정술을 제안하였다. 이는 인공관절과 뼈 사이에 완충재를 넣어 쐐기효과를 얻으면서 파괴 가능성도 줄이는 완충 고정술이다. 본 연구에서는 완충재의 한 예로써 PEEK를 사용하여 완충 고정술의 가능성에 대하여 검증하였다. 검증은 유한요소해석과 쥐를 이용한 동물실험을 통해 이루어졌다. 유한요소 해석결과 완충 고정술은 앞서 예상한 기계적 상황이 잘 구현될 수 있음을 확인하였다. 즉, PEEK 완충재는 시멘트 사용 고정술에 비해 파괴 가능성은 현저히 줄이면서도 뼈에 충분한 하중을 전달 시켜 주었다. 또한 시멘트를 사용하지 않는 고정술 보다 고른 하중 전달을 보여 주었다. 또한 동물실험 결과도 시멘트 사용 고정술에 견주어 오히려 유리한 결과를 보여 주었다. 비록 시편 수의 제한과 큰 분산에 의해 통계적 유의미함을 얻지는 못하였지만, 시간이 지날수록 시멘트 사용 고정술의 경우 뼈의 양이 줄어드는 데 비해 완충 고정술은 뼈의 양이 유지되고 계면의 강도도 더 강해짐을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 기존의 인공관절 고정술에 대하여 역학적인 이해를 얻고자 노력하였고, 이를 바탕으로 새로운 완충 고정술을 제안하였다. 그리고 유한요소해석과 동물실험 등을 통해 새롭게 제안된 완충 고정술이 충분한 가능성이 있음을 보여주었다. 그러나 실제 임상적용을 위해서는 좀 더 많은 연구가 필요하다. 특히, 뼈가 잘 자라 붙도록 완충재를 어떻게 보완하여야 하는지에 관한 연구나 쥐 이외에 좀 더 큰 동물에 대한 임상연구가 수행되어야 한다.
