Development of Middle Ear Ventilation Tube in Korea

Cho, Yong Bum; Choi, Chang Nam; Cho, Yeon; Na, Ae Sun; Lee, Joon Kyoo; Jung, Ho Keun

Case Report

Hearing sciences

Korean Journal of Audiology 2002;6(1):35-40.

Development of Middle Ear Ventilation Tube in Korea

Yong Bum Cho¹, Chang Nam Choi², Yeon Cho¹, Ae Sun Na¹, Joon Kyoo Lee¹, Ho Keun Jung³

¹Department of Otolaryngology-Head Neck Surgery, Chonnam National University Medical School
²Faculty of Applied Chemical Engineering
³Department of Textile Engineering, Chonnam National University, Gwangju, Korea

한국형 중이 환기관의 개발

조용범^¹^, 최창남^²^, 조 연^¹^, 나애선^¹^, 이준규^¹^, 정호근^³

^¹전남대학교 의과대학 이비인후과학교실
^²공과대학 응용화학공학부
^³섬유공학과

Abstract

Tympanostomy tube insertion with myringotomy are widely used in otolaryngology for the treatment of middle ear disease including otitis media with effusion, recurrent acute otitis media, and cholesterol granuloma. They are manufactured with various materials in various size and shapes to drain middle ear effusion and restore air containing space. The problems associated with tympanostomy tubes are early extrusion, obstruction, erosin, et cetra. To solve this problems, we prepared the new type of middle ear ventilation tubes using silicon rubber/organoclay nanocomposite. It was fabricated by mixing the silicon rubber monomer with organoclay. The nanocomposite with well-exfoliated structure was obtained. As the content of organoclay increases, the tensile strength and the strain at break decrease. The decrease is considered by the insufficient cross-linking between silicon polymer chains on account of silicate layers, and the poor adhesion between silicon polymer and silicate. By adding the reactive compatibilizer when preparing the nanocomposite, it can be fabricated with good mechanical properties, and it couldbe used for middle ear ventilation tube.

Keywords: Tympanostomy tube;Otitis media with effusion;Silicon rubber/organoclay nanocomposite.

교신저자：조용범, 501-190 광주광역시 동구 학동 8번지
전화) (062) 220-6770 · 전송) (062) 228-7743 · E-mail：choyb@chonnam.ac.kr

서 론

중이 환기관은 삼출성 중이염을 비롯한 중이강 병변의 수술적 치료에 널리 사용되고 있다. 삼출성 중이염은 소아에 아주 흔한 이비인후과 질환으로서 1세이하 어린이의 34%에서, 2세 까지의 어린이들에서 59%가 1회 이상 중이염을 앓고 지나가는 것으로 알려져 있고,¹⁾ 이에 따른 중이 환기관 삽입술은 이비인후과 영역뿐만 아니라 모든 외과 영역에서 가장 흔히 시술되고 있는 수술이다. 한해에 미국에서는 약 2백만건 이상의 시술이 행해지고 있으며²⁾ 이에 따른 의료비용은 천문학적인 것으로 알려져 있다.
중이 환기관은 1860년 Politzer가 중이강내의 삼출액을 제거하기 위해 고막에 삽입하였던 단단한 고무관이 최초의 환기관으로 알려져 있으며,³⁾ 그후 1954년 Armstrong이 polyethylene을 이용하여 현재 사용중인 형태의 환기관을 고안하여 사용하였다.⁴⁾ 그후 여러 가지 형태와 다양한 재료를 이용한 환기관들이 개발되어 사용되고 있지만 조기 탈출, 환기관 폐쇄, 부식등의 많은 문제점들이 보고되고 있다.^5-10)
이와 같이 이비인후과 영역에서 많이 사용되고 있는 중이 환기관들은 모두 국외에서 개발되었고 많은 문제점들이 보고되고 있지만 전량 수입되어 사용되고 있는 실정이다. 그런데 최근 유기매트릭스(matrix)제인 고분자와 나노크기(nano size)의 충진제로 이루어진 고분자 나노복합재료복합재에 대한 관심이 높아지고 있으며 특히 실리케이트 적층구조를 지닌 점토물을 고분자 매트릭스에 박리, 분산시키는 고분자/실리케이트 나노복합체에 대한 연구가 많은 관심을 끌고 있다. 이러한 복합재료는 초미립자와 나노메타(nanometer, 10~9 m) 크기 효과 때문에 기존의 마이크로 복합재료와는 다른 독특한 성질을 가지는 것으로 알려져 있으며, 나노복합체가 성공적으로 제조되면 5% 정도의 첨가만으로도 인장강도, 탄성계수, 기체투과도 등의 성질이 크게 향상된다고 보고되어 있다.¹¹⁾¹²⁾ 따라서 이러한 고분자나노복합재를 이용하여 삼출성 중이염등의 중이강 병변의 수술적 치료에 널리 사용되고 있는 중이 환기관의 소재와 형태에 대한 연구를 통하여 인체에 더욱 적합한 환기관을 개발하여 하여 국산화하고자 한다.

재료 및 방법

시료 및 시약

실리콘 고무의 원료로 LSR 2060을 사용하였고, organoclay를 제조하여 사용하였으며, 상용화제로는 분자량 5000 g/mol 정도인 지방족 탄화수소로 구성되어 있고 분자쇄 말단이 수산기 및 에폭시기로 되어 있는 Kraton L-207(Shell chemicals Co, U.S.A.)을 사용하였다.

Organoclay 제조

300 ml 비이커에 8.1 g의 스테아릴 아민(stearylamine), 농염산 3.0 ml, 탈이온수(deionized water)를 150 ml 넣고 이를 80℃로 가열하였다. 한편 탈이온수 1500 ml에 점토 30 g을 넣고 80℃로 가열한 혼탁액을 준비하여 이를 전술한 용액에 첨가해서 1시간 정도 교반시킨 후 하얗게 생긴 침전물을 여과하고 뜨거운 물로 두세 번 수세하였다. 그것을 진공오븐에서 80℃로 건조시키고, ball-mill로 갈아 200 μm이하의 분말로 제조하였다.

실리콘 고무/Organoclay 복합재료

실리콘 고무의 원료인 LSR 2060 A에 제조한 organoclay를 혼합하고, 유화분산기(homogenizer)에서 2000 rpm으로 10분 동안 교반했다. 그 후 30분 동안 방치한 후, LSR 2060 B를 혼합하여 성형기에서 150℃로 20분 동안 가열하여 제조하였다. 이때 실리콘 고무(LSR 2060 A/B)와 organoclay는 99/1 wt %, 97/3 wt %, 95/5 wt %의 비율로 각각 혼합하였다.

실리콘 고무/Organoclay/Kraton L-207 복합재료

먼저 Kraton L-207과 organoclay를 90/10 wt%로 혼합한 것을 유화분산기에서 2000 rpm으로 10분 동안 교반하고 나서, 30분 동안 방치하여 Master Batch(MB)를 만들었다. 그리고, 실리콘 고무의 원료(LSR 2060 A/B)와 제조한 MB를 95/5 wt %, 90/10 wt %, 85/15 wt%의 비율로 혼합한 후, 성형기에서 150℃로 20분 동안 가열하여 제조하였다.

X-선 회절 측정

X-선 회절 데이터는 Cu-Kα radiation(λ=1.54Å)을 사용한 광각 X-선 회절장치(D/Max-1200 type, Rigaku Co., Japan) 이용하여 2°/min의 속도로 얻었다.

역학적 성질 측정

ASTM D638에 의해, 실온에서 만능시험기(Shimadzu Autograph AGS-500D)를 이용해서 인장강도와 신장율을 150 mm/min의 속도로 측정했다. 모든 결과는 최소한 3개의 시료를 측정하였다.

중이환기관의 제작

외경(d) 1.70~1.80 mm, 내경(c) 1.00 mm이고 양쪽에 크기가 다른 날개(a：3.25 mm, b：5.00 mm)가 달린 형태의 중이환기관(Scheme 1)을 제작하기 위한 몰드를 제작하고, 여기에 전술한 실리콘 고무복합체 원액을 넣어 150℃로 20분 동안 가열하여 제조하였다.

동물 실험

실험동물은 무게 300~400 gm의 백색 기니픽을 이용하였으며 nembutal 30 mg/kg을 복강내 주사하여 전신마취를 시킨후, 이개후부를 절개하고 피하조직과 근육을 절개한후 중이골포를 노출하고 미세드릴을 이용하여 골포를 일부 제거한 후에 제작된 실리콘 중이환기관을 고막과 중이 골포에 유치시켰다.
실험후 3일, 10일, 3주일에 실험동물을 전신마취하에서 희생시 키고 실험동물의 측두골을 분리하여 2% paraformaldehyde, 2% glutaraldehyde가 들어 있는 고정액에서 고정하였고 고정된 조직은 cacodylate buffer(o.1 M, pH7.4)로 수세한 후 2% osmium tetroxide로 후고정하였다.
조직은 에틸알콜로 탈수시켜 propylene oxide를 거쳐 Epon침투 후 포매괴를 만들고 Sorvall MT 5000초박절기를 이용하여 절편을 만든후 관찰하였다.

결     과

Organoclay입자는 실리콘 고무 매트릭스에 균일하게 잘 분산되었다(Fig. 1). 실리콘 고무/organoclay 나노복합재료는 실리콘 고무와 비교해서 인장강도가 약간 저하되었으며(Fig. 2). 실리콘 고무/organoclay 나노복합재료에 가교가능 물질을 첨가해주면 신장 성질은 증가하였다(Fig. 3). 실리콘 중이환기관을 중이골포에 유치한 3일 후 6귀중 4귀에서는 특이한 소견을 관찰할 수 없었으며, 2귀에서 중이골포와 고막에 접하여 조직 삼출액이 관찰되었고(Fig. 4), 10일 후에는 6귀중 5귀는 중이골포와 고막은 정상 소견이었으며 1귀에서 골포측의 고막점막상피의 탈락과 고막상피의 증식이 관찰되었다(Fig. 5). 3주 후에는 4귀에서 모두 중이골포는 정상소견이었으며 고막도 정상이었다(Fig. 6).

고     찰

중이 환기관은 이비인후과영역에서 중이강 병변의 수술적 치료에 널리 사용되고 있으며 삼출성 중이염과 같은 중이 병변에 따른 중이 환기관삽입술은 이비인후과 영역에서 가장 흔히 시술되고 있는 수술이다. 고막 조작에 의해 중이강 질환을 치료하려는 시도는 17세기부터 시작되었으며 중이염에 의한 청력 장애를 회복시키기위해 고막을 파열시키거나 고막을 천자하여 체액을 제거한 후에 청력을 개선시키려는 시도가 있었지만 청력개선효과가 오래 지속되지 못하였음이 보고되었으며,^13-15) 1860년 Politzer는 최초로 장액성 중이염의 치료에 고무관을 사용하여 그 효과를 관찰하였으며³⁾ 이후 고막 천공을 유지하는데 여러 방법이 시도되었다. 1954년 Armstrong이 만성 삼출성 중이염의 치료에 indwelling tympanostomy 개념을 도입하고 polyethylene을 이용하여 현재 사용중인 형태의 환기관을 고안하여 사용하였다.⁴⁾ 그후 grommet, T-tube, beveled 등의 여러 가지 형태와 polyethylene, stainless, silastic, Teflon, 금 등을 소재로 한 다양한 환기관들이 개발되어 사용되고 있지만 조기 탈출, 감염, 환기관의 폐쇄, 활성, 환기관의 부식등의 많은 문제점들이 보고되고 있다.^5-10)
실리콘은 유기기가 결합되어 있는 규소가 실록산 결합(Si-O-Si)에 의해 연결되어 생긴 폴리머를 말하며, 실리콘 고무는 규소고무라고도 불리는 합성고무의 일종이다. 일반적인 합성고무의 주사슬이 탄소-탄소결합인 것에 대하여 주사슬이 규소-산소결합으로 구성되어 있다. 실리콘 고무는 고무탄성이 -70~200°C의 넓은 온도 범위에서 유지되고, 전기적 성질 및 내후성 등이 우수하기 때문에 여러 분야에서 응용이 넓어져 가고 있다.
최근 매트릭스(matrix)제인 고분자와 나노크기(nano size)의 충진제로 이루어진 고분자 나노복합재료에 대한 관심이 높아지고 있으며, 실리케이트 적층구조를 지닌 점토물을 고분자 매트릭스에 분산 박리시킨 고분자/실리케이트 나노복합체에 대한 연구가 많은 관심을 끌고 있다. 이와같은 나노복합체는 나노메타 (nanometer, 10~9 m) 크기의 효과 때문에 기존의 마이크로 복합재료와는 다른 독특한 성질을 가져, 용도에 따라 다양하게 응용할 수 있다고 보고되어 있으며,¹¹⁾¹²⁾ 이러한 특성을 이용하여 중이환기관을 개발하고자 하였다.
Organoclay, 실리콘 고무/ organoclay 복합재료, 실리콘 고무/ organoclay/Kraton L-207 복합재료 의 X-선 회절 패턴을 도시한 Fig. 1에서 organoclay의 XRD패턴을 보면 2θ가 4.7°에서 강한 피크가 나타나고 있으며, 반면 복합재료에서는 이 피크가 사라졌음을 확인할 수 있다. organoclay에서 나타난 이 피크는 점토 층의 결정구조 때문에 나타난 것이며, 층간 거리를 Bragg 식(d=λ/2 sin Θmax)에 의해 계산해 보면 약 18.8임을 알 수 있었다. 한편 복합재료에서는 4.7°에서 나타난 피크가 사라졌으며, 이는 점토의 결정구조가 개열, 박리되어 매트릭스내에 잘 분산되었다는 것을 의미한다.
Fig. 2에서 실리콘 고무/ organoclay 나노복합재료의 organoclay 함량에 따른 인장강력과 절단신도가 organoclay의 함량이 증가할수록 감소하고 있는 것을 알 수 있었다. 이는 일반적인 마이크로 복합재료의 거동과 비슷한 것으로써 organoclay가 실리콘 고무 매트릭스 내에 잘 분산되어 있을지라도, organoclay가 첨가됨으로써 실리콘 고무의 제조시에 가교반응이 충분히 일어나지 않고 실리콘 고분자와 실리케이트 사이의 접착이 잘 일어나지 않은 때문으로 생각되었다. 따라서 가교반응 및 접착이 충분히 일어나게 하기 위하여 반응성 상용화제인 Kraton L207을 첨가하여 3성분계 복합재료를 준비하였다. 이의 역학적 성질을 Fig. 3에 나타내었다. Kraton L207이 첨가된 마스터 배치(master batch, MB)의 함량에 따른 역학적 거동에서 MB의 함량이 증가함에 따라 인장강력은 그대로 유지되면서 절단신도는 증가하였다. 이는 organoclay만 첨가했을 때와는 다른 거동으로써, 고무 탄성이 우수해졌음을 의미한다. Kraton L207은 말단에 에폭시 구조를 가진 화합물이다. 따라서 이를 사용하여 복합재료를 제조하면 가교반응의 기회가 많아져서, organoclay 첨가에 따른 미가교반응의 부위를 보상해주고 실리콘 고분자와 실리케이트의 계면에서 접착성이 좋아지기 때문으로 생각되었다.¹⁶⁾¹⁷⁾
제작된 실리콘 중이환기관을 중이골포에 유치한 3일후 6귀중 2귀에서 중이골포와 고막에 접하여 관찰된 삼출액내에서 염증세포들은 발견되지 않았으며 실리콘 중이환기관에 의한 이물 반응이나 염증성 반응에 의한 것이라기 보다는 절개된 이개후부의 피하조직이나 근육들에서 발생한 조직액들이 일부 제거된 골포를 통해 중이강내로 유입된 것으로 생각되었다. 특히 한귀에서 제거된 골포를 통해서 주위의 일부 연조직들이 골포내로 유입되어 조직액과 접촉되어 있는 것이 확인 되었다. 또한 실험 10일후 1귀에서 고막이 외이도 방향으로 약간 돌출될 정도로 중이강내에 유치된 환기관이 고막과 골포사이에서 고정되어 있었으며 관찰된 골포측의 고막점막상피의 탈락은 중이강내에 유치된 환기관이 고막과 골포사이에서 기계적인 자극을 주고 중이강의 점막에 접촉되어 고막상피의 점막이 기계적으로 손상을 받아 발생한 것으로 생각되었으며 고막표피세포들의 증식은 점막과 고유층을 통한 환기관에 의한 기계적 손상 때문인 것으로 사료되었다. 실리콘 환기관을 중이강내에 유치한 3주후에는 4귀 모두에서 중이골포는 정상소견이었고 고막도 정상이었으며 이는 실리콘 환기관에 직접적인 염증 반응은 없는 것으로 사료되었다.

결     론

중이환기관은 이비인후과영역에서 삼출성 중이염을 비롯한 중이강 병변의 치료에 널리 사용되고 있으며 여러 가지 형태와 재료를 이용한 환기관들이 개발되어 사용되고 있지만 조기 탈출, 환기관 폐쇄, 부식등의 많은 문제점들이 보고되고 있다. 최근 많은 관심을 끌고 있는 실리케이트 적층구조를 지닌 점토물을 고분자 매트릭스에 박리, 분산시키는 고분자/실리케이트 나노복합체를 이용한 중이환기관 개발에 대한 실험을 하였다. Organoclay입자는 실리콘고무 매트릭스에 균일하게 분산되었으며 organoclay가 많이 첨가될수록 실리콘고무/organoclay 나노복합재료의 인장강력 및 절단신도는 저하되었으나 실리콘고무/organoclay 나노복합재료에 가교가능한 상용화제를 첨가해주면 인장강력은 그대로 유지되면서 절단신도는 증가하여 중이환기관 제작에 적합할 것으로 사료되었다.

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