장정호 요업(세라믹)기술원 청정·바이오소재팀장

1. 서론
치료 및 진단용 또는 생체 대체용으로 인체 내에 이식되어 사용되는 생체대체 산업은 의료기술이 발달하고, 인구의 고령화로 인한 사회의 의료복지 수요가 증가함에 따라 그 중요성이 크게 부각되고 있다. 2000년대 초반의 참살이(Well-being) 및 삶의 질(Quality of Life) 향상과 관련하여 바이오 산업은 미래 산업의 근간으로 주목받고 있다. 특히, 2005년 말부터 LOHAS (Lifestyles of Health and Sustainablity)에 편승하여 신기능 생체소재의 개발만이 미래 고부가가치 산업을 선점할 수 있는 기회로 자리매김 됨으로써 생체소재개발은 큰 이슈가 되고 있다. 현재까지의 생체소재 개발은 고분자 중심으로 발전을 해왔지만, 2000년도부터는 생체적합성과 높은 반응표면적을 갖는 신기능 바이오세라믹스 관련 소재를 중심으로 선진국에서 투자/개발 되어 오고 있다. 바이오세라믹 관련 산업은 인체의 골격을 유지하는 경조직 관련 소재산업과 바이오 마커 및 핵산 등의 고효율/고감도 생체분자 분리 및 진단 관련 소재산업으로 양분되는데, Merck, Biomet, Kyocera, Roche 등의 선진 대기업 등에서 전 세계시장을 석권하고 있다. 특히 몇 개의 대기업(Invitrogen, Promega)들은 불과 10년 전에는 작은 벤처기업 수준이었으나, 신기능 바이오세라믹스 도입/개발을 통해  현재 대기업 수준으로 발전하였다. 일반적으로 바이오 관련 산업은 투자대비 회수기간이 길고 시장이 작고 위험도가 높다는 인식을 갖고 있지만, 매년 산업성장율은 타 산업에 비해 월등하게 급성장하고 있다.
바이오세라믹 산업은 고강도와 고기능성을 포함한 지능형 소재를 이용한 기술개발을 통해 막대한 부가가치를 창출할 수 있는 미래 성장 동력산업의 근간이 되는 산업으로서, 기존의 의료산업과 생명공학 관련 산업에서 경쟁력 있는 소재시장 창출 구현이 가능한 핵심 소재산업이다. 현재까지는 투자대비 회수기간이 길다는 이유로 기술개발 투자 보다는 선진국의 기술 및 제품 수입에만 의존하고 있어 국가경쟁력 확보 차원에서 큰 어려움을 갖고 있는 실정이다. 바이오산업, 특히 생체재료 관련 산업의 핵심 기술은 1) 인체조직과 유사한 생체 조직의 제조를 가능케 하는 생체소재의 설계기술 및 담체화(스캐폴딩) 기술, 2) 생분해성 담체와 생체조직 세포간의 상호작용을 조절해 줄 생체신호 인식을 위한 바이오 인터페이싱 기술, 3) 생체조직 세포의 선별적인 채취 및 체외에서 대량으로 분리/생산하는 기술, 4) 줄기세포의 특정 조직화에 필요한 생리활성 물지의 배합 및 서방성 제제화 기술과 이들의 유전자 요법기술, 5) 개체 발달 학에 근거하는 특정 세포조직의 기본연구 및 면역학적 기초연구, 그리고 6) 동물실험과 인체에 적용되는 실제 임상기술이다. 세부적으로 바이오세라믹 소재 측면에서는 생체활성 세라믹스의 분말제조를 통한 임플란트 제조기술, 골형성 단백질 유도/방출 제어가 가능한 표면 활성화 기술, 고속/고효율  분리/진단을 위한 신기능소재 개발이 핵심기술이고, 복합화를 위한 핵심기술로는 골형성 유도체와 세라믹 소재 간의 복합화 코팅기술, 생체용 임플란트 소재의 표면 개질기술, 생체활성 세라믹 소재의 저온 코팅기술, 유/무기 소재간의 복합체 제조 기술 등이 있다. 한편, 제품의 제조 공정상의 핵심기술로는 실형상 성형기법을 통한 임플란트 제조기술, 인공관절과 같은 3차원 소재의 미세설계 및 가공기술, 소재 표면의 생체활성 기능부여 기술, 타겟 분자와 선택적 감응소재의 진단 키트화 기술 등이 있다. 이 기술은 기존의 방법과는 달리 상기한 공학/의학/생물학의 접목을 통해 이루어진 것으로써 성공적으로 수행하기 위해서는 각 분야의 기존 방법을 개선하여야 할 뿐만 아니라 새로운 기법도 창출해야만 현재로부터의 도약이 이루어 질 수 있다.

2. 바이오세라믹 산업 동향
가. 생체 임플란트 산업 동향
최근 치과용 임프란트 시술이 급속도로 증가하면서 국내 의료벤처 기업들을 중심으로 인공골 소재 산업 및 치과용 임플란트 산업의 국산화와 수출 시장 개척이 활발히 진행되고 있으며, 국산화가 진행되어 시장경쟁 영역을 넓혀가고 있다. 시장이 가장 큰 치과재료에서 국산 임플란트 제품의 시장 점유율이 급격히 증가하여 국산화율이 50%를 상회하고 있으며, 골 이식재의 시장도 동반 상승하는 추세로 관련업체의 기초 연구 및 제품개발이 매우 활발히 이루어지고 있다. 인공골의 경우 아직 시장규모가 미흡하지만 뼈가 삭제된 고난이도 환자들까지 늘어나면서 골이식재의 이용률이 점차 늘어가는 추세이며 꾸준하게 매출증대 효과를 보고 있다. 골이식재 소재로서는 자가골 (Autogeneous bone graft materials), 동종골 (Allogeneic bone graft materials), 이종골 (Xenogenic bone graft materials)과 합성골 (Synthetic bone graft materials)로 분류할 수 있으며, (주)코리아본뱅크, 한스바이오메드 등은 인체조직은행으로서 동종골 및 동종골을 활용한 조직수복용 생체 이식재를 출시중에 있으며, (주)오스코텍 및 (주) Dentsply Friadent CeraMed Dental에서는 이종골을 이용한 제품을 출시 중이며 (주)정산바이오메드, (주)푸르고, (주)서전엠디에스는 동종골을 출시 중이며, (주)덴티움, (주) NovaBone, (주)Curasa AG, (주)Oraltronics에서는 합성골을 출시 중이다. 현재까지는, 펩타이드를 함유한 골이식제 제품으로는 Dentsply Friadent CeraMed Dental회사의 Pepgen P-15가 유일하나, 여러 종류의 성장인자 (BMP, FGF, PDGF)를 함유한 인공골 제품이 연구 개발 중이며, 골재생력이 뛰어나 향후 골이식제 소재 산업의 큰 영향력을 미칠 것으로 본다.  
나. 바이오 분리/정제 산업 동향
국내의 경우 멤브레인 방식의 핵산 및 단백질 분리 소재를 활용한 제품이 주류를 이루고 있으며 수입품이 약 90% 정도 차지하고 있는 것으로 판단되며, 바이오 분리/정제용 소재기술 개발과 관련된 자성 비드 소재의 경우는 전량 외국에서 수입되고 있다. 수입되는 제품의 경우 마이크로미터 단위의 자성 비드가 대부분이며 표면 코팅은 실리카로만 구성된 것이 전량이다. 현재 멤브레인 형태의 필터 제품을 제조하는 대표적인 회사로는 왓트만, 3M, 폴 등이 있으며 이를 기반으로 하여 정제 키트를 제조 판매하는 회사로는 독일의 키아젠사(Qiagen), 미국의 프로메가(Promega)사가 전체 필터 형 핵산/단백질 분리 소재를 적용한 완성형 제품의 90% 이상을 차지할 정도로 시장을 독/과점하고 있는 것으로 분석된다. 관련 외국 제품의 경우는 독일의 코텍스(Cotexc)사, 빌라텍(Billatek)사, 키아젠사(Qiagen), 일본의 토요보(Toyobo) 및 미국의 프로메가(Promega)사 등이 제품화에 성공하여 현재 생명공학 시장에서 약 10% 정도의 시장 점유율을 보이고 있으며 연 평균 10% 이상의 지속적인 점유율을 보이고 있다. 이는 자성 비드 소재의 장점인 공정의 단순화 및 농축화가 유리하기 때문인 것으로 보이며 가격 또한 멤브레인형 소재대비 0.8배 정도로 과거에 비하여 월등한 가격 경쟁력을 갖춰 향후 핵산의 분리 정제 소재로 각광 받을 것으로 보여 진다. 필터 형 핵산 분리 정제용 자동 장비의 경우 키아젠, 프로메가사 등의 외국 유명업체가 국내시장을 거의 독점하고 있는 상황이나 시스템 구현(진공 감압 장치, 원심분리 장치 등이 요구) 및 복잡한 구동 시스템 및 과정으로 장비 시장에서는 대규모 설비를 요하는 곳에서 만 구입하고 있는 상황이고, 일부 소량, 소규모 장비가 개발 시판되고 있으나 가격이 높아 구매가 저조한 실정이다. 자성 마그네틱 소재를 이용한 장치의 경우는 프로메가사, 키아젠사가 제품개발에 성공하여 시판을 하고 있으나 가격이 비싸 구매에 어려움이 있다고 판단된다. 생물 장비는 질병의 진단, 치료와 관련 기초 분야로 핵산, 유전자, 단백질 등의 조작을 자동화 혹은 단순화한 기기를 포함하는 것으로 현재 병원용, 대학, 연구기관용 등 B2B 시장의 주종을 이루고 있으며 향후 실험실 단위용 등으로 시장이 확대될 것으로 보이는 고성장 분야이다. 장비 판매 과정에서 부속품, 시약 및 관련 핵심 소재 등의 매출이 추가로 발생한다는 장점에서 소재 원천기술력 확보에 따른 제품화가 성공적으로 진행될 시에는 부가적으로 매출 극대화가 가능할 것이다. (생물장비의 경우 부속품, 서비스, 소재의 16% 이상의 추가 매출이 발생함-삼성경제연구소, 바이오 신사업기회와 대응전략, 2004년, 제473호) 생물 장비는 상당한 규모의 시장이 형성되고 있으며 소수 선진업체의 우위가 확고함(2003년 세계 전자의료기기 시장은 282억 달러-연평균 6% 성장, 생물 분석장비는 240억 달러(연 8%) 성장을 기록함-Deutsche Bank, 2003년 자료)
다. 생체분자 검출/진단 산업 동향
생체분자를 고감도로 검출 하는 기술은 바이오센서 기술개발과 직결되는데, 현재 바이오센서 개발과 관련한 산업은 DNA 칩, 단백질칩 등이 주류를 이루고 있으며, 향후 Point-of-Care 형태의 산업제품에 집중될 것이다.  DNA칩 관련 업체는 칩용 소재, 다양한 관련 용액, 제작된 마이크로어레이 칩, 마이크로어레이와 같은 제작기기, 스캐너와 같은 분석 장비, 어레이 분석 및 data 처리를 위한 소프트웨어 등 다양한 분야에서 관련된 기업이 있다. DNA칩 산업은 현재 전체 칩 산업의 50%이상의 비율을 차지하고 있고 DNA를 이용한 단백질, 유/무기 화합물 등 그 사용범위가 넓어질 것으로 예상된다. Nanogen은 DNA가 (-) 전하를 띠는 성질을 이용하여 칩의 표면에 붙어있는 특정 위치에 (+) 전기를 넣어서 그 위치에 원하는 유전자를 붙게 만드는 법을 이용하여 DNA칩을 개발하였으며, 이를 이용한 다양한 산업적 쓰임새가 예상된다. 단백질칩 세계시장을 주도하고 있는 기업은 Cipergen Biosystems, Biacore AB, Luminex Corp., BD Bioscience Clontechm, Bio-Rad, HTS Biosystems, Hypromatrix, Perkin Elmer, Pierce Chemical, ProLinx, Zyomix 등이다. Global Industry Analysis Inc.의 2004년 보고서에 따르면 2003년도 단백질 칩 제조업체별 세계점유율을 살펴보면 현재 Biacore사와 Ciphergon사 두 업체가 단백질 칩 시장을 주도하고 있으며 시장 선점 경쟁을 벌이고 있다. 단백질칩은 1980년 말 스웨덴의 Biacore사에 의해 SPR 현상을 이용한 Biosensor 개발이 발표된 후 단백질 상호작용을 분석하는데 획기적인 방법을 제공하였다. 단백질칩 기술의 또 하나의 획기적인 발전은 1990년 초반 질량분석기술을 이용한 단백질의 상호작용 분석방법이 Ciphergen에 의해 개발하였다. Yale 대학의 Snyder연구팀에 의해 5,000개 이상의 효모 단백질의 기능성을 대량으로 분석함으로써 단백질칩의 실용화 가능성을 높였다(Zhu 등, Science, 2001). 이들은 2001년 Protometrix사를 설립하였으며 2003년 말 yeast proteome 유래 4300 단백질이 심어진 yeast proteome chip을 개발하여 시판하고 있다. Zyomix사는 3차원적 pillar type의 단백질 칩 표면 기술을 개발하여 제품화 하였다. 본 기술의 장점은 각 기둥의 tip에 단백질 컨텐츠를 올림으로써 non-specific binding을 최소화할 수 있으며, parallel dispensing 기술을 적용함으로써 nanoliquid handling device 없이도 단백질의 패터닝이 가능하게 하는 것이다. Zyomix사에서는 한 개의 채널에 200개의 post가 MEMS 공정에 의해 가공되어 있고, post 상단에 단백질이 고정화되어 있는 동일한 채널이 6개로 구성되어 1200개의 단백질을 분석할 수 있는 단백질 칩을 개발하여 판매 중이다. 또한 Lab-on-a-chip(LOC)의 경우 제약 및 생명공학 부분 뿐만 아니라 음식, 환경, 축산 등의 다양한 응용가능성이 있는데, D&MD 보고서에서 나온 Bio-chip 시장 동향을 보면 2016년까지 DNA 분야는 33%, 랩온어칩 분야는 102%라는 놀라운 시장 확대를 예측하고 있다. Cahners In-Stat/MDR에서 나온 최신 자료에서도 MEMS 기술의 의료 분야에서의 시장 규모를 12억$로 예상하고 있으며, 역시 매년 10%이상의 고성장을 기록할 것으로 예상되고 있다. 또한 장수명, 내장형, 실시간 분석이 가능한 시스템이 구현될 경우 그 산업 수요는 기하급수적으로 확대될 것이다. 
라. 국내 바이오세라믹 산업 동향
국내 바이오세라믹은 골 이식재, 치과재료에서 국산화가 진행되어 시장경쟁 영역을 넓혀가고 있으며, 인공관절, 진단 및 나노 응용 세라믹스는 거의 전량 수입에 의존하여 시장에서의 실질적인 경쟁이 이루어지고 있지 않은 실정이다. 생체재료 시장 중에서도 크기가 가장 큰 치과재료 시장에서 국산 임플란트 제품의 시장 점유율이 급격히 증가하여 국산화율이 50%를 상회하고 있으며, 골 이식재의 시장도 동반 상승하는 추세로 관련업체의 기초 연구 및 제품개발이 매우 활발하여  5~10년 사이에는 주요 제품군에서는 시장경쟁력이 있을 것으로 예상된다. 치과용 세라믹스분야의 경우 치과용 세라믹 부재, 치과용 임플란트 지대주는 동등, CAD/CAM 소재, 치과용 세라믹 임플란트, 치과보정용 브라켓은 다소 부족한 것으로 분석된다. 생체활성·분해성 이식재 분야의 경우 생체활성 유리 및 결정화 유리가 동등, 생체활성 칼슘 포스페이트, 생분해성 칼슘 포스페이트, 골 시멘트, 생체활성·분해성 코팅기술은 다소 부족한 것으로 분석된다. 생체불활성 이식재 분야의 경우 인공 추간판 세라믹은 동등, 수술장비용 세라믹 부품은 다소부족, 인공 고관절용 세라믹, 인공슬관절용 세라믹은 부족한 것으로 분석된다. 바이오 분리산업은 실리카 기반 컬럼 산업이 우세하나 기능성 분리시장 및 진단의료용시장 관련한 산업 기반은 매우 취약한 실정이다.

3. 맺음말
바이오세라믹 산업은 현재 그 기능을 극대화하기 위하여 사용되는 용도에 따라 다양한 형태로 기술 개발이 이루어지고 있다. 예를 들어 임플란트용 소재의 경우 고강도, 고기능, 생체 내에서의 안정성, 세포와의 접착성이 극대화 될 수 있는 방향으로 기술 개발이 이루어지고 있고, 분리정제용 소재의 경우 DNA/단백질을 선택적으로 고효율/고속으로 분리하기 위하여 소재표면을 처리하는 기술 개발이 필요하다. 바이오센서의 경우 단백질이나 셀을 고정화시키고 고정화된 바이오물질이 안정적으로 장시간 그 기능을 발휘할수 있게 하기위하여 glass 표면을 개질화하는 연구가 진행되고 있다. 미래에는 분리/정제/바이오센싱이 동시에 일어날 수 있는 소재 기술이 개발될 것으로 예상되며, 이러한 소재는 향후 생체내에서 삽입가능하여 실시간으로 생체활동이 모니터링 되는 기술로 발전할 것으로 기대된다. 이러한 기술을 해결하기 위해서는 소재가 생체친화적이며 기능을 생체내에서도 발휘할 수 있어야 한다. 바이오세라믹 산업의 특성상 원천소재의 개발은 부가가치가 다른 사업보다 상당히 크며, 한번 기술 우위에 접한 제품은 쉽게 수요자(병원의 임상의 및 연구소)가 다른 제품으로 바꾸지 않는다. 이는 진입장벽이 높지만 굉장히 안정적으로 수입을 창출할 수 있는 분야라 할 수 있다. 소재자체가 곧 제품인 바이오세라믹 분야는 인간의 평균 수명이 증가되고 있고 건강에 대한 관심도가 점점 높아지는 추세를 감안할 때 매우 중요한 국가의 미래 먹거리가 될 것이다. 

바이오세라믹 소재 산업의 변화 및 발전방향

장정호
충북대학교 화학과(박사)
미국 Pacific Northwest National Laboratory
(박사후 연구원)
현재 요업(세라믹)기술원 나노소재응용본부 청정바이오소재팀장

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