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Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery > Volume 44(3); 2001 > Article
Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 2001;44(3): 246-250.
Comparison of early tissue reactions between Plastipore and Polycel in rat middle ear.
Moon Suh Park, Jae Kook Oh, Young Soo Kim
Department of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery, College of Medicine, Hallym University, Seoul, Korea.
백서 중이강 내에 이식한 Plastipore와 Polycel의 단기간 조직반응 비교
박문서 · 오재국 · 김영수 · 양영준
한림대학교 의과대학 이비인후-두경부외과학교실
주제어: 합성재료중이수술.
ABSTRACT
BACKGROUND &
OBJECTIVES:
There has been only a few reports of animal investigation of the fate of otologic polymer. This study was designed for comparing the early tissue reaction of Plastipore and Polycel that have been most commonly used. MATERIALS & METHODS: Plastipore and Polycel were inserted into middle ear of Sprague Dawley rats. After 1, 2 and 4 weeks, the temporal bones were removed and tissue reactions were observed with Hematoxillin-Eosin stain.
RESULTS:
More neutrophils were infiltrated along the septae of the Plastipore compared with Polycel after 1 week and 2 weeks. ibrotic changes were found on the surface of Plastipores. After 4 weeks, the tissue reaction of Polycel shows weaker than the Plastipore. It showed that the Plastipore had more pronounced and rapid tissue reactions with a thick fibrous encapsulation around it.
CONCLUSION:
Plastipore could have relatively worse biocompatibility compared with Polycel.
Keywords: PolymerEar surgery

교신저자:박문서, 150-020 서울 영등포구 영등포동 94-200 한림대학교 의과대학 이비인후-두경부외과학교실
                  전화:(02) 2639-5480 · 전송:(02) 2637-5480 · E-mail:pms0@channeli.net 

서     론


  
중이 수술에 있어 합성 중합체의 사용은 자가 및 동종 이식 재료를 구하는데 한계가 있다는 인식과 함께 비교적 중이 수술 발전의 초기부터 연구되어 왔다. 그러나 실제로 이과적 수술용 합성중합체는 그 개발 및 임상적용에 있어 타과의 임상적용례에 안전성의 기반을 둔 경우가 많다. 1974 년에 소개된 다공성 중합체인 Proplast는 이전에 정형외과나 구강외과에서의 임상성적을 참고로 하여 중이 수술에서 사용되기 시작하였고,1) 그 후 개발된 Plastipore2)도 고관절 대치술 등에서의 사용이 이과적 사용의 모델이 되었다. 즉 이과적 합성중합체의 개발에 있어 고유의 이과적 모델을 이용하여 그 안정성 등을 독자적으로 판단한 례는 드물며 이것은 이 분야에 중이모델을 이용한 동물실험이 실제로는 드물다는 사실로도 확인된다.3) 그러나 중이 내 이식용 인공재료는 다른 부위에서와 달리 공기와 맞닿아 있고 점막으로 뒤덮이게 되며 물리적인 만성 자극이 고막의 진동을 통해서 오는 등 특수한 조건을 가지고 있기 때문에 다른 부위의 조직 반응과는 다른 양상을 보이므로 중이의 고유모델을 이용한 조직반응의 연구가 필수적이라 할 수 있다.
   지난 15년간 이과적 합성중합체로서 가장 많이 사용된 물질은 Plastipore와 Polyce4)로 둘 다 현미경적인 다공성을 특징으로 하는 폴리에틸렌 계열의 물질이다. 이들의 임상적, 조직학적 장, 단점에 관한 연구는 그간 수술 후 탈출 되었거나 염증의 재발로 제거한 예들에서 이들을 수거함으로써 대부분 이루어졌는데,3) 이들은 비정상적인 환경에서의 합성중합체의 인체반응이라는 한계를 벗어날 수 없기 때문에 일반적 반응을 대표할 수는 없으며 그런 의미에서 이 분야의 체계적인 동물실험이 필요하다. 그러나 가장 대표적인 이들 두 물질에 대한 중이 내 일반적 조직 반응을 같은 조건 하에서 관찰한 연구는 저자들이 아는 한 이루어지지 않았다. 본 연구의 목적은 백서의 중이를 이용하여 Plastipore와 Polycel 이소골 대체물의 단기간에 걸친 조직 반응을 관찰함으로써 이들의 생체적합성에 관한 기본 지식을 얻으려 함에 있다.

재료 및 방법

   이개 반사가 정상으로 수술 현미경에서 함몰, 천공 등 고막이상이 없는 Sprague-Dawley종 백서 6마리(체중 150~300 gm)를 같은 조건 하에서 같은 사료로 사육시킨 후 암수 구별 없이 사용하였다. 먼저 Xylazine과 Ketamine의 동량혼합물을 100 gm 당 1.0 ml의 비율로 복강 내에 주입한 후 고정시키고 이개와 외이도, 두부를 베타딘 소독액과 70% 알코올로 소독하였다. 그 후 이개 후방 절개로 피하근육 층을 통해 외이도를 노출시켰고 노출된 외이도 피판에 수평절개를 가하여 고막을 노출시켰다. 수술현미경을 이용하여 23gauge 주사침으로 고막의 전하방을 절개하고 무균 처리된 2×2×4 mm크기의 Polycel과 Plastipore(Trease-Medical co. USA)절편을 각각 6개씩 삽입하였는데 가능하면 절편의 한면이 중이강의 점막에 닿도록 하였다. 수술 창을 봉합하고 나서 1주, 2주, 4주에 복강 내에 치사량의 pentobarbital을 주입하여 희생시키고 나서 단두하였다.
   다음으로 측두골을 제거한 후 bulla에 고정 용액이 원활히 들어 오도록 20gauge 주사침을 이용하여 구멍을 뚫었으며 적출된 측두골을 삽입했던 물질 별로 나누었다. 10% formalin에 1주간 고정한 후 5% 질산 용액 20 ml을 매일 교환해주며 24~48시간 동안 탈회하였고 paraffin에 의한 포매 과정을 거쳤다. 그 후 4~5 μm 두께로 측두골 외측으로부터 시작하여 수평 연속절편을 만들어 이식된 합성물질의 면에 도달했을 때부터 만든 연속 5절편을 Hematoxilin and Eosin 염색을 하고 광학현미경을 통해 관찰하였다.

결     과

   Polycel의 경우 1주군은 백혈구를 비롯한 염증 세포들이 물질의 격벽을 따라 모여있으며 조직구가 존재 하지만 다음 단계로 진행하지는 않은 상태였다(Fig. 1A). Plastipore도 1주군에서는 역시 백혈구를 비롯한 염증세포들이 많이 모여 있었다(Fig. 1B). Polycel 2주군에서는 염증세포들의 수가 줄었는데 조직구와 림프구가 주변에 출현하나 그 정도는 경미하였다(Fig. 2A). 이와 비교하여 Plastipore의 2주군에서는 피막이 형성되어 있었으며 물질의 격벽을 따라 조직 반응이 일어난 양상을 보였고, Polycel과 마찬가지로 세포성분은 감소되어 있었다(Fig. 2B). Polycel의 4주군에서는 3~5층의 얇은 섬유성 피막이 주변에 형성되어 표면의 요철을 따라 자라 들어오는 양상을 보였고 내부에는 기질에 교원질과 피브린의 침착을 보였다(Fig. 3A). Plastipore의 4주군에서는 Polycel군에 비하여 매우 두꺼운 섬유성 피막을 형성하였고 물질의 격벽을 따라서도 심한 섬유화가 진행 되었다(Fig. 3B). 전례에 걸쳐 주변부나 재료물질 내의 석회화는 발견되지 않았다.

고     찰

   인공적 이식 재료가 생체 내에서 반영구적으로 기능하기 위해서는 우선 생체적합성의 조건이 맞아야 하는데 이 생체적합성은 크게 생물학적 적합성, 화학적 적합성, 기계적 적합성으로 나눌 수 있다. 그러나 실제로 어떤 한 물질이 이러한 구비조건을 동시에 모두 갖추는 것은 어렵기 때문에 체계적인 이식재료에 대한 연구와 개발은 신물질들의 개발이 왕성히 이루어진 1970년대에 와서야 시작되었다. 초기에는 먼저 정형외과 영역에서 골조직의 대체물 연구가 고관절 이식을 중심으로 이루어졌고 이과 영역에서 이소골 대체물에 관한 연구는 이들 연구 결과를 기반으로 하여 시작되었다. 최초로 대량 생산되어 사용된 이과용 합성중합체는 Proplast로 이후 개발된 Plastipore에 비해 섬유조직의 형성이 불규칙했고 거대세포의 출현도 많아1) 곧 생산이 중단되었다. 현재는 Plastipore와 Polycel이 가장 많이 사용되고 있는데 이들은 둘 다 porous polyethylene계열로 Polycel은 고열로 응고시켜 만든 점에서 Plastipore와 차이가 난다고 알려져 있다.3) 여기서 유추해볼 때 Polycel은 Plastipore와 유사한 형태적 특질을 지닌다고 생각되나 문헌 고찰에 의하면 Plastipore의 형태에 관해서도 엇갈리는 보고가 있는 바, 이것은 porous polyethylene의 선택에 있어 초창기 학자들의 재료공학적 지식에 대한 혼동에서 비롯된 것으로 생각된다. 즉 Plastipore의 pore크기는 문헌 상 30~250 μm 에 이른다.5)6)
  
합성물질의 인체 내 반응에 대한 연구는 주로 술 후 제거한 이과용 인공 이식물을 대상으로 이루어졌다. Plastipore에 관해 긍정적인 결과를 보이는 보고에 의하면 Plastipore는 조직학적으로 이물반응이 경미한 물질로서3) 초기에는 강한 이물반응을 보일 수 있으나 시간이 지남에 따라 조직 반응이 안정되는 경향이 있다고 한다.9) 이것은 Plastipore가 생체 내에서 염증세포나 거대세포의 침착 없이 섬유조직의 망으로 둘러싸인다고 한 보고와 같은 맥락에서 이해될 수 있는 결과다.10) 반면 부정적인 결과를 보이는 보고에 의하면 Plastipore는 중이 내에서 다핵질의 거대세포를 생성하고 이들이 다공성 해면공간을 잠식한다고 한다.11)
   이식된 물질 자체의 파괴도 일어나는데 생체 내 체류기간이 길수록 변화가 더 컸으며,12) 이것은 전자현미경적 관찰에서도 마찬가지였다.13)
   또 실제로 장기적으로 보면 임상성적에서도 점차 청각이 나빠지는 결과를 보였다고 한다.14)
   합성재료의 중이 내 조직반응은 중이강의 다른 조건이 영향을 많이 미치고 있다. 예를 들어 Gamoletti등7)은 Plastipore가 탈출되는 경우 주변에 과립구가 많이 발견되고 이것은 micropore내로 자라 들어간 조직이 허혈성 괴사에 빠져 염증반응을 일으키는 것으로써 탈출의 기전은 생기능적인 측면에서 연구되어야 한다고 하였다. 이러한 생기능적인 특성에 관한 문제는 계속 연구되어야 할 주제로 여겨지고 이런 점에서 동등한 조건 하의 비교를 위한 동물실험이 앞으로도 필요할 것으로 생각된다.
   본 연구의 결과 Polycel은 초기에 중이강 내에서 급성 염증반응을 일으키나 시간이 지남에 따라 염증반응은 줄어들면서 표면에 섬유화를 일으켜 비교적 얇은 두께의 섬유성 피막을 형성하였다. Plastipore는 초기에 Polycel과 비슷한 정도의 염증반응을 일으키나 2주째에 이미 섬유화를 초래하는 점에서 달랐고 나중 섬유성 피막의 두께도 훨씬 두꺼워서 이 물질이 현재에 와서 생체 이식재료로 쓰이는 빈도가 줄어가는 이유의 일단을 보여줬다고 하겠다. 물론 이러한 섬유조직은 실험조건에 따라 그 출현 시기가 차이가 날 수 있는데 Proplast의 경우 Wista rat의 중이강에서 이미1주 내에 섬유성 조직이 자라 들어가고 골 벽에 닿아있는 경우 3주에 골조직도 자라 들어간다는 예도 있다.15)
   즉 본 연구는 두 재료물질의 중이강 내 반응을 섬유성 피막의 형성과정을 통해 삽입경과 시간에 따라 관찰한 것으로, 생체 내에서 이물질의 주위에 형성되는 섬유성 피막은 시간이 지남에 따라 수축될 수 있고 삽입된 이물질이 생체와의 생물학적 통합(integration)이 부족할 경우 염증반응이나 섬유화 반응을 촉진할 수 있다는 점을 생각해볼 때 이러한 섬유성 피막에 대한 동적 기전은 앞으로 장기간 관찰을 통해서도 연구되어야 할 분야일 것으로 생각되었다.
  
중합체 등 인공물질이 체내로 들어왔을 때 초기 반응은 크게 독성반응과 이물반응으로 나눌 수 있다. 독성반응은 대부분 재료 내의 첨가물이나 불순물, 재료의 분해물 등에 의하여 일어나며 비수용성, 소수성 유출물(hydrophobic derivate)에 의해서도 가능하므로 물질의 충분한 정제로 어느 정도 까지는 막을 수 있는 반응이다. 본 연구에서 사용한 두 가지 재료도 이러한 점에서 예외일 수 없는데 Polycel이 상대적으로 표면의 섬유화 속도가 늦은 것이 그 공정 상 thermal fusion으로 인해 분해물이나 불순물의 방출이 지연되기 때문은 아닌지 연구해볼 필요가 있으리라 생각된다. 반면 이물반응은 물질 자체에 대한 생체의 자기 방어적 반응이어서 막는데 한계가 있으므로 최근에는 재료 표면의 단백질 흡착 등 표면 연구를 통해서 이를 극복하려는 시도가 활기를 띄고 있다.16)
   이론적으로 다공성 합성중합체는 중이 내에서 결체조직의 성장으로 고정되므로 장점이 많으나 실제로는 비교적 높은 이탈율을 보이는 물질이다. 그 이유 중 하나는 다공성으로 인한 넓은 표면적으로 인해 합성중합체로부터 단량체가 다량 방출되기 때문인데3) 이것은 모든 합성물질에서 정도의 차이는 있으나 공통적으로 볼 수 있는 현상이라 할 수 있다.
   중합체가 생체 내에서 시간이 지남에 따라 표면에 섬유성 피막을 형성하여 이식물질을 정상조직으로부터 분리시키는 것은 피할 수 없는 일이다. 더구나 이소골 대체물의 경우 소리에 의한 진동으로 이식물질과 조직간의 계면이 계속적으로 움직이게 되는데 이러한 움직임이 크고 장기화될수록 섬유성 피막은 두꺼워지리라 사료된다. 본 연구의 경우 재료 물질들을 직접 고막과 연결을 해놓지는 않았으므로 실제의 경우보다 진동에 의한 자극은 덜하리라 생각되었고 그 점에서 실제 이소골 재건술을 시행할 때는 더 큰 자극이 표면의 섬유성 피막 형성을 유도할 것으로 생각된다. 그 외에 감염이나 독성물질의 방출, 마모 혹은 중합체 표면의 분해 등도 섬유성 피막의 형성을 유도한다.17)
   Polycel의 조직반응은 강한 이물 반응을 보이는 점에서 Plastipore의 경우와 유사하지만3) 본 연구의 결과에 의하면 Polycel은 Plastipore에 비해 상대적으로 단기적 조직반응이 약한 물질로 판명되었다. 즉 Plastipore는 Polycel에 비해 백서 중이강 내에서 조직 반응이 신속히 진행될 뿐만 아니라 그 정도도 큰 것을 알 수 있었다. 이러한 결과는 인체 내에서 Plastipore가 더 많은 섬유성 변화를 유발하고 상대적으로 불량한 생체적합성을 지니고 있음을 의미한다.

결     론

   백서 중이강을 이용한 단기간의 조직반응 유발 실험에서 Polycel은 Plastipore에 비해 상대적으로 약한 조직반응을 나타내었다. 즉 Plastipore는 Polycel에 비해 백서 중이강 내에서 조직 반응이 신속히 진행되고 그 정도도 컸다. 이러한 결과는 인체 내에서 Plastipore가 더 많은 섬유성 변화를 유발하므로 결과적으로 불량한 생체적합성을 지니고 있다는 것을 의미한다. 앞으로 본 주제에 관해 장기관찰 연구가 필요할 것으로 사료된다.


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