정형외과 수술에 사용되는 금속판과 스크류 등 임플란트는 감염이 발생하면 치료가 쉽지 않다. 특히 세균이 임플란트 표면에 바이오필름을 형성하면 항생제 치료 효과가 떨어지고 감염이 지속돼 골유합 지연이나 재수술로 이어질 수밖에 없다. 이를 해결하기 위한 항균제 도포, 항균 재료개발, 표면 항균 처리의 시도가 있었으나 임플란트 제조공정 변경 및 추가 등 비용과 시간적 한계가 있었다.
고려대학교 안암병원 정형외과 장우영 교수와 고려대학교 의과대학 나노표지자의학연구소 황장선 연구교수 연구팀은 기존 정형외과 임플란트에 수술 중 간편하게 적용할 수 있는 PHMB 항균 하이드로겔을 개발하고, 세균 감염 억제와 골절 치유 보호 효과를 확인했다. 고려대학교 안암병원 정형외과 최지혜 교수와 정다운 박사가 공동 제1저자로, 황장선 연구교수와 장우영 교수가 공동 교신저자로 참여했다.
연구팀이 개발한 하이드로겔은 항균 성분인 폴리헥사메틸렌 바이구아나이드(PHMB)에 온도에 반응하는 고분자를 결합한 것이다. 임플란트에 바르거나 담구어 코팅할 수 있으며, 체온에서 점도가 높아져 금속 표면에 안정적으로 밀착한다. 별도의 항균 임플란트를 새로 제작하지 않고 기존 제품에 적용할 수 있다는 점이 특징이다.
연구팀은 황색포도상구균과 녹농균을 이용해 항균 효과를 평가했다. 그 결과 PHMB 겔을 처리한 티타늄 표면에서는 세균 증식과 부착이 크게 줄었으며, 바이오필름 형성도 효과적으로 억제됐다. PHMB의 항균 작용과 함께 젤이 임플란트 표면을 덮어 세균 부착을 막는 물리적 장벽 역할을 하는 것으로 확인됐다.
토끼 대퇴골 골절 모델을 이용한 동물실험에서도 효과가 나타났다. PHMB 겔을 적용하지 않은 감염군에서는 염증과 골절 치유 지연이 나타난 반면, 겔을 적용한 군에서는 감염이 억제되고 골절 부위 회복이 개선됐다. 조직검사에서도 염증 반응 감소와 골조직 성숙이 확인됐다.
연구팀은 향후 추가적인 안전성과 유효성 검증을 통해 실제 정형외과 수술 현장에서 활용할 수 있는 감염 예방 기술로 발전시킬 계획이다.
장우영 교수는 “정형외과 임플란트 감염은 환자의 회복을 늦추고 재수술로 이어질 수 있는 중요한 문제”라며 “기존 임플란트에 간편하게 적용할 수 있는 이번 기술이 실제 수술 현장에서 감염 위험을 낮추고 안정적인 골유합을 돕는 방법으로 발전하기를 기대한다”고 말했다.
황장선 연구교수는 “이번 연구는 항균 성분 자체의 효과를 확인하는 데 그치지 않고, 실제 정형외과 임플란트 표면에서 세균 부착과 바이오필름 형성을 함께 억제할 수 있는 적용 방식을 제시했다는 점에서 의미가 있다”며 “향후 임상 환경에 맞는 안전성과 사용 편의성을 더욱 높여 실제 수술 현장에서 활용할 수 있는 기술로 발전시키고자 한다”고 말했다.
이번 연구 ‘Efficacy of Polyhexamethylene Biguanide Antibacterial Gel Coating of Orthopedic Implants in Infection Control and Immune Modulation’은 국제학술지 ‘Advanced Healthcare Materials’에 게재됐다.
