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Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery > Volume 43(12); 2000 > Article
Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 2000;43(12): 1283-1288.
Scanning Electron Microscopic Study on Surface and Component of Extuded Polycel TORPs and PORPs.
Chul Ho Jang, Young Ho Kim, Si Young Park
1Department of Otolaryngology, Wonkwang Medical School, Iksan, Korea. chul@wonnms.wonkwang.ac.kr
2Department of Otolaryngology, Inje Medical School, Ilsan, Korea.
탈출된 Polycel TORP, PORP의 표면과 미세성분의 변화
장철호1 · 김영호1 · 박시영2
원광대학교 의과대학 이비인후과학교실1;인제대학교 의과대학 이비인후과학교실 일산백병원2;
주제어: 탈출Polycel주사전자현미경EDS.
ABSTRACT
BACKGROUND AND OBJECTIVE: During the last decade, the surgical use of alloplasts has become more and more widespread among otologists. But extrusion has been the general problem associated in using alloplasts. This study analyzes the change of' surface and microcomponent of the extruded Polycel prosthesis following a long-term middle ear implantation.
MATERIALS AND METHODS:
Nine extruded Polycel prosthesis were investigated using scanning electronmicroscopy (SEM) and energy dispersive spectrometer (EDS).
RESULTS:
They all showed a severe resorption of fibrous encapsulation and partial resorption of the shaft which faced stapes and footplate. The carbon component decreased and nitrogen and oxide increased more than the original Polycel due to microdegradation.
CONCLUSION:
Consistent microdegradation and resorption may be one of the factors causing extrusion of Polycel.
Keywords: ExtrusionPolycelSEMEDS

서     론


   만성 중이염에서 이소골 재건술에 사용되는 재료는 자가 이소골, 동종 이소골, 합성 이소골이 사용되어 왔다. 자가 이소골의 경우 진주종이나 육아조직에 의해 골 파괴가 심할 경우 사용이 곤란하다. 또한 최근 들어 후천성 면역 결핍증이 증가하면서 동종 이소골은 사용이 현저히 줄어들고 합성 이소골의 사용이 증가하고 있다.
   합성 이소골의 종류에는 Polycel, hydroxyapatite, bioglass, titanium등이 있으나 경제-효과적(cost-effectiveness)인 측면에서 Polycel이 가장 널리 사용되고 있다.1) Polycel은 기존의 다른 유공성 재료보다 훨씬 간편하고 자가면역반응이 적은 초고분자 유공성 polyethylene이다.
   이러한 합성 이소골을 사용했을 때 수술후 단기간은 청력개선이 좋으나 장기간의 시간이 지날수록 청력이 감소되는 경우가 있으며2-4) 이러한 례들은 대다수 이소골 연쇄에서 이탈되거나 고막 천공이 동반된 경우 탈출(extrusion)되게 된다.
   이러한 탈출을 일으키는 원인들은 수술수기, 감염, 조직반응, 이관 기능의 불량 등에 의하나 자세한 연구는 적은 실정이다.5) Kuijper와 Grote6)의 실험에 의하면 proplast 합성 이소골은 이소골 이식후 3~4주 안에 섬유성 피막을 형성한다고 하며 Park 등7)의 Polycel을 사용한 연구에서도 4주 안에 Polycel은 얇은 섬유성 피막을 형성하였다고 하였다.
   그러나 이러한 실험들은 이식후 1~4주 사이의 단기간동안 조직학적 측면에서 관찰한 것으로 중이강에 Polycel 이식후 1년 이상 지난, 장기간 관찰된 연구들은 Makino 등8)의 연구만 있을 뿐 거의 없는 실정이다.
   본 연구의 목적은 이소골 수술후 최저 1년 이상 지나 탈출된 Polycel TORP(total ossicular replacement prosthesis), PORP(partial ossicular replacement prosthesis) 표면의 미세한 변화와 미세성분의 변화를 분석하여 탈출의 요인을 알아보고자 하였다.

재료 및 방법

   1992년 3월부터 1999년 2월까지 Polycel TORP, PORP를 사용하여 이소골 재건술을 시행하고 1년 이상 경과된 환자중 장기간 추적 관찰중 고막 천공을 보이고 탈출된 9예(TOPR 4예, PORP 5예)를 대상으로 하였으며(Table 1), 대조군으로는 이소골 수술시 길이 측정후 제거된 불필요한 5예의 TORP shaft 일부를 사용하였다.
   주사전자현미경 관찰을 위해 재수술시 수집된 9예의 Polycel들과 대조군 Polycel들은 2.5% glutaraldehyde(pH 7.2)에 3~4시간 전고정하고 1% osmium tetroxide로 1시간 동안 후고정하였으며 고정이 끝난 후 탈수과정을 거쳐서 isoamylacetate로 치환시켰다. CO2를 이용한 임계점 건조기(Polaron E 3000, USA)를 사용하여 critical point에서 건조한 다음 금을 입힌 후 주사 전자현미경(Hitachi X-650, Japan)을 사용하여 Polycel의 표면을 관찰하였으며, Polycel의 미세 성분 분석은 주사현미경에 부착된 에너지 방출 X-ray 분광분석기(Energy dispersive X-ray spectrometer:Oxford, X-650, UK:이하 EDS라칭함)를 사용하였으며 Polycel 전체에 X선을 겨냥하고 조사하여 X선의 에너지를 흡수한 입자가 흥분상태로 되었다가 원래의 상태로 돌아올 때 방출하는 고유 파장의 전자파를 탐지하는 방법으로 주성분인 탄소(carbon)성분, 질소(nitrogen)성분, 산소(oxide)성분을 분석하고 정상과 비교하였다.

결     과


   주사전자현미경 소견상 탈출된 합성중합체의 표면은 중이점막상피는 전례에서 보이지 않고 섬유성 피막도 대다수 흡수되어 있었다. 등골과 연결되었던 PORP의 표면은 일부 흡수되어 있었다(Fig. 1A and B). TORP과 PORP의 platform의 섬유성피막은 거의 흡수된 소견을 보였으며 platform과 shaft의 연결부위의 섬유성 피막은 박리되어 있었다(Fig. 2A, B and C). EDS의 소견은 정상 합성중합체의 미세성분은 탄소성분이 46.8%, 질소 17.88%, 산소 4.06%이었으나 평균기간이 1.5년인 3예에서는 탄소성분이 40.92%였으며 질소성분은 23.54%, 산소성분은 5.32%이었으며 평균기간이 2.2년인 6예에서는 탄소성분 34.14%, 질소성분 33.91% 산소성분 12.64%를 보여 중이강에 유치 기간이 길수록 탄소성분은 감소되고 질소와 산소 성분은 증가되었다(Fig. 3A, B and C).

고     찰


   Polycel은 Proplast에 비해 porous polyethylene을 고열처리 및 응고하여 만든 것으로 크기가 250 um인 미세구멍이 전체 부피의 70~80% 이상으로 구성된 합성중합체이다. Causins 등,9) Park 등7)의 연구에 의하면 쥐의 중이강 내에 이식한지 1주일 내로 섬유성 조직이 자라 들어간다고 하며 4주 이내에 Polycel 주위에 염증세포가 없는 섬유성 피막을 형성한다고 하였다. 이러한 섬유성 피막은 섬유아세포를 주축으로 하는 결합조직 세포들이 이물재료에 대한 반응으로 형성된 세포섬유성 결합조직이다. 이는 주변조직과의 마찰을 방지하고 혈액 등을 통과 시켜 주며 결국 장기간 후에는 중이강내의 점막상피가 덮게 되어 무엇보다도 재건된 이소골의 연쇄상태를 유지하며 이탈을 방지할 것으로 추정된다. 이러한 연구들은 Postma와 Shea10)가 Plastipore를 대상으로 한 연구 결과와 비슷하다. 그러나 장기간 관찰된 연구 결과는 Merchant와 Nadol 11)이 연구한 4예의 측두골 조직보고 이외에는 거의 없다.
   Merchant와 Nadol은 3예의 TORP와 1예의 PORP를 관찰하였다. 3예의 TORP는 술후 감염 없이 3~4년까지 지속되어 표면은 섬유성 피막과 중이점막으로 덮여 있었고 미세구멍은 섬유아세포, 형질세포, 림프구, 대식세포와 이물반응 거대세포가 폭넓게 침윤되어 있었으며 특히 거대세포는 TORP의 지속적이고 활발한 흡수를 의미한다고 하였다. 1예에서는 TORP의 platform은 부분 흡수되고 섬유성 조직으로 대치되어 있는 것을 관찰하였다. 따라서 이물반응 거대세포에 의한 porplast의 micro-degradation은 시간이 증가함에 따라 증가한다고 하였다. Palva 등12)과 Smyth13)는 결국에는 Proplast TORP나 PORP는 dissolution을 초래하고 미세골절을 일으킨다고 하였다. 그러나 Makek 등14)과 Shea 등15)은 Proplast TORP, PORP은 micro-degradation에 의한 큰 영향을 받지 않는다고 하여 논란이 있었다.
   탈출의 중요한 요인들에는 이관 기능 부전에 의한 고막의 함몰 및 술자의 수술 수기에 따른 prosthesis 길이 조절의 실패로 인한 고막의 압력괴사 등이 알려져 있다. 이관 기능이 안좋은 경우 대다수 3개월에서 6개월사이에 고막의 함몰이 나타나서 중이 환기관 삽입을 해야한다. 본 연구 대상들은 중이강 평균 유치기간이 1.5년 이상이었고 탈출 직전까지 고막의 함몰은 보이지 않았다. 또한 저자들은 수술시 prosthesis 길이를 만들 때 시간의 경과함에 따라 고막이식을 위한 측두근막이 얇아질 것을 대비하여 measuring rod에 의한 측정 길이보다 약간 짧게 조절하였으며 고막의 압력괴사를 방지하고자 9예중 5예에서는 이주연골 보다는 약간 얇은 이륜 연골을 prosthesis와 측두근막 사이에 위치시켰다. 따라서 본 연구 결과에서 나타난 이러한 상피와 섬유성 피막의 파괴는 이소골의 연쇄 상태를 불안정하게 하여 소리 에너지 전달시 발생하는 고막과 prosthesis의 진동에 의해 결국 탈출을 초래할 것으로 생각된다. 이에 대해서는 고막과 prosthesis 진동에 관한 연구가 이루어지면 확실히 밝혀지리라 생각된다.
   Makino 등8)의 보고에 의하면 탈출된 prosthesis 표면에서 섬유성 피막의 파괴가 심하지 않아서 본 연구 결과와 차이가 있었지만 Makino는 단 1예의 prosthesis만을 주사전자현미경하에서 표면을 연구하였기 때문에 너무 연구대상이 적어 문제점이 있다.
   Jahnke 등16)의 보고에 의하면 합성 중합체가 중이강내에 이식된 후부터 지속적인 중이조직의 물리화학적 자극이 일어나며 이러한 자극에 의해 이식된 합성중합체에서 미립자들이 분해되어 나와 생체적합성을 감소시키는 주원인이 된다고 한다. 또한 Park 등7)은 Polycel과 같은 다공성 물질인 경우 표면적이 넓기 때문에 여러 단량체(monomer)나 첨가물 등의 미량원소들이 장시간 동안 녹아 나와 조직구, 식세포, 거대세포 등의 침입을 조장할 가능성도 있다고 하였다.
   일반적으로 생체에 이식된 합성중합체는 수분 용해성 생분해(hydrolytic biodegradation)과 산화성 생분해(oxidative biodegradation)에 의한 생화학적 분해를 일으키게 된다.17)
   수분 용해성이 높은 합성 중합체들은 polyester, polyester urethanes, polyamide등이며 Polycel은 polyethylene이기 때문에 주로 산화성 생분해에 의한다.
   산화성 생분해는 이식 부위의 손상이나 이물 반응의 결과로 인하여 모여든 식세포에서 분비되는 물질에 의해서 야기된다. 식세포중에서 호중구와 대식세포(macrophage)는 산소를 superoxide anion(O2+)으로 변화시킨다. 이 중간 단계의 불안정 물질은 직접 또는 더욱 강력한 산화제로 변화해서 합성중합체의 분해를 유발하게 된다.18) 또한 이러한 superoxide anion은 합성중합체를 덮고 있는 상피 및 섬유성 피막을 파괴하며 Polycel과 고막 사이에 놓인 연골도 파괴하여 결국 고막 천공을 일으키고 탈출의 요인의 하나로 작용할것으로 생각된다.
   EDS는 생체 합성 물질의 미량원소들을 분석하는데 있어서 우수하기 때문에 인공관절 등의 연구에 널리 사용되고 있다.19) 대조군으로 이소골 수술하고 장기간 후에도 잘 유지되고 있는 Polycel을 사용하는 것이 이상적이나 잘 유지되고 있는 합성 이소골을 제거할 이유가 없으며, 또한 연구를 위해 제거시 문제되는 윤리적인 측면 때문에 본 연구에서는 이소골 수술시 길이 측정후 제거된 불필요한 5예의 TORP shaft 일부를 대조군으로 하였다. EDS 분석결과 탄소는 시간이 갈수록 감소하였으며 질소와 산소 성분은 증가되었다. 이는 산화성 생분해에 의하며 합성중합체에서 유리된 탄소성분은 호중구와 대식세포를 자극할 것으로 생각된다.
   Merritt 등19)에 의하면 생체 이식된 물질의 표면은 딱딱한 표면의 물체보다 다공성 물질(porous material)에 세균 유착 및 군락형성이 잘 된다고 한다. 또한 금속의 표면은 표면 에너지가 높고 친수성인데 합성중합체는 표면에너지가 낮고 소수성이다. 여러 실험 결과 세균이 표면 에너지가 낮거나 미미하며 소수성인 Teflon, Polyethylene에 가장 잘 붙었다고 한다.20)
   따라서 Polycel을 사용한 이소골 재건술후 이관의 기능이 좋지 않아 술후 감염되거나 또한 일차 수술시 이소골 재건술을 동시에 시행한 경우 중이강내에 육아조직이나 진주종이 완전히 제거 되지 않으면 합성중합체에는 감염되어 섬유성 피막이 파괴되고 이탈을 일으키고 결국 탈출을 일으킬 것으로 생각된다. 본 연구에 사용된 증례들 중 4예에서 병력 조사상 1~2회의 이루를 경험한 적이 있어 염증이 상호작용했을 것으로 사료된다. 그러나 5예에서는 이루의 병력은 없었기 때문에 결국 지속적인 산화성 분해작용에 의한 것으로 사료된다.

결     론


   시간이 경과할수록 발생하는 microdegradation과 상피와 섬유성 피막의 흡수는 Polycel을 사용한 이소골 성형술후 탈출의 요인의 하나로 추정되며 향후 고막과 prosthesis 진동이 탈출에 미치는 추가 연구들이 필요할 것으로 사료된다.


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