Design and strength analysis of a novel spherical hinge bio-Implant for the Human Metacarpophalangeal Finger Joint 

기술 요약: 인간 중수지절(MCP) 관절을 위한 새로운 구형 힌지 생체 임플란트의 설계 및 강도 분석

문제 제로 (Problem Statement)
중수지절(MCP) 관절은 손의 기능, 즉 움켜쥐기, 꼬집기, 글쓰기 등을 가능하게 하는 핵심적인 역할을 수행한다. 그러나 류마티스 관 관절염이나 골관절염과 같은 질환은 관절의 가동성과 강도를 심각하게 저해한다. 스완슨(Swanson), 아반타(Avanta), 뉴플렉스(Neuflex)와 같은 일체형 유연한 임플란트를 이용한 인공 관절 치환술이 표준 치료법이지만, 기존 설계는 한계가 있다. 임상 데이터에 따르면 스완슨 임플란트의 경우 파손율이 최대 67%에 달하며, 힌지-스템 접합부 또는 중앙 힌지 부분에 응력 집중 현상이 발생한다. 또한, 현재의 임플란트들이 구현하는 기능적 가동 범위(ROM)는 자연 관절의 능력(약 90° 굴곡)에 미치지 못하는 경우가 많으며, 이러한 유연한 생체 임플란트의 피로 수명과 강도를 예측하는 포괄적인 연구도 부족한 실정이다.

연구 방법론 (Methodology)
본 연구는 기존 Neuflex 임플란트에서 발견되는 직사각형 박스형 힌지를 대체하기 위해, 구형 힌지를 특징으로 하는 새로운 일체형 유연 임플란트의 설계 및 유한 요소 분석(FEA)에 초점을 맞춘다.

• 설계 개발: SolidWorks를 사용하여 새로운 임플란트의 3D 모델을 개발하였다. 주요 설계 특징은 다음과 같다:

  • 구형 힌지: 중수골두의 자연스러운 구형 모양을 더 잘 모사하고 잠재적으로 건(tendon)의 모멘트 암을 향상시키기 위해 기존의 박스형 힌지를 대체하였다.
  • 컷아웃(Cutouts): 힌지 상단의 타원형 컷아웃은 과신전을 용이하게 하며, 하단의 역 'V'자형 컷아웃은 굴곡을 용이하게 한다.
  • 예비 굴곡(Pre-flexion): 손가락의 자연스러운 휴식 자세를 재현하여 움직임 중의 변형을 줄이기 위해 스템을 30° 예비 굴곡하였다.
  • 치수: 기존 문헌과의 비교 가능성을 확보하기 위해 스완슨 임플란트(Size 7)의 치수와 중수골 및 근위 지골의 해부학적 데이터를 활용하였다.

• 재료 및 시뮬레이션:

  • 재료: 비압축성 대변형 거동을 고려하기 위해 2-매개변수 Arruda-Boyce 초탄성 구성 모델을 사용하여 의료용 등급의 Anasil 실리콘 고무를 모델링하였다.
  • 메싱(Meshing): 하이브리드 정식화(formulation)를 갖춘 10-노드 2차 사면체 요소(C3D10H)를 사용하였으며, 임계 힌지 영역에 미세 메쉬를 적용하였다.
  • 경계 조건: 중수 스템은 완전히 고정되었다. 근위 스템은 힌지 중심에 참조점(reference point)을 결합하여 z축을 중심으로 회전하도록 제한하였다.
  • 하중: 실제 관절 운동을 시뮬레이션하기 위해 변위 하중을 적용하였다: 30° 과신전 후 중립 위치(30°)에서 90°까지의 굴곡.
  • 피로 분석: ABAQUS 내의 FE-SAFE/Rubber 플러그인(Endurica 솔버)을 사용하여 굴곡 사이클에 초점을 맞춘 피로 수명을 예측하였다.

주요 기여 (Key Contributions)

1. 새로운 설계: 표준적인 박스형 힌지와 비교하여 가동 범위와 해부학적 충실도를 개선하기 위해 특정 컷아웃이 포함된 구형 힌지 기하학 구조를 도입하였다.
2. 비교 응력 분석: 동일한 하중 조건 하에서 새로운 구형 힌지와 기존 Neuflex 임플란트 간의 직접적인 유한 요소 비교를 수행하였다.
3. 피로 수명 예측: 기존의 유연한 임플안드 연구에서 흔히 결여되었던 지표인, 새로운 설계와 Neuflex 임플란트의 사이클 수명을 비교하기 위해 특화된 고무 피로 솔버를 활용하였다.

결과 (Results)
유한 요소 분석 결과, 새로운 구형 형 힌지 임플란트와 Neuflex 임플란트 간의 정량적 비교 수치는 다음과 같다:

• 응력 감소:

  • 과신전(30°) 시, 새로운 임플란트는 최대 von Mises 응력이 0.705 MPa로 나타났으며, 이는 Neuflex 임플란트의 0.922 MPa와 비교했을 때 23.54% 감소한 수치이다.
  • 굴곡(90°) 시, 새로운 임플란트는 최대 von Mises 응력이 2.106 MPa로 나타났으며, 이는 Neuflex의 3.121 MPa와 비교하여 32.52% 감소한 수치이다.
  • 두 경우 모두 가장 높은 응력이 중앙 힌지 영역에 집중되었으나, 새로운 설계에서 그 크기가 현저히 낮았다.

• 반력 모멘트 (Reaction Moments):

  • 과신전 시 반력 모멘트는 Neuflex(7.38 N-mm)에 비해 구형 임플란트(4.17 N-mm)에서 43.49% 더 낮았다.
  • 굴곡 시 반력 모멘트는 Neuflex(12.11 N-mm)에 비해 구형 임플란트(7.69 N-mm)에서 36.49% 더 낮았다.

• 피로 수명:

  • 피로 분석 결과, 구형 임플란트의 Log-Life 값은 9.225로, Neuflex의 5.627보다 높게 나타났다.
  • 이는 새로운 설계의 피로 수명이 약 $10^{9.225}$ 사이클임을 의미하며, 이는 Neuflex의 $10^{5.627}$ 사이클을 크게 상회하는 수치이다.

의의 및 주장 (Significance and Claims)
본 논문은 새로운 구형 힌지 설계가 Neuflex 임플란트에 비해 우수한 기계적 성능을 제공한다고 결론짓는다. 구체적으로, 이 설계는 다음을 입증하였다:

• 굴곡 및 신전 시 von Mises 응력을 현저히 낮춤으로써 강화된 강도.
• 낮은 반력 모멘트, 이는 움직임에 대한 저항이 적고 주변 뼈와 조직에 가해지는 스트레스가 적을 수 있음을 시사함.
• 예측된 피로 수명이 대폭 길어짐에 따라 반복적인 하중 하에서의 내구성이 향상됨.

저자들은 이러한 결과가 구형 힌지 임플란트가 향상된 강도와 수명을 가진 손가락 관절 치환술의 실행 가능한 후보임을 시사한다고 밝히고 있다. 다만, 본 논문은 이러한 결과가 시뮬레이션에 기반하고 있다는 점을 겸허히 명시하였다. 저자들은 실질적인 임상 적용을 위해 설계를 검증하기 위한 실험적 연구가 반드시 필요함을 명시적으로 언급하였다. 또한, 임플란트 수명을 더욱 향식시키기 위해 우수한 기계적 특성을 가진 대체 생체 적합성 엘라스토머를 탐색하는 것이 향후 연구 과제임을 확인하였다.