생체흡수성 금속 임플란트의 안전성 평가를 위한 체외 부식 시험 및 체내 이식 시험의 방법론과 고려사항 doc_id CNTS-00118871651_4

체외 시험의 부식 조건은 다양한 시점과 시험실에서 재현 가능한 결과를 얻기 위해 면밀히 제어되고 감시되어야 한다. 시험에 영향을 미치는 조건은 전해질 조성, 전해질 이외의 환경, 전해질과의 주변 환경과의 가스 교환, 주변 환경의 가스 압력, 시험 중 전해질의 조성 변화, 시험시 온도 제어, 시험 중 pH 및 전해질의 pH 변화, 시편 표면에서 전해질 이동 및 시험편 표면의 부식 생성물 축적 등이 있다. 적합한 표준 물질을 대조군으로 사용하는 것이 바람직하다. 부식 시험 중 정적 또는 동적 기계적 하중을 추가하게 되면, 응력 부식 균열 또는 부식 피로에 대한 취약성을 평가하는 데 도움을 줄 수 있다. 체외 부식 시험의 결과를 평가하기 위한 다양한 방법이 ASTM F3268[9]에 기재되어 있다. 질량 손실, 수소 가스 발생, 부식생성물 측정, 금속 이온 방출 또는 이미징 방법(예: 초음파 촬영, 현미경 촬영 또는 자기 공명)을 통한 부피 손실이 포함된다. 하지만, 분석 시 잔류 시편에 비금속성 분해산물이 붙어있으면 분석이 다소 복잡해질 수 있다. 흡수성 금속 전체가 부식생성물로 완전히 전환되면 임플란트의 체내 잔류 기간은 완료된 것으로 볼 수 있다. 체외 및 체내 데이터가 충분하면 체외 – 체내간 상관 계수를 계산할 수 있다. 준비된 시편을 침지하고 발생되는 수소가스의 양을 깔대기 눈금을 통해 측정한다. 발생된 수소가스는 시편 표면적과 침지 기간으로 나누어 수소가스 발생속도(또는 분해속도)를 산출한다. 이와 같은 수소가스 발생시험을 할 때 pH 모니터링, 대기 모니터링 등이 필요할 수 있다. 수소가스 발생량 외에 시험에 사용된 시편으로부터 질량 손실, 부식 생성물 측정, 금속 이온 방출 또는 이미징 방법을 통한 체적 감소(예 : 초음파, 마이크로 단층 촬영 또는 자기 공명), 물리적 및 기계적 특성 변화 등의 방법을 통해 추가적인 평가가 가능하다. 침지 시험 시 관련 규격인 ASTM F3268를 참고한다. 분해 과정을 파악하는 데에는 가혹추출액을 이용한 시험이 유용할 것으로 판단된다. ISO 16428의 Annex A에 가혹추출용액이 예시되어 있다. 이러한 부식 속도는 수소 가스 발생 속도와 직접적인 관련이 있으며 비례 관계에 있다. 조직 치유를 방해할 수 있는 가스 포켓 또는 기포의 축적을 피하기 위해, 부식 속도 및 수소 가스 발생 속도는 조직을 통한 수소의 흡수 속도 미만으로 유지되어야 한다. 작은 크기의 수소 가스 분자는 비교적 빠른 확산이 가능하지만, 국소 조직 형태 및 관류 수준에 따라 확산 속도는 다르다. 임플란트 이식 직후 약간의 기포 형성이 예상되지만, 이들 기포는 부식 속도가 느려지고 확산 속도가 가스 생성 속도보다 빨라지면 결국 사라지게 된다. 수소 또는 수산화물의 형성은 국소 조직의 pH에 영향을 줄 수 있다. 이러한 pH 변화는 국소 조직에 이로울 수도 있고 해로운 영향을 미칠 수 있으며, 금속의 분해 속도 및 메커니즘에 변화를 줄 수 있다. 금속의 분해산물로의 1단계 변환이 완료되었는지에 대한 여부는 광학 금속 조직학, 주사 전자 현미경(SEM/EDX)에서의 에너지분산 X선 분석법, 또는 마이크로 CT 분석법을 포함해 다양한 분석 방법으로 체외(in vitro) 또는 체내에서 제거된(ex vivo) 시편을 분석함으로써 확인할 수 있다. 흡수성 금속 임플란트의 적절한 생물학적 평가 방법을 설정하기 위해, ISO 10993 시리즈 표준을 활용한다. 하지만, 생체흡수성 금속의 특성을 함께 고려해야하기 때문에 ISO/TR 37137을 함께 사용하는 것이 필요하다. 흡수성 금속의 분해시 금속 양이온, 화학 반응 생성물, pH 값의 국소적 변화 및 가능한 수소 가스 등을 생성하게 된다. 특정 농도 이하에서, 이들 성분은 인체에 허용될 수 있고 유해하지 않다. 체외 또는 체내에서 이러한 분해 생성물의 잠재적 영향을 평가하여 이들이 허용가능한 범위 내에 있도록 하는 것이 중요하다. ICH Q3D 및 ISO 10993-17은 평가에 대해 접근법을 제시한다. 비경구 약물에 대한 ICH 가이드라인(ICH Q3D)은 원소별 위험 등급에 따라 아래와 같이 하고 있다. 흡수성 금속인 마그네슘 합금을 이용한 이식용 의료기기의 안전성을 확인하기 위한 시험규격은 각 부분품의 인체접촉시간에 따라 설정하여야 한다. 허가사항에 시술기구를 포함하고자 하는 경우, 시술기구의 인체접촉시간을 고려하여 추가 설정한다. 안전성 시험항목은「의료기기의 생물학적 안전에 관한 공통기준규격」(식약처 고시)에 따른다. 또한 이 시험은 반드시 GLP(Good Laboratory Practice) 원칙을 준수하여 실시해야 한다. 불순물이 함유된 경우(의도되지 않은 경우도 포함)에는 ISO TS20721 (안)에 제시된 ICH GUIDELINE FOR ELEMENTAL IMPURITIES Q3D에 따라 리스크 분석을 하여야 한다. 표면처리 등으로 인하여 분해속도 등이 크게 변화하기 때문에 최종 제품을 사용하는 것이 바람직하다. 이식 부위는 가능한 임상 사용부위에 가까운 조직으로 한다. 공적 시험 방법으로는 근육 내, 피하, 골 내 및 뇌내 이식 시험방법에 대해 기재되어 있다. 그 외의 조직·기관(器官)에 사용할 때에는 임상 사용부위 또는 그 조직·기관의 기원, 구성조직, 세포종 등을 종합적으로 감안하여 상술한 조직 중 하나 또는 여러 개를 선택한다. 국소에 대한 영향을 확인할 때, 동물의 개체 차이의 지표로 삼기 위해 원칙적으로 대조 원재료와 시험 원재료는 같은 개체에 이식한다. 그러나 이식과 전신독성을 동시에 실시하는 경우, 대조 원재료와 시험 원재료를 동일한 동물에 이식하면 전신독성을 평가하기 어려워지므로 시험 원재료 이식군과 대조군은 따로 설정한다. 생체흡수성 원재료의 이식 기간은 분해과정에서 여러 가지 물질이 세립화 또는 용출하는 등 이식 국소의 환경이 초기와는 다르기 때문에 ① 분해가 아직 시작되지 않는 초기 ② 분해가 활발한 시기, ③ 거의 분해된 시기로 나누어 3가지 시기로 나누어 평가한다. 12주 미만의 단중기 이식 시험에 이용되는 동물종은 마우스 및 랫트, 토끼 등이 일반적이다. 장기(長期) 이식에서는 마우스, 랫트, 토끼, 개, 양, 염소, 돼지 등이 이용된다. 생체흡수성 원재료의 분해동태 및 생체반응 평가할 때에는 생체 내 이식시험에서 얻은 결과를 이용하는 경우가 많다. 이 시험은 원재료 그 자체를 체내에 이식하여 이식 부위에 미치는 영향을 평가하는 것이며 동시에 전신에 미치는 영향을 함께 평가하는 경우가 있다. 국제적 시험 방법으로는 ISO 10993-6:2016 ‘이식 후의 국소적 영향 시험’이 있으며 국내에서는 “의료기기의 생물학적 안전성에 이식 시험 방법이 소개되어 있다 동물시험 이전에 in vitro 에서 원재료가 어떠한 경로를 거쳐 분해되는지, 또 분해 시에 어떠한 구성성분이 어느 정도의 양으로 방출되는지를 확인해 계산하여 각 원소의 섭취 권장량에 비교해 둘 필요가 있다. 유사 체액인 생리식염액, 완충액, 인공혈장, 혈청첨가배지, 인공위액 및 장액 등에 원재료를 침지하고 37°C로 유지하여 방출되는 수소 가스의 양, 원소재 무게의 감소, 분해되어 나온 구성 성분을 분석함으로써 분해 속도를 파악할 수 있다. 이때 분해로 인해 침지하는 액의 pH, 침투압 등이 변화하면 모의 체내 환경이 아니게 되므로 용매의 선택과 교환 빈도에 주의해야 한다. 이 데이터에 따라 이식시험 시 관찰해야 할 시기를 대략적으로 판별할 수 있다.