Bioactivated lubricant-infused surfaces: A dual-action strategy for enhancing osseointegration and preventing implant-associated infections

연구 배경

임플란트 관련 감염은 세균이 임플란트 표면에 부착해 생물막을 형성하면서 발생하며, 논문은 정형외과 임플란트 시술의 감염률을 1~5%, 논문은 정형외과 임플란트 시술의 감염률을 1~5%로 인용하며, 복합 개방골절 내고정에서는 20%를 넘을 수 있다고 적고 있습니다. 폴리에틸렌글리콜, 쌍성이온 고분자 같은 수화 고분자 코팅은 정형외과 수술의 기계적 손상에 취약하고, 초소수성 표면은 갇힌 공기가 용해되면 반발성을 잃습니다. 미끄러운 액체 주입 다공성 표면을 응용한 윤활 정형외과 임플란트 표면(LOIS)은 체내에서 세균을 밀어냈지만 골아세포 부착도 저해할 수 있어, 골유착이 필요한 골수강내 정 같은 임플란트에는 적합하지 않을 수 있습니다.

설계와 접근

티타늄을 수산화나트륨으로 식각해 나노다공성 표면을 만들고, 트리클로로(1H,1H,2H,2H-퍼플루오로옥틸)실란(TPFS)을 기상 증착해 완전히 불소화한 뒤, 짧은 2차 산소 플라즈마로 TPFS 일부를 제거합니다. 노출된 부위에 3-아미노프로필트리에톡시실란(APTES)을 증착하고 카르보디이미드 화학으로 아민기에 BMP-2를 결합한 다음 퍼플루오로폴리에테르 윤활제를 주입합니다. 불소화 영역은 비특이적 부착을 막는 윤활층을 붙잡고, 고정화 BMP-2는 골아세포의 수용체와 결합합니다. 저자들은 고정화 BMP-2가 BMP-2 수용체와 인테그린을 공간적으로 모아, 골아세포처럼 BMP-2 신호를 전달하는 세포만 퍼지고 분화한다고 설명합니다. 2차 플라즈마 조건은 소수성을 유지하면서 아민기를 표면 전체에 분포시키는 30 W, 5초로 정했습니다.

평가 방법

표면은 주사전자현미경, 원자간력 현미경, 나노압입, 물 접촉각, 형광 표지, X선 광전자 분광법, ELISA 기반 BMP-2 고정량 추정으로 분석했습니다. BILS를 무처리 티타늄 및 LOIS와 비교해 6종 액체의 접촉각과 미끄럼각, 알부민·피브리노겐 흡착, 재칼슘화한 말 혈액의 응고, 1.5 × 10^8 CFU/mL 녹농균(Pseudomonas aeruginosa)과 MRSA의 부착 및 생물막 형성을 평가했습니다. MC3T3-E1 골아세포와 NIH 3T3 섬유아세포로 생존율, 부착, 공배양, 28일간 피복률, 알칼리성 인산분해효소(ALP) 활성, 칼슘 침착을 조사했습니다. 맞춤 제작한 티타늄 골수강내 정(길이 74 mm, 직경 6 mm·4 mm)의 코팅 안정성과 굽힘 특성을 확인한 뒤, 수컷 뉴질랜드 흰토끼 16마리를 무처리 음성, 무처리 양성, LOIS, BILS 군으로 나누어 대퇴골 골절 모델에 이식했습니다. 무처리 음성군을 제외한 정은 수술 전 MRSA에 12시간 배양했고, 28일에 수술 부위 관찰, 연부조직 조직검사, X선, 주석산 내성 산성 인산분해효소(TRAP) 염색, 미세 컴퓨터단층촬영, 골-임플란트 접촉을 평가했습니다. 인발 시험은 세균 배양 없이 토끼 3마리(무처리, LOIS, BILS)를 추가로 사용했습니다.

연구 내용과 주요 결과

6시간 식각으로 제곱평균제곱근 거칠기 약 84.12 nm를 얻었고, TPFS로 완전히 실란화한 표면의 접촉각은 약 150°였습니다. BMP-2 고정 효율은 100 ng/mL에서 약 92.43%였고 250 ng/mL과 500 ng/mL에서는 각각 약 78%와 47%로 낮아졌으며, 표면 밀도 약 80 ng/cm2를 주는 100 ng/mL 조건을 선택했습니다. 6종 액체의 접촉각과 미끄럼각은 BILS와 LOIS 사이에 유의한 차이가 없어 부분 실란화가 윤활층 유지를 해치지 않았음을 보였고, 초록은 미끄럼각을 5° 미만으로 보고합니다.

두 윤활 표면 모두 알부민과 피브리노겐 피복률이 약 1% 미만이었고 혈전이 형성되지 않았습니다. 6시간 후 LOIS와 BILS에는 녹농균과 MRSA가 부착하지 않았고, 48시간 후에도 생물막이 없었습니다. 결과 절에서 무처리 티타늄의 집락 수는 LOIS와 BILS의 약 10^10배였고 두 윤활 표면 사이에는 유의한 차이가 없었으며, 초록은 이 차이를 10배로 적고 있습니다.

BILS는 무처리 티타늄과 비교해 세포 생존율에 유의한 차이를 보이지 않았습니다. 섬유아세포는 약간만 부착하고 둥근 형태를 유지한 반면 골아세포는 빈쿨린 발현이 강하게 나타나며 부착·확산했고, 공배양에서도 골아세포만 퍼졌습니다. BILS의 골아세포 피복률은 28일에 걸쳐 약 75%에 이르러 무처리 티타늄(약 80%)과 비슷했고 LOIS는 유의하게 낮았습니다. 초록은 BILS에서 1일 후 30%, 3주 후 최대 70%로 기술합니다. BILS의 ALP 활성은 7일에 1.20 ± 0.2 nmol, 14일에 5.79 ± 0.9 nmol로 14일 값은 무처리 티타늄(6.33 ± 0.31 nmol)과 유의한 차이가 없었고, 21일과 28일의 칼슘 침착은 무처리 티타늄과 거의 비슷했으나 LOIS에서는 뚜렷한 칼슘 침착이 관찰되지 않았습니다.

코팅한 정은 생체 외 토끼 대퇴골에 삽입했다가 제거한 뒤에도 알부민 흡착을 줄였고, 식각은 굴곡 탄성률과 강도를 유의하게 바꾸지 않았습니다. 28일에 MRSA에 배양한 무처리 정은 고름을 동반한 심한 염증을 일으켰지만, LOIS와 BILS 군은 육안과 조직검사에서 염증 징후가 없었습니다. 골절 부위의 골 부피는 무처리 양성군에서 유의하게 가장 낮았고, BILS는 무처리 양성군 및 LOIS 군보다 유의하게 높은 골-임플란트 접촉을 보였으며 LOIS 표면과 골아세포 사이에는 간극이 관찰되었습니다. 별도 인발 시험에서 최대 인발력은 LOIS 약 5 N, BILS 약 45 N, 감염되지 않은 무처리 정 약 122 N이었습니다.

남은 과제

저자들은 모든 군에서 숙주 골과의 완전한 골유착을 관찰하지 못했으며, 토끼 대퇴골이 잘 부서져 얇은 임플란트를 사용한 수술상의 문제로 설명했습니다. BILS의 인발력은 감염되지 않은 무처리 임플란트보다 낮았습니다. 큰 세포가 고정화 BMP-2 위의 약하게 붙은 윤활제를 밀어내고 부착한다는 물리적 기전은 가설 단계이며, 저자들은 추가 규명이 필요하다고 밝혔습니다.

다른 연구와의 연결

젠타마이신과 BMP-2를 전달하는 헤파린화 티타늄 임플란트(Lee 등, Bone 2012)는 항생제 방출과 골유도 단백질을 결합하지만, BILS는 항생제 없이 윤활층으로 세균을 밀어내고 고정화 BMP-2로 골아세포를 선택적으로 부착시킨다는 점이 다릅니다.