Biomaterials Research (2007) 11(2) : 64-69

64

Biomaterials

Research

C The Korean Society for Biomaterials

추간판 내 수핵 대체용 주사형 Poly(2-hydroxyethyl Methacrylate)계 하이드로젤

Injectable Poly(2-hydroxyethyl methacrylate) Hydrogel as a Replacementof Nucleus Pulposus in an Intervertebral Disc

최진현1,2*

Jin Hyun Choi1,2*

1경북대학교 천연섬유학과, 2

경북대학교 기능물질공학과1Department of Natural Fiber Science, Kyungpook National University2Department of Advanced Organic Materials Science and Engineering, Kyungpook National University(Received December 21, 2006/Accepted April 17, 2007)

Poly(2-hydroxyethyl methacrylate-co-sodium methacrylate) (poly(HEMA-co-SMA)) hydrogel was synthesized in orderto replace nucleus pulposus in a degenerated intervertebral disc without surgical excision and implantation of pros-thesis. The aqueous mixture of HEMA, SMA, EGDMA, and redox initiators was gelled at 36.5oC within 10-15 minutes.The water content and compressive modulus of this hydrogel were higher than those of a natural nucleus pulposus.Poly(HEMA-co-SMA) injectable hydrogel was inserted successfully into a rabbit's degenerated disc. After 1 month, itwas revealed that dehydration and fibrosis were prevented dramatically in a hydrogel-injected disc compared with adegenerated disc. From histology, fusion of macrophages or formation of foreign-body giant cells were not detectedin a hydrogel-injected nucleus pulposus. Hence, poly(HEMA-co-SMA) injectable hydrogel is suggested as a feasibleprosthesis which has physical properties and biostabilities enough to replace nucleus pulposus in a degenerated disc.

Key words: HEMA, SMA, Injectable, Hydrogel, Nucleus pulposus

서 론

간판 (intervertebral disc)은 척추골간의 압축, 비틀림,

및 굽힘 등을 전달하거나 감쇠시키는 일종의 복합재료이

며, 수핵 (nucleus pulposus), 섬유띠 (annulus fibrosus), 및

판 (end-plate) 등의 세 가지 성분들로 구성되어있다. 수핵은

압축력이나 굽힘력 등의 외력에 저항하며 수분을 풍부히 함유

하고 있는 하이드로젤과 같은 물질이다. 반면 섬유띠는 섬유질

로 이루어져 있고 수핵을 감싸고 있는 성분으로 비틀림에 견

디는 역할을 한다. 판은 위 두 성분을 아래 위로 덮으면서 척

추체와 연결한다. 이들 중 수핵은 가장 중요한 부분으로 70-

90%가 수분으로 이루어져 있고, 건조중량의 40-65%는 프로테

오글라이칸 (proteoglycan), 10-20%는 콜라겐 (collagen)과 같

은 세포 외 기질 (extracellular matrix)로 이루어져있다. 일반

적으로 수핵은 노쇠해짐에 따라 함수율이 저하되어 점점 딱딱

해진다. 특히 이곳으로는 혈액의 공급이 이루지지 않기 때문에

조직이 손상되어도 스스로 재생되기가 어렵다.

어떠한 원인에서든 섬유띠로부터 수핵이 빠져나올 수 있는데

이를 수핵 탈출 (herniation)이라 하며, 빠져나온 수핵은 수분

을 상실하여 딱딱해지고 신경을 자극하여 요추통증을 유발하는

퇴행화 (degeneration)가 일어나게 된다(Figure 1).1) 일반적으로

외과적 절제나 화학적 처리에 의해 퇴행된 추간판을 제거하고

이로 인한 빈 공간을 자가 골 이식 (bone-graft)으로 보충하는

데, 이러한 방법으로 통증을 효과적으로 완화할 수 있으나 종

종 요추 사이에 역학적으로 비정상적인 움직임을 유발할 수 있

어,2-5) 퇴행화된 추간판을 효과적으로 대체할 수 있는 인공 보

형물을 개발하기 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.

추간판 대체용 인공 보형물을 설계, 제작, 및 시험하기 위

한 연구는 30년이 넘도록 진행되어왔으나 많은 부분이 이론

적인 측면에서 접근되었으며, 체내 시험까지 이어진 예는 거

의 없다. 드물게 몇몇의 경우에 있어 사람에게 이식되었으나

아직까지 미국 식약청 승인을 받은 제품은 거의 없다. Table

1에서 이제까지 이루어진 연구들을 정리해 놓았다.6-20) 대부

분의 보형물들은 금속이나 고분자 및 섬유, 또는 이들의 조

합으로 이루져 있으며, 사용된 고분자는 polyethylene (PE),

polyethyleneterephthalate, poly(vinyl alcohol) (PVA), 및 poly

(vinyl pyrrolidone) (PVP) 등이다. 하이드로젤 형태의 보형물이

사용된 것은 1990년대 들어서이며, 최근에 블렌드 하이드로젤

도 이용되었다.

추간판 대체용 인공 보형물은 압축이나 비틀림, 굽힘 등의

충격을 충분히 흡수할 수 있어야 하는데 금속 위주의 인공 보

형물들은 그 특성상 추간판의 움직임을 모방할 뿐, 충격 흡수*책임연락저자: jinhchoi@knu.ac.kr

추

추간판 내 수핵 대체용 주사형 Poly(2-hydroxyethyl Methacrylate)계 하이드로젤 65

Vol. 11, No. 2

나 완화작용에 있어서는 부족함이 많다고 볼 수 있다. 고분자

는 특유의 점탄성으로 인해 금속 보형물의 단점을 극복할 수

있는 매력적인 소재라 할 수 있다. 그중에서도 하이드로젤은

수분을 다량 포함하기 때문에 천연 수핵과 가장 유사한 성질

을 갖는 보형물이라 하겠다. 따라서 하이드로젤 형태의 보형물

을 사용할 경우, 추간판 전체보다 수핵을 대체할 수 있게 함이

타당하다고 보여진다. Figure 1에서 보는 바와 같이, 퇴행성

디스크 질환이 발발하면 수핵이 빠져나와 탈수되어 부피가 현

저히 줄어들며 추간판 한마디의 높이가 매우 낮아진다. 따라서

수핵이 보충된다면 추간판 한마디 전체를 보형물로 대체할 필

요가 없게 된다.

본 연구의 목적은 퇴행성 디스크 질환을 치료하기 위한 방

법 중 하나로, 수핵을 효과적으로 대체할 수 있는 고분자 하이

드로젤을 제조하는 것이다. 특히, 퇴행성 질환이 유발된 곳에

주사로 삽입이 가능한 하이드로젤을 주입하여 추간판의 절제

및 보형물의 이식 수술을 거치지 않고 간편하게 주사로 시술

할 수 있게 한다는 데 큰 의의를 두고 있다. 따라서 본 연구

에서는 체내에서 in-situ 고분자 합성 반응에 의해 하이드로젤

을 합성하고 이들의 물성을 비교 평가함으로써, 효과적인 수핵

대체 가능성을 검토하였다. 여러 가지 부가중합체 중, 2-

hydroxyethyl methacrylate (HEMA)와 sodium methacrylate

(SMA)의 공중합체는 우수한 생체적합성을 갖는 것으로 보고된

바 있다.21) 따라서 이들 단량체와 산화환원 (redox) 개시제를

이용하여 체내에서 하이드로젤을 효과적으로 합성하기 위한 조

건을 확립하고, 이를 동물모델에 적용하여 효용성을 검토하였다.

재료 및 방법

시약

HEMA는 진공 하에서 증류법에 의해 정제하였다. 가교용 단

량체로 사용된 ethyleneglycol dimethacrylate (EGDMA)는

Aldrich사에서 구입한 중합금지제 제거용 컬럼을 이용하여 정

제하였다. 공단량체인 SMA, 가교용 단량체인 methylenebis-

acrylamide (MBAAm), 산화환원 개시제인 potassium persulfate

(KPS), 및 N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine (TMEDA)는

별도의 정제없이 사용하였다.

하이드로젤의 합성

KPS와 TMEDA를 단량체와 물과의 혼합액에 넣고 신속히 박

테리아 제거용 필터를 통과시켜 멸균한 다음 이를 36.5oC에서

24시간 중합하였다. 중합한 하이드로젤은 물과 에탄올에 반복

세척하여 미반응 단량체를 제거하였다.

전환율

단량체의 고분자로의 전환율은 아래와 같은 식으로 게산하

였다.

전환율 (%)

단, Wd는 건조된 하이드로젤의 무게, Wm은 단량체 무게,

Wc는 가교제의 무게이다.

함수율

하이드로젤의 함수율은 아래와 같은 식으로 계산하였다.

함수율 (%)

단, Ws는 36.5oC에서 팽윤한 하이드로젤의 무게, Wd는 건

조된 하이드로젤의 무게이다.

압축탄성률

파지거리와 압축속도를 각각 20 mm 및 10 mm/sec로 하

고 MTS servohydraulic testing machine을 사용하여 36.5oC

Wd

Wm

Wc

+

------------------------ 100×=

Ws

Wd

–

Ws

---------------------- 100×=

Figure 1. Lumbar disc herniation. A: nerve root, B: nucleus pulposus,C; annulus fibrosus.

Table 1. Outline of disc prothesis research

author date device concept

Nachemson6 1962 silicone injection

Fernstrom7 1966 steel sphere

Urbaniak et al.8 1975 elastomer with fiber coating

Froning9 1975 fillable bladder

Hoogland et al.10 1978 PE cup with metallic articulator

Patil11 1982 springs with metal cups

Edeland12 1985 silicone with/without metal

Ray and Corbin13 1988 two fillable woven capsules

Buttner-Janz et al.14 1989 PE between metal

Kostuik et al.15 1987 hinged plates with springs

Downey16 1989 elastomer between metal

Lee et al.17 1990 fiber-reinforced cushion

Parsons et al.18 1992 multidurometer elastomer

Ordway et al.19 1994 hydrogel intervertebral disc nucleus

Thomas et al.20 2003 PVA/PVP blend hydrogel

66 최진현

Biomaterials Research 2007

의 물속에서 합성된 하이드로젤의 압축탄성율을 측정하였다.

동물실험

몸무게 4-5 kg 정도의 성숙한 뉴질랜드 산 암컷 토끼를 마

취 후 개복하여 요추 4번과 5번 사이의 추간판 내 섬유띠를

횡으로 3mm 정도 절개하여 수핵을 누출시킴으로써 퇴행성

디스크 질환이 유발된 동물 모델을 확립하였다. 이로부터 4달

후, X-선 및 MRI 촬영으로 디스크의 퇴행을 확인하고 (Figure

2) 단량체와 개시제 및 물 등으로 이루어진 하이드로젤 합성용

혼합액을 100-200 주사하였다.

조직학적 검사

하이드로젤을 주사한 디스크에서의 형태학적 변화와 염증반

응 유무 등을 확인하기 위하여 조직학적 검사를 실시하였다.

채취한 디스크를 4% formalin 용액에서 충분히 고정시킨 후

paraffin을 침투시켜 block을 만든 다음 microtome으로 수

µm의 두께로 박절하여 H&E 염색을 실시하였다

결과 및 고찰

체내 하이드로젤 합성을 위한 전구체 주사용액은 앞서 설명

한 바와 같이 단량체와 개시제, 물의 혼합액이다. 이러한 주사

용액의 젤화 여부는 시험관을 기울였을 때 용액의 유동 상실

을 기준으로 평가하였고, 개시제를 최종 첨가한 이후부터 젤화

될 때까지의 시간을 젤화 시간이라 정의하였다. Figure 3에서

보인 바와 같이 실험에 사용된 모든 용액이 36.5oC에서 20분

내에 젤화 되어 본 연구에서 목적으로 하는 시술을 하기에 적

절한 젤화 시간을 가졌다. 보통 TMEDA를 용액에 최종 첨가

한 이후, 10분 내에 추간판으로의 주사가 완료되며, 이후 토끼

가 마취에서 깨어날 때까지는 10분 정도의 시간이 더 소요되

기 때문이다. 용액은 HEMA의 농도가 낮을 경우에는 젤화가

일어나기 전에 백색 침전이 생겨 탁해지고, HEMA의 농도가

3.0 mol/Lwater 이상일 경우에는 젤화가 일어난 이후에 탁도가

증가하는 경향을 보였다. 잘 알려진 바와 같이, HEMA 하이드

로젤은 단량체의 농도가 낮으면 용액 내에서 국부적으로 침전

에 의한 젤화가 일어나며 시간에 따라 이것이 점차 확산되는

양상을 띈다. 이 때 생성된 하이드로젤은 백색 스폰지 형태이

며 물리적으로 매우 취약한 강도를 갖는다.21) 따라서 3.0

mol/Lwater 이하에서 생성된 하이드로젤은 그 유용성이 떨어진

다고 할 수 있다. 반면 그 이상에서 생성된 하이드로젤은 젤화

시간이 상대적으로 길고, 국부적인 침전에 의해 젤화가 진행되

는 것이 아니라 용액 전체에서 젤화가 일어나며, 그 이후에 용

액이 탁해지기 시작한다.

Figure 4에서 보인 바와 같이 HEMA의 농도가 낮을수록 전

환율이 감소하는 것은 상대적으로 빠른 시간 내에 종결반응이

일어나고 이것이 침전형태의 겔화로 나타남과 관련이 있다. 또

한 본 연구에서 의도하는 하이드로젤의 합성은 체내에서 이루

어져야 하므로 미반응 단량체의 잔존을 최소화 할수록 좋기 때

문에 상대적으로 높은 전환율을 얻을 수 있는 합성조건을 확

립하는 것이 매우 중요하다고 볼 수 있다. 따라서 생체안정성

을 갖는 HEMA 하이드로젤을 합성하기 위해서는 3.0 mol/

Lwater 이상의 단량체 농도에서 EGDMA를 사용하여 합성하는

것이 적절하다고 사료된다.

추간판 내에 존재하는 수핵의 가장 중요한 물성 중에 하나

는 함수율이다. 퇴행화된 수핵을 대체할 인공보형물이 적절한

함수율을 가진다면 정상적인 수핵이 갖는 고유의 부드러움과

Figure 2. MRI of a degenerative disc in a rabbit.Figure 3. Gelation time versus HEMA concentration. [KPS] = 2×10-3

mol/molHEMA; [TMEDA] = 2×10-3 mol/molHEMA; [crosslinker] = 1×10-2

mol/molHEMA.

추간판 내 수핵 대체용 주사형 Poly(2-hydroxyethyl Methacrylate)계 하이드로젤 67

Vol. 11, No. 2

압축 및 비틀림에 의한 충격을 흡수하는 능력을 보유하는데 보

다 유리하다고 할 수 있다. Figure 5는 HEMA로부터 합성된

하이드로젤의 함수율을 나타내는데, 단량체의 농도가 증가할수

록 감소하였다. 일반적으로 높은 단량체 농도에서 합성된 하이

드로젤은 보다 밀집된 망상구조 및 작은 pore를 갖기 때문에

그 안에 물분자를 가두기가 어려워져 함수율이 감소하는 경향

이 있다. 건강한 성인의 추간판 내 수핵의 함수율은 80%에

이르므로 HEMA의 농도가 3.0 mol/Lwater 이상인 조건에서 하

이드로젤을 합성하려면 친수성 단량체를 공중합하여 함수율을

좀 더 높일 필요가 있다.

하이드로젤의 함수율을 높이기 위해서 친수성 단량체인 SMA

를 공중합 하였다. Table 2에서 보인 바와 같이 소량의 SMA

첨가에 의해 합성된 하이드로젤의 함수율은 크게 증가하여 정

상적인 자연 상태에서 존재하는 수핵의 함수율을 상회하였다.

젤화시간과 전환율은 HEMA 하이드로젤의 경우와 비교하여 큰

변화가 없었다.

전술한 조건에서 합성한 poly(HEMA-co-SMA) 하이드로젤이

인공보형물로서의 역할을 충실히 수행하려면 적절한 함수율과

더불어 건강한 성인의 추간판 내에 존재하는 수핵과 유사한 압

축성질을 나타내야한다. 실제로 수핵 자체는 거의 액체에 가까

운 젤이므로 이를 대체하기 위한 인공보형물은 단단하기 보다

는 부드러운 점탄성체이어야 한다. Table 3에서 합성된 하이드

로젤과 인간의 추간판 내에 존재하는 수핵의 압축강도를 나타

내었다. SMA와의 공중합에 의해서 제조된 하이드로젤의 압축

탄성률은 큰 변화가 없었고 두 하이드로젤은 모두 자연상태의

수핵보다 월등히 높은 압축탄성률을 나타내었다. 그러므로 합

성된 poly(HEMA-co-SMA) 하이드로젤은 정상적인 수핵보다 높

은 함수율 및 압축탄성률을 가짐으로서 이를 대체할 수 있는

인공보형물로서 탁월한 물성을 보유한다고 할 수 있다.

Figure 6는 퇴행성 디스크 질환이 유발된 토끼의 추간판에

전술한 조건에서 poly(HEMA-co-SMA) 하이드로젤을 주사기로

삽입한 후 1개월이 경과하였을 때의 비교 사진이다. 정상적인

수핵이 매우 풍부한 수분을 함유하고 있는 반면에 (Figure 6a)

퇴행성 질환이 유발된 추간판 내의 수핵은 심각한 탈수 및 섬

유화가 진행되어있는 것을 확인할 수 있다 (Figure 6b). 이들

과 비교하였을 때 poly(HEMA-co-SMA) 하이드로젤이 삽입된

추간판은 퇴행화가 거의 일어나지 않은 것처럼 보일 정도로 수

분을 다량 함유하고 있을 뿐만 아니라 섬유화도 상대적으로 덜

Figure 5. Water content of hydrogel with HEMA concentration.[KPS]=2×10-3 mol/molHEMA; [TMEDA] = 2×10-3 mol/molHEMA;[crosslinker] = 1×10-2 mol/molHEMA.

Figure 4. Conversion versus HEMA concentration. [KPS] = 2×10-3

mol/molHEMA; [TMEDA] = 2×10-3 mol/molHEMA; [crosslinker] = 1×10-2

mol/molHEMA.

Table 2. Gelation time, conversion, and water content of HEMA andHEMA-co-SMA hydrogels

Gelationtime (min)

Conversion(%)

Watercontent (%)

HEMA hydrogel 13 98.5 67.1

HEMA-co-SMA hydrogel 13 98.0 84.9

[monomer] = 3.5 mol/Lwater; [SMA] = 0.175 mol/Lwater; [KPS] = 2×10-3

mol/molHEMA; [TMEDA] = 2×10-3 mol/molHEMA; [EGDMA] = 1×10-2

mol/molHEMA

Table 3. Compressive moduli of HEMA hydrogel, HEMA-co-SMAhydrogel, and natural nucleus pulposus

Compressive modulus(kPa)

HEMA hydrogel 270

HEMA-co-SMA hydrogel 288

Natural nucleus pulposus 5.0-97.5*

[monomer] = 3.5 mol/Lwater; [SMA] = 0.175 mol/Lwater; [KPS] = 2×10-3

mol/molHEMA; [TMEDA] = 2×10-3 mol/molHEMA; [EGDMA] = 1×10-2

mol/molHEMA

*estimated by indetation tests22

68 최진현

Biomaterials Research 2007

발생한 것으로 관찰되었다 (Figure 6c).

퇴행화가 진행된 추간판 및 하이드로젤이 주사된 추간판 내

에 존재하는 수핵의 형태학적인 변화와 체내 이물질 반응

(foreign-body reaction) 여부를 확인하기 위하여 조직학적 검

사를 실시하였다 (Figure 7). 정상적인 추간판 내 수핵 (Figure

7a)과 비교했을 때, 수핵 내에서 관찰된 collagen fiber의 생성

은 Figure 6에서 관찰된 결과와 더불어 심각한 디스크의 퇴행

화를 뒷받침한다 (Figure 7a 및 Figure 7b). 추간판 내에 존

재하는 세포로는 notochoral cell, chondrocyte, fibrocyte 등

이 있으며 수핵 내의 세포밀도는 약 4,000 cells/ml 정도로

섬유띠 (9,000 cells/ml)나 판 (15,000 cells/ml)보다 낮다. 섬

유띠에는 fibrocyte가 주로 분포하고 수핵 내에는 chondrocyte

가 주종을 이루는데, 퇴행성 변화가 오면 cellular necrosis에

의하여 세포수가 감소한다.23) Figure 7로부터 정상적인 추간판

의 수핵 및 퇴행화된 추간판의 수핵 뿐만 아니라 하이드로젤

이 주사된 수핵에서도 다수의 chondrocyte로 사료되는 세포들

이 발견되었으나 그 수는 정상적인 추간판의 경우보다는 적었

다. 한편 고분자 구조체의 체내 이물질 반응은 조직학적 소견

상 macrophage 및 foreign-body giant cell 등의 생성 및

확산, 또는 융합 등으로 확인할 수 있다.24-26 Figure 7b에서

확인할 수 있는 바와 같이 하이드로젤이 주사된 추간판에서는

macrophage 및 foreign-body giant cell의 생성 및 확산, 또

는 융합 등의 현상은 전혀 발견되지 않았다. 이들 결과로부터

추간판 내 수핵 대체용 poly(HEMA-co-SMA) 하이드로젤은 인

공보형물로서 적절한 생체 적합성 및 안정성을 보인다고 할 수

있다.

결 론

공단량체인 HEMA와 SMA, 가교제인 EGDMA 및 산화환원

개시제를 이용하여 퇴행화된 추간판 내 수핵을 효과적으로 대

체할 수 있는 주사형 고분자 하이드로젤을 제조하였다. 적절한

농도로 혼합된 단량체와 개시제, 물로 구성되는 주사용액은

36.5oC에서 10-15분 내에 젤화되어, 추간판의 절제 및 보형물

의 이식 수술을 거치지 않고 간편하게 주사로 추간판 내에 하

이드로젤을 삽입할 수 있다. 단량체로부터 하이드로젤로의 전

환율은 98% 정도로 매우 높았으며 poly(HEMA-co-SMA) 하이

드로젤은 정상적인 수핵보다 높은 함수율 및 압축탄성률을 보

유함을 확인하였다. 단량체와 개시제, 물의 혼합용액을 퇴행성

디스크 질환이 유발된 토끼의 추간판에 직접 주사함으로써

poly(HEMA-co-SMA) 하이드로젤을 성공적으로 삽입할 수 있었

다. 하이드로젤이 삽입된 추간판은 퇴행화가 거의 일어나지 않

은 것처럼 보일 정도로 수분을 다량 함유하고 있을 뿐만 아니

라, 섬유화도 상대적으로 덜 발생한 것으로 관찰되었고, 이물

질반응에 의한 염증소견이 발견되지 않았다. 따라서 HEMA,

SMA, EGDMA 및 산화환원 개시제로부터 제조되는 주사형 하

이드로젤은 퇴행화된 추간판 내 수핵을 효과적으로 대체할 수

있는 물성 및 생체안정성을 갖는 인공보형물이라 사료된다.

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Figiure 7. H&E stained nucleus pulposus in rabbit’s lumbar disc: a,control (1 month); b, hydrogel-injected (1 month); c, normal.

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