척추사이원반과 콜라겐의 구조 및 생체역학적 특성

섬유테는 원반의 바깥부분에 고리모양으로 된 부분이다. 섬유테의 바깥쪽은 주로 I형 아교섬유이고, 안쪽은 주로 II형 아교섬유로 되어 있다. I형은 인장력 부하에 저항하는 반면, II형은 압박 부하에 저항한다. 원반에서 섬유테는 60~70%의 수분을 함유하고 있다. 섬유테에서 아교섬유는 충판(lamellae)이라고 불리는 10~12개의 동심층으로 배열되어 있으며, 앞쪽과 가쪽 부분이 두껍고 뒤쪽 부분은 얇다. 섬유테의 아교섬유는 인접 층판과 교대적인 방향으로 향하며, 바깥쪽은 수직에 대해 약 30도 사선 방향이고, 중심으로 가면서 각 층은 더 수평이 된다. 섬유테의 바깥부분은 종판에 덮여있지 않으며, 표면의 층판은 척추뼈몸통(veterbral body)으로 직접 들어간다. 섬유테와 척추뼈몸통을 직접적으로 연결하는 섬유는 샤피(Sharpey) 섬유이다. 척추종판은 두 가지 유형의 연골, 즉 척추뼈몸통 쪽으로는 초자연골로 되어 있고, 원반 쪽은 섬유연골로 이루어져 있다. 종판은 전체 속질핵을 덮고 있으나 섬유테의 가장자리는 완전히 덮을 만큼 넓지는 않다. 종판과 섬유테는 관절연골에 있는 것과 비슷한 프로테오글리칸 집합체를 함유하고 있다. 광범위한 콜라겐 부착으로 종판은 원반과 강하게 연결되어 있다. 출생 시에는 원반에 혈액공급이 충분히 이루어지지만, 성장하면서 체중부하에 의한 압박력이 증가하여 원반의 바깥쪽에 있는 혈관만 기능을 한다. 성인의 경우 원반으로 들어가는 혈관은 뼈몸통끝(metaphy-seal)동맥의 작은 분지이며, 섬유테의 가장 바깥섬유만 관통한다. 섬유테의 가장 바깥쪽을 제외하고 원반은 삼투시스템을 통한 확산에 의해 모든 영양분이 공급되고 노폐물이 제거된다. 노화와 일부 질병은 종판 석회화를 야기하고, 정상적인 확산을 방해한다. 건강한 종판에서 중심핵은 신경지배를 받지 않으나, 섬유테의 바깥쪽 1/3은 신경지배를 받는다. 척추사이원반의 통증은 바깥쪽 섬유테의 압박이나 손상으로 인식될 것이다. 척추사이원반의 기능은 부하를 전달하고, 척주(spinal column)에 유연성을 제공하며, 인접 척추뼈몸통에 고정시켜 척추를 안정시킨다. 콜라겐은 결합조직의 주된 물질이고, 조직에 강도(strength)와 강직(stiffness)을 제공한다. 아교섬유는 그들끼리 함께 연결되어 있으며, 섬유 사이의 연결이 더 많을수록 인장강도(tensile strength)와 구조적 안정성이 더 높다. 신체에는 여러 종류의 콜라겐이 있으며, 신체에 있는 콜라겐의 80~90%는 I, II, III형으로 구성되어 있다. 가장 높은 비율을 차지하는 I형 콜라겐은 힘줄, 인대, 근막, 연골, 반월판, 관절주머니, 활막, 뼈, 척추사이원반의 섬유테 그리고 피부를 포함한 거의 모든 결합조직에 존재하며, 강하고 두꺼운 섬유가 높은 밀도로 충전되어 있다. 이것은 조직에 가해지는 인장력에 대한 부하를 견디는데 중요한 역할을 한다. II형 콜라겐은 얇은 섬유로 구성되며, 초자연골(hyaline cartilage)과 척추사이원반의 속질핵에서 관찰된다. II형 콜라겐의 주된 기능은 간헐적인 압박에 대해 저항하는 것이다. III형 콜라겐은 피부, 평활근, 신경, 혈관, 관절주머니의 윤활막층 그리고 회복되는 조직에서 발견된다. 이것은 상처 회복과 상처조직 형성의 초기에 필수적으로 존재한다. 새롭게 합성된 기질의 기계적 강도를 초기에 확보하는 역할을 하며, 비교적 얇고 약한 섬유로 되어 있으나 회복과정을 통하여 강한 제1형 아교섬유로 대치된다. 콜라겐은 조직마다 서로 다른 구성과 형태를 지니는 인체의 주된 구성단백질이다. 콜라겐섬유는 인대, 힘줄 및 근막과 같은 일반 결합조직에서 가장 흔하게 관찰된다. 콜라겐의 기본 분자는 프로콜라겐(procollagen)으로 섬유모세포(fibroblast)에서 생성된다. 풋콜라겐은 세 개의 폴리펩타이드 사슬(polypeptide chain)로 구성되며, 각 사슬은 세 가지 아미노산-글리신(glycine), 프롤린(proline), 라이신(lysine)이 반복되는 삼중 나선구조의 특징을 지닌다. 프로콜라겐 분자는 섬유모세포의 세포질그물(endo-plasmic reticulum) 밖으로 이동되며, 끝부분은 짧은 모콜라겐(tropocollagen) 분자를 형성하기 위해 제거된다. 모콜라겐 분자는 콜라겐 미세원섬유(microfibrils)의 구성요소를 형성한다. 미세원섬유가 합쳐져서 섬유가 되고 최종적으로 다발(fascicle)이 된다. 다발의 집합은 인대 또는 힘줄과 같은 구조물을 형성한다. 콜라겐은 몇 가지 생체역학적 그리고 물리적 특성을 가지고 있으며, 이것은 조직이 높은 인장력 스트레스에 저항하도록 허용하고, 생체역학적 힘과 변형에 저항할 수 있도록 한다. 콜라겐의 생체역학적 특성은 탄력성(elasticity), 점탄성(viscoelasticity), 소성(plasticity)을 포함한다. 탄력성은 신장(elongation) 후에 정상 길이를 회복하는 능력이고, 점탄성은 변형 후 정상 길이와 모양으로 천천히 되돌아오는 것을 허용하고, 소성은 영속적인 변화 또는 변형을 허용한다. 물리적 특성은 힘 이완(force relaxation), 크립 반응(creep response), 이력현상(hysteresis)을 포함한다. 힘 이완은 시간이 지남에 따라 설정된 변형(deformation) 또는 변위의 양에서 조직을 유지하기 위해 요구되는 힘의 양이 감소하는 것을 의미하고, 크립 반응은 일정한 부하가 가해지는 동안 시간이 지나면서 조직이 변형되는 능력이다. 이력현상은 변형과 변위 동안 조직이 이완되는 양이다. 즉, 반복적인 신장으로 조직에 스트레스가 적용될 때 열이 발생하고 조직은 더 쉽게 신장되어 길이가 증가된다.