배경: 발목 관절염은 흔한 퇴행성 질환으로, 하퇴의 하부 경골 및 거골의 상부 연골 손상이 진행됨에 따라 병이 악화되어 관절 기능이 상실된다. 전형적인 관절염 외에도, 거골의 무혈성 괴사(talar avascular necrosis)와 같은 질환으로 인해 거골에 구조적 골 손실이 동반될 수 있다. 전(全) 거골 치환술은 말기 발목 관절염에서 선택되는 수술로, 경골(tibial) 구성요소와 거골(talar) 구성요소 및 인서트(insert)로 구성된다. 그러나 거골에 대한 연골 및 골 손상이 심하면서도 경골 연골의 손상은 상대적으로 적은 경우에는 거골 구성요소 반관절성형술(talar component hemiarthroplasty)을 고려할 수 있다. 도자(세라믹)로 전(全) 거골 치환술을 적용한 연구는 진행되어 왔으나, 금속 3D 프린팅 기술의 적용에 관한 보고는 제한적이다. 본 연구의 목적은 동물 실험을 통해 세라믹 및 티타늄 3D 프린팅 기술을 이용한 부분 거골 구성요소의 생체적합성과 안정성의 타당성을 평가하는 것이다. 방법: 수술 전 3D CT를 획득하고 이를 STL 파일로 변환하여 세라믹과 티타늄을 사용한 발목 반관절성형술용 부분 거골 구성요소를 제작하였다. 평균 17개월의 미니피그 6마리를 후지의 발목 관절에 세라믹 3개(C군)와 티타늄 거골 구성요소 3개(T군)를 이식하였다. 수술은 멸균 수술실에서 마취 하에 진행되었고, 발 및 발목 전문 정형외과 의사 2인이 수행하였다. 수술 전과 수술 후 3개월 동안 매달 혈액 분석 및 CT를 시행하여 염증 반응과 물리적 안정성의 정도를 평가하였으며, 수술 3개월 후 희생을 시행하였다. 이후 H&E 염색 및 micro-CT 분석을 수행하여 조직학적 생체적합성을 비교하였다. 두 군을 반정량적으로 평가하고 비교하기 위해 채점 점수(grading score)를 계산하였다. 결과: 수술 후 평가에서 혈액 분석 결과, 두 군 모두 수술 다음 날 백혈구 수가 증가하였다. 백혈구 수 증가는 티타늄 군이 1.85배로, 세라믹 군(1.45배)보다 더 컸다. 3개월 후에는 모든 값이 정상화되었다. 연구 기간 동안 CT 분석을 통해 모든 인공 시료가 초기 위치로부터 전위되었음이 확인되었다. micro-CT 분석에서 세라믹 인공 시료의 접착 조직 점수(adhesive tissue score)가 티타늄 시료보다 더 우수하였다(평균 threshold = 3027.18 ± 405.92). 염증 반응에 대한 조직학적 및 채점 점수에서, 세라믹 군과 티타늄 군의 평균 염증 지수는 각각 2.0과 1.21이었다. 또한 섬유조직 증식과 새로운 혈관의 결과를 바탕으로 확인된 평균 등급 점수는, 세라믹 적용 군에서 18.4, 티타늄 적용 군에서 12.3이었다. 결론: 결론적으로 티타늄과 세라믹 모두 인공 관절에 대해 우수한 생체적합성을 보였으며, 세라믹 소재는 새로운 인공 관절로 사용될 수 있다. 이러한 세라믹의 강도와 사용 가능성에 대한 추가 연구가 필요하다.

Graf 방법으로 알파 및 베타 각을 측정할 때의 핵심 쟁점에 관해 의견을 주신 Sadettin Ciftci 박사께 감사드립니다. 저희는 그의 피드백을 소중히 여겼습니다 [...].