인공관절은 무엇으로 만드는가?

진화하는 인공관절 이야기

연세사랑병원/고용곤 원장

인공관절 치환술을 고려하고 있거나 수술을 앞둔 사람이라면 ‘인공관절’의 소재가 궁금할 것이다. 흔히 금속 재질일 것이라는 막연한 생각을 가지긴 해도 내 몸의 일부가 될 인공관절이 구체적으로 무엇으로 만들었는지 아는 사람은 드물다. 오늘날 인공관절의 소재는 인공관절의 수명을 결정하는 중요 요건은 아니지만, 자연관절과 유사한 기능을 복원하는 데 결정적 조건이 된다. 현재 인공관절의 수명은 재료 자체보다는 디자인, 수술기법, 관절의 운동 범위와 더 관련성이 높다. 하지만 지금의 인공관절 수명이 15~20년으로 늘어나기까지 소재의 개발과 발전 측면에서 많은 성과를 이룬 것은 틀림없는 사실이다.

인공관절 사용기간을 연장해 인공관절의 혁신적인 발전과 보급을 이끈 사람은 영국의 정형외과 의사 존 찬리(John Charnley)이다. 그는 1962년 직접 고안한 폴리에틸렌 인공 고관절 시술에 성공하면서 ‘인공관절 치환술의 창시자’로 불리게 된다. 그는 부드럽게 움직이는 관절의 기능을 복원하는 동시에 마모를 늦추는 ‘인공관절의 소재’로 HMWP(High Molecular Weight Polyethylene, 고분자량 폴리에틸렌)의 개발에 성공했고, 보형물을 고정시키기 위해 접착제가 아닌 골 시멘트를 사용했다.

고분자량 폴리에틸렌의 발견은 인공관절의 수명을 연장한 첫걸음이다. 적합한 소재의 발견은 관절의 운동 범위를 확보하고 기능을 복원할 인공관절의 모양을 디자인하는 성공 요건이 되었다. 이는 인공관절을 치환하는 ‘수술기법’을 완성하는 데에도 영향을 미친다. 인공관절은 양측 관절면을 금속 재질로 만들고, 금속 재질의 보형물을 뼈 시멘트로 고정시킨 후 폴리에틸렌 보형물을 금속 관절 사이에 삽입시키는 방식이다. 현재에도 이러한 모델의 인공관절이 전 세계적으로 이용되고 있다.

무릎관절의 경우 인공관절 수술은 전치환술과 부분치환술로 나뉜다. 전치환술의 경우 3개의 관절면이 대체하게 되는데, 대퇴골과 경골은 금속 재질로 되어 있다. 경골 위에는 강하고 질긴 플라스틱 재질을 올리고, 슬개골 역시 플라스틱 재질로 만든다. 이것은 자연관절의 대퇴골, 경골, 슬개골과 유사하게 디자인할 수 있는 소재로 모든 금속 보형물과 플라스틱의 보형물이 같이 움직일 수 있도록 설계되어 보다 부드러운 움직임을 가능하게 한다. 보형물 중 금속 부분은 티타늄이나 코발트 크롬으로 만들며, 플라스틱 부분은 고분자량 폴리에틸렌을 사용한다. 이들의 합계 무게는 대략 570g 정도이다. 이 재질들은 생체에 적합한 물질이며 거부 반응이 없다. 정상적인 무릎관절의 구조를 그대로 재현해 체중 부하로 인한 하중을 견디며 자극에 유연해 마모를 늦출 수 있다.

인공관절의 소재 못지않게 중요한 부분은 대체하는 보형물을 뼈에 고정시키는 것이다. 존 찬리가 개발한 골 시멘트를 이용해 고정하는 방법은 현재까지도 사용하는데, 그 이유는 고정력이 가장 좋기 때문이다. 하지만 지금은 인공관절 신소재의 개발로 골 시멘트 없이 절제된 면에서 뼈가 자라나도록 고정시키는 방법을 혼용해서 사용한다. 이때 보형물은 뼈의 성장을 자극할 수 있는 재질로 표면 처리가 되어 있어 뼈가 안정적으로 보형물에 자라 고정하게 된다.

세월이 지나고 기술이 발전하면서 인공관절 소재도 새롭게 개발되거나 기존의 단점을 보완하면서 발전을 거듭하고 있다. 인공관절 역사에 있어 큰 기여를 했고 지금까지도 사용되는 폴리에틸렌 소재는 내마모성이 뛰어난 반면, 일단 마모가 일어나게 되면 염증반응을 일으켜 인공관절 주위의 뼈를 심하게 손상시키는 단점이 존재한다. 이것은 인공관절이 흔들리는 요인으로 작용해 결국 통증과 재수술을 유발한다. 이는 인공관절 신소재의 개발을 자극해 활발한 성과를 이끄는 요인이 되었다. 

요즘 개발된 인공관절 소재로는 기존 폴리에틸렌의 단점을 극복한 티타늄합금, 특수 플라스틱, 세라믹 등이 있다. 특히 ‘지르코늄(Zirconium)’이라는 세라믹 소재의 개발은 인공관절의 사용기간을 15~20년 정도 안정적으로 보장한다. 무엇보다 무릎을 굽힐 때 다소 불편했던 기존 인공관절의 단점을 보완해 무릎이 130도 이상 구부러지는 고굴곡형으로 디자인할 수 있게 되었다. 또 티타늄합금 소재는 뼈와 가장 유사한 성질을 가져 인체에 무해하다. 티타늄 소재는 치과에서 임플란트 구조물로 사용하는 재질이기도 하다. 이밖에 폴리에틸렌 재질의 개량형도 개발되어 기존의 단점을 극복했다.

수명이 늘고 고령화가 계속되는 이상 장수시대에 부합하는 인공관절에 대한 관심은 사라지지 않을 것이다. 만일 인공관절 수술을 앞두고 있거나 준비해야 한다면 인공관절의 소재에 대한 관심을 갖는 것이 필요하며, 수술 전 중요한 고려사항 중 하나가 되어야 할 것이다.
* 본 칼럼의 내용은 헬스조선의 편집방향과 일치하지 않을 수도 있습니다.

진화하는 인공관절 이야기

더 이상 쓸 수 없는 관절을 새 관절로 바꾸는 인공관절
더 길어진 수명, 더 스마트하게 진화하는 인공관절의 과거, 현재 그리고 미래

- 연세대학교 의과대학 졸업
- 연세대학교 세브란스병원 인턴 수료
- 연세대학교 세브란스병원 정형외과 레지던트 수료
- 연세대학교 세브란스병원 정형외과 전문의 수료
- 現 대한정형외과학회 정회원
- 現 대한정형외과 슬관절학회 정회원
- 現 연세대학교 의과대학 정형외과학교실 외래교수
- 現 연세사랑병원장

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