KR102423076B1 - 골 재건을 위한 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 골 재건을 위한 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 난치성 골 결손인 외상성 복합 골절, 두경부 악성종양 수술 후 하악골 결손 등의 질환을 겪는 환자의 미용적, 기능적 회복을 위해 금속 소재와 생분해성 소재를 이용한 하이브리드 구조체에 관한 것이다. 본 발명의 일 양상인 골 재건을 위한 하이브리드 구조체에 있어서, 생분해성 물질로 제조된 제 1 구조체; 및 상기 제 1 구조의 적어도 일부 영역에 접촉하여 배치되고, 금속성 물질로 제조된 제 2 구조체;를 포함하되, 상기 제 1 구조체는 상기 골 재건 이후의 자가 조직 재건을 유도하고, 상기 제 2 구조체는 외부에서 상기 하이브리드 구조체에 가해지는 응력을 분산시킬 수 있다.

Description

골 재건을 위한 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체{Biomechanical stress adaptive hybrid scaffold for bone reconstruction}

본 발명은 골 재건을 위한 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 난치성 골 결손인 외상성 복합 골절, 두경부 악성종양 수술 후 하악골 결손 등의 질환을 겪는 환자의 미용적, 기능적 회복을 위해 금속 소재와 생분해성 소재를 이용한 하이브리드 구조체에 관한 것이다.

현재 골 재건하는 기술은 크게 자가 뼈를 이용한 구조체 이식, 인공소재를 이용한 구조체 이식 두 가지 방법이 있다.

그러나 현 기술은 뼈 구조체의 적합한 재료와 필수조건 부족, 표면 특성 획일화, 재료가 제한적 이라는 문제점을 가지고 있다.

구체적으로, 뼈의 종류 및 나이, 건강상태, 신체 부위에 따른 변화에 대한 상대밀도, 연신율, 탄성계수, 최대인장강도와 같은 기계적 특성이 변하고, 최근 많이 사용하고 있는 폴리머 소재는 합성 및 제조공정에서 생기는 화학물질로 인한 조직에 대한 손상이 나타날 수 있는 부작용이 있다.

또한, 대체되는 뼈 구조체는 기존의 뼈와 유사하게 세포가 잘 부착되어 증식하며 분화될 수 있도록 적합한 표면을 가져야 구조체 표면의 생체 활동도와 골전도를 제어할 수 있는 영향요소가 되는 문제점도 있다.

또한, 현재 사용하고 있는 인공소재를 사용한 구조체 이식은 금속 및 합급을 이용한 대체품을 사용하고 있으나 이는 기계적 특성과 재형성 및 자가 보수의 능력이 낮다.

또한, 세라믹을 이용한 구조체는 골세포와 함께 높은 세포적합성을 가지고 있으며 뼈 내의 성분과 유사점을 나타내고 있어 기대치가 높지만 세라믹의 기계적 특성과 특히 취성(Brittleness)과 구조물 성형에 제한적이기 때문에 사용 시 어려움이 크다.

따라서 이러한 종래의 문제점을 해소하기 위한 방안이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 특허청 등록번호 제 10-1687634호 대한민국 특허청 등록번호 제10-1719576호

본 발명의 목적은 골 재건을 위한 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체를 사용자에게 제공하는 것이다.

구체적으로 본 발명은 난치성 골 결손인 외상성 복합 골절, 두경부 악성종양 수술 후 하악골 결손 등의 질환을 겪는 환자의 미용적, 기능적 회복을 위해 금속 소재와 생분해성 소재를 이용한 하이브리드 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상인 골 재건을 위한 하이브리드 구조체에 있어서, 생분해성 물질로 제조된 제 1 구조체; 및 상기 제 1 구조의 적어도 일부 영역에 접촉하여 배치되고, 금속성 물질로 제조된 제 2 구조체;를 포함하되, 상기 제 1 구조체는 상기 골 재건 이후의 자가 조직 재건을 유도하고, 상기 제 2 구조체는 외부에서 상기 하이브리드 구조체에 가해지는 응력을 분산시킬 수 있다.

또한, 상기 제 2 구조체는 다공성 구조이고, 상기 다공성 구조를 이용하여 상기 자가 조직 재건을 추가적으로 유도할 수 있다.

또한, 상기 제 2 구조체는 상기 자가 조직 재건 이후에 상기 하이브리드 구조체로부터 분리 가능할 수 있다.

또한, 상기 제 1 구조체의 적어도 일부가 상기 제 2 구조체로 삽입되어 상기 제 2 구조체가 상기 제 1 구조체의 적어도 일부를 감싸는 구조로 상호 결합할 수 있다.

또한, 상기 제 2 구조체는 복수의 기둥 형태이고, 상기 제 1 구조체가 상기 제 2 구조체의 적어도 일부를 감싸는 구조로 상호 결합할 수 있다.

또한, 상기 하이브리드 구조체는 하악골 및 장골 중 적어도 하나의 재건을 위해 이용될 수 있다.

본 발명은 골 재건을 위한 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체를 사용자에게 제공할 수 있다.

구체적으로 본 발명은 난치성 골 결손인 외상성 복합 골절, 두경부 악성종양 수술 후 하악골 결손 등의 질환을 겪는 환자의 미용적, 기능적 회복을 위해 금속 소재와 생분해성 소재를 이용한 하이브리드 구조체를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 기술을 통하여 인체 내부에서 면역반응, 세포독성이 적으며, 생체적으로 적합하며 부분 기능성 소재를 추가하여 제작하고, 세포와 조직 성장 속도와 맞도록 생분해될 수 있도록 하고, 적절한 기계적 강도를 가지며 기존의 상처 입은 부위를 대체하기 어려웠던 점을 극복할 수 있다.

또한, 본 발명은 공극 모양, 공극율, 부피비와 크기 등 다양한 요소를 이용하여 뼈 지지체 구조의 분해속도와 기계적 특성 및 세포/조직, 혈관등의 효율적인 네트워크 구성을 조절 가능하도록 할 수 있다.

본 발명에서 제안하는 구조체 및 골 재건 방법은 기존의 재건 방법의 문제점을 하이브리드 구조체를 통해 해결이 가능하며, 이는 기존의 방법보다 부작용이 없는 방법으로 여겨진다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1a는 골 재건이 필요한 환자의 두개골 일례를 도시한 것이고, 도 1b는 골 재건이 필요한 환자의 장골 일례를 도시한 것이다.
도 2는 종래의 골 재건에 이용되는 생분해성 소재를 이용한 구조체의 일례를 도시한 것이다.
도 3은 종래의 골 재건에 이용되는 금속소재를 이용한 구조체의 일례를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명이 제안하는 골 재건을 위한 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체의 일례를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명이 제안하는 골 재건을 위한 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체의 다른 일례를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명이 제안하는 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체가 하악골 및 장골에 적용되어 골 재건이 완료된 일례를 도시한 것이다.
도 7은 은 본 발명이 제안하는 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체를 통해 하중(응력)이 분산되는 것을 확인하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따라 응력 기반으로 환자 맞춤형 하이브리드 골지지체를 적용하는 것을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.

현재 하악골 등의 재건 방법은 단일소재를 사용하는 방법, 종아리뼈 유리 피판을 이용한 방법이 있다.

여기서 단일소재를 사용하는 방법에는 크게 두 가지 금속소재, 생분해성소재를 각각 이용하는 방법이 있다.

그러나 방법들은 많은 문제점을 가지고 있는데 첫째, 금속소재만을 이용할 때 접합부의 골 마모, 파손, 골수 부분 부작용과 무거운 이질감 등이 있다.

둘째, 생분해성소재만을 이용할 때 저작 중 재 골절, 파손 그리고 접합부분이 취약해진다.

구체적으로, 티타늄 재료는 정형외과 및 성형외과 등 다양한 외과 수술 현장에서 뼈 재건과 관련하여 가장 널리 사용하는 재료중 하나이나 티타늄 재료는 수술 후 돌출되어 튀어 나오는 경우가 빈번히 발생한다.

이는 주변 조직과의 융합이 제대로 일어나지 않아서 발생하는 현상으로, 주변 뼈나 연조직과의 기계적 강도의 불일치로 인한 이유가 크다.

특히, 하악골의 경우 저작 활동으로 인해 강한 힘이 부가되는 부분으로 티타늄 재료의 사용이 필수적이나, 하악골의 특성상 하악골 재건 후 치조골 재건 및 치과용 임플란트가 식립되어야 하는 경우가 있는데, 이때 티타늄으로만 제작되는 경우 임플란트 식립이 불가한 어려움이 있다.

따라서, 힘을 받는 부위와 자가 골이 재생되어야 하는 부분을 구분하여 두 가지 서로 다른 재료가 하이브리드 되어야 하는 필요성이 크게 대두되고 있다.

도 1a는 골 재건이 필요한 환자의 두개골 일례를 도시한 것이고, 도 1b는 골 재건이 필요한 환자의 장골 일례를 도시한 것이다.

도 1a를 참조하면, 암에 의한 하악골 결손(10) 등으로 인해 골 재건이 필요한 환자의 두개골 일례를 도시한 것으로, 미용적 회복 및 기능적 회복을 위한 골 재생이 필요하다.

현재 하악골 재건술은 종아리뼈 유리 피판을 이용한 이식술이 이용되고 있으나 추가적인 수술이 필요하고(경제적 문제 발생), 보행 시 하지 통증이 발생하며(심할 경우 합병증 발생), 인위적인 하악 굴곡 형태 재건의 한계가 있다는 문제점이 있다.

다음으로, 도 1b를 참조하면, 골 재건이 필요한 환자의 장골 일례를 도시한 것인데, 장골 결손 환자의 재건에 있어, 단순한 bone graft는 불가능하고, Fibular bone을 사용할 수 밖에 없으며, 결과적으로, 매우 얇은 뼈만 남는다는 종래의 문제점이 있다.

또한, 외형적으로도 얇아지는 현상이 나타나고, Tibia bone은 골이식 공여가 될 수 없으므로, 현재 재건술은 강도는 약하더라도 fibular bone을 적용할 수 밖에 없어 장골 재건을 위한 의료기기의 개발이 필요한 상황이다.

도 2는 종래의 골 재건에 이용되는 생분해성 소재를 이용한 구조체의 일례를 도시한 것이다.

도 2에 도시된 생분해성 단일소재(20)는 저작 중 스캐폴드 파손 우려가 있고((약한 강도), 접합부분이 취약하다는 문제점이 있다.

또한, 도 3은 종래의 골 재건에 이용되는 금속소재를 이용한 구조체의 일례를 도시한 것이다.

도 3에 도시된 금속 단일소재(30)는 접합부의 골 마모가 발생하고, 접합부 골 파손의 우려가 있으며, 무거운 이물감이 발생하고, 골수 부분에 부작용이 나타난다는 문제점이 있다.

따라서 본 발명에서는 이러한 종래의 문제점을 해소하고자 골 재건을 위한 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체를 사용자에게 제공하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로 본 발명은 난치성 골 결손인 외상성 복합 골절, 두경부 악성종양 수술 후 하악골 결손 등의 질환을 겪는 환자의 미용적, 기능적 회복을 위해 금속 소재와 생분해성 소재를 이용한 하이브리드 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 4는 본 발명이 제안하는 골 재건을 위한 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체의 일례를 도시한 것이다.

도 4를 참조하면, 금속소재(30)와 생분해성소재(20)를 이용하여 하이브리드 구조체(100)는 생체 재료 부분(20)은 자가 조직 재건을 유도하고, 금속 재료 부분(30)은 조직 재건까지 하중(응력)을 견디는 프레임으로 작용할 수 있다.

또한, 하이브리드 구조체(100)의 금속 재료 프레임(30)도 다공성 구조로 제작하여 조직과의 결합을 유도할 수 있다.

더 나아가 자가 조직 재건이 완료된 경우, 필요에 따라 재건 조직의 외부 프레임(금속, 30)은 제거 가능하도록 제작 가능하다.

도 5는 본 발명이 제안하는 골 재건을 위한 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체의 다른 일례를 도시한 것이다.

도 4에서는 생분해성소재(20)를 내부에 두고, 금속소재(30)가 생분해성소재(20)를 감싸는 구조체로 제작하여 생체 재료 부분(20)은 자가 조직 재건을 유도하고, 금속 재료 부분(30)은 조직 재건까지 하중(응력)을 견디는 프레임으로 기능한다.

또한, 도 5에서는 금속소재(30)를 내부에 복수의 기둥 형태로 제작하고, 생분해성소재(20)가 내부의 금속소재(30)를 감싸는 구조체로 제작하여 생체 재료 부분(20)은 자가 조직 재건을 유도하고, 금속 재료 부분(30)은 조직 재건까지 하중(응력)을 견디는 프레임으로 기능한다.

도 6은 본 발명이 제안하는 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체가 하악골 및 장골에 적용되어 골 재건이 완료된 일례를 도시한 것이다.

도 6의 (a)를 참고하면, 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체가 하악골에 삽입되어 재건에 성공한 일례가 도시되고, 도 6의 (b)를 참고하면, 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체가 장골의 일부 영역에 삽입되어 재건에 성공한 일례가 도시되어 있다.

도 7은 은 본 발명이 제안하는 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체를 통해 하중(응력)이 분산되는 것을 확인하기 위한 도면이다.

도 7의 (b)를 참조하면, 도 7의 (a)와 대비하여 하이브리드 스케폴드(100) 이식 시, 하중(응력)이 분산됨을 확인할 수 있다.

또한, 도 8은 본 발명에 따라 응력 기반으로 환자 맞춤형 하이브리드 골지지체를 적용하는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명에서는 응력 기반 환자 맞춤형 골지지체(100) 설계가 가능하다.

즉, 실제 뼈와 동일한 기계적 특성을 갖도록 그물망과 고체의 복합 구조를 갖는 하이브리드 스캐폴드(100)가 적용될 수 있다.

또한, 강도 기반 금속 스캐폴드 옵션을 선택적 적용(Ti, STS)함으로써, 신체 각 부위에 최적화된 구조체(100)를 적용하는 것이 가능하다.

따라서 본 발명은 골 재건을 위한 생체역학적 응력 적응형 하이브리드 구조체를 사용자에게 제공할 수 있다.

구체적으로 본 발명은 난치성 골 결손인 외상성 복합 골절, 두경부 악성종양 수술 후 하악골 결손 등의 질환을 겪는 환자의 미용적, 기능적 회복을 위해 금속 소재와 생분해성 소재를 이용한 하이브리드 구조체를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 기술을 통하여 인체 내부에서 면역반응, 세포독성이 적으며, 생체적으로 적합하며 부분 기능성 소재를 추가하여 제작하고, 세포와 조직 성장 속도와 맞도록 생분해될 수 있도록 하고, 적절한 기계적 강도를 가지며 기존의 상처 입은 부위를 대체하기 어려웠던 점을 극복할 수 있다.

또한, 본 발명은 공극 모양, 공극율, 부피비와 크기 등 다양한 요소를 이용하여 뼈 지지체 구조의 분해속도와 기계적 특성 및 세포/조직, 혈관등의 효율적인 네트워크 구성을 조절 가능하도록 할 수 있다.

본 발명에서 제안하는 구조체 및 골 재건 방법은 기존의 재건 방법의 문제점을 하이브리드 구조체를 통해 해결이 가능하며, 이는 기존의 방법보다 부작용이 없는 방법으로 여겨진다.

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

Claims (6)

1. 골 재건을 위한 하이브리드 구조체에 있어서,
   생분해성 물질로 제조된 제 1 구조체; 및
   상기 제 1 구조체의 적어도 일부 영역에 접촉하여 배치되고, 금속성 물질로 제조된 제 2 구조체;를 포함하되,
   
   상기 제 1 구조체는 상기 골 재건과 관련된 세포와 조직의 성장에 대응하여 생분해됨으로써, 상기 골 재건 이후의 자가 조직 재건을 유도하고,
   상기 제 2 구조체는 외부에서 상기 하이브리드 구조체에 가해지는 응력을 분산시키며,
   
   상기 제 1 구조체 상의 공극 모양, 상기 공극이 존재하는 비율 및 상기 하이브리드 구조체 기준 상기 제 1 구조체의 부피비를 이용하여 상기 제 1 구조체의 생분해 속도가 조절 가능하고,
   
   상기 제 2 구조체는 다공성 구조이고,
   상기 다공성 구조를 이용하여 상기 자가 조직 재건을 추가적으로 유도하며,
   
   상기 제 2 구조체는 상기 자가 조직 재건 이후에 상기 하이브리드 구조체로부터 분리 가능하고,
   
   상기 제 1 구조체의 적어도 일부가 상기 제 2 구조체로 삽입되어 상기 제 2 구조체가 상기 제 1 구조체의 적어도 일부를 감싸는 구조로 상호 결합하며,
   
   상기 제 2 구조체는 복수의 기둥 형태이고,
   상기 제 1 구조체가 상기 제 2 구조체의 적어도 일부를 감싸는 구조로 상호 결합하며,
   
   상기 제 2 구조체는, 그물망 구조와 Ti(Titanium) 및 STS(STAINLESS STEEL)를 포함하는 복합 구조물을 더 포함하고,
   
   상기 하이브리드 구조체는 하악골 및 장골 중 적어도 하나의 재건을 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구조체.
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