바이오세라믹스 - 자연을 닮은 재료

편집부(외신)

주변 과학 분야의 발전은 바이오 물질 개발에 많은 도움이 되고 있으며, 생체 의학계에서 학문간 공동 연구도 꾸준히 증가하고 있는 추세이다.
새로 등장하는 재료들은 현재 치료할 수 없다고 생각해왔던 질병에 대한 새로운 치료법을 가능하게 해줄 것으로 기대하게 한다.
이것이 ‘첨단 의료 재료 : 기술의 융합화가 풀어나가야 할 문제’를 주제로 열린 National Research Council 워크숍의 프로시딩을 요약한 리포트의 공통된 의견이다.

혁신개발의 지체
이 리포트는 “이 기술의 융합은 새로운 기회를 주면서도 새로운 문젯거리도 주고 있다”고 지적하였다. 생명공학과 물리학에서의 과학적인 발견사항들이 발전 속도를 빠르게 해주고 있음에도 불구하고, 이들 발견들은 같은 속도로 의학계의 혁명에 이식되고 있지는 않다.
2004년에, 미국 보건청 내에 의학계 혁명 태스크 포스 팀을 신설하였다. 이 태스크 포스 팀은 새로운 생각을 평가하여, 의학 기술 분야에 발전의 속도를 높일 수 있도록 건강관리 분야에서 혁신을 도모할 수 있는 새로운 방법을 지원하는 것을 목표로 하고 있다고 과학 & 기술 연구소, 장치 & 방사선 의학, 미국 식품 & 의약청의 Larry G. Kessler는 말했다.(전체 리포트는 다음 사이트에서 읽을 수 있다. www.hhs.gov/refe
rence/medicalinnovation.html)
Kessler는 정부와 산업체는 지난 수십 년 동안 의학 연구에 대한 지출을 꾸준히 증가시켜왔지만 FDA에 제출된 주요 상품들은 감소했다고 지적하였다.
이번 출판된 것 외에서도 세 개의 선두 바이오세라믹 기업들(Mo-Sci Corp., Zimmer Inc. 그리고 Orthovita Inc.)이 발간하는 Materials Information Luncheon 최신호에서 전 세계적인 경쟁 분야에서 미국이 선두위치를 유지할 수 있도록 바이오세라믹 관련 기자들이 R&D에 대한 정부의 적극적인 지원을 요구하는 기사를 찾을 수 있다.

현재 바이오세라믹 제품
Rockwood Specialties Group Inc.의 사업 유닛인 Ceram
Tec AG은 자사가 첫 번째로 FDA의 승인을 받은 세라믹 엉덩이 관절 부품 공급자임을 광고하였다.  CeramTec 북미 사업부는 American 社의 본사이다.
CeramTec에 따르면 최근 엉덩이 뼈 교체 제품에서, 엉덩이 시스템과의 모듈성 원칙이 잘 정립되어 있고, 의학적으로 증명되었다.
모듈성은 비구 껍데기가 폴리에틸렌, 결합 폴리에틸렌, 금속이나 세라믹으로 만들어진 비구 컵 삽입품과 함께 환자의 필요에 따라서 결합된다. 세라믹 볼 머리와 컵 삽입품은 젊은 활동적인 환자뿐만 아니라 금속 알레르기가 있는 환자에게 최적의 해결책을 제공해준다고 한다.
고강도 인공 뼈
미 국립 건강 통계 센터에 따르면 150,000건이 넘는 엉덩이 뼈 교체 수술과 거의 300,000건이 넘는 무릎 교체 수술이 2000년에 행해졌다고 한다. 이러한 통계 수치는 베이비 붐 세대 때문에 가까운 미래에는 더욱 늘어날 것으로 예상되고 있다.
오늘의 인공 관절은 금속 합금과 세라믹으로 만들어져 있어, 염증과 면역 반응을 자극해 몇 년 후에 수술을 또 다시 해야 했다. 더 뛰어난 의료 재료에 대한 수요는 인공 관절 분야에서 더더욱 커지고 있었다.
인공 뼈는 오랜 수명이 요구되기 때문에, 연구진은 자연으로부터 힌트를 얻어 새로운 재료를 개발하게 된다.
미국 캘리포니아에 있는 DOE Lawrence Berkeley 국립 연구소의 과학자들은 올해 초, 바닷물이 어는 방법을 이용하여 현재 뼈 합성에 사용되고 있는 재료보다 4배 강한 다공성 구조용 재료를 개발했다고 발표하였다.
Berkeley 연구실의 재료공학 팀의 Antoni P. Tomsia와Sylvain Deville, Eduardo Saiz와 Ravi Nalla가 이끄는 이 연구팀은  연체동물 껍데기에서 간혹 발견되는 미세 층형 물질인 진주층의 복잡한 구조를 반영한 화합물을 개발하였다.
바다의 비밀
Berkeley 팀은 수산화인산석회(hydroxyapatite)의 수용액을 만들어 얼렸다. 바닷물에 들어있는 불순물이 얼 때처럼, 수산화인산석회는 얼음 결정 사이에서 농축되어 층을 형성해 진주층과 같은 물질을 만들어냈다.
연구진은 냉각 속도를 높이면 층간 구조의 크기가 작아진다는 것을 알아내었다. 결국 연구진은 자연에서 얻을 수 있는 진주층의 크기보다 두 배 정도 크기인 1 마이크로 크기의 미세 구조를 얻어낼 수 있었다. “우리는 자연으로부터 0.5 마이크로 떨어져 있는 셈이지요”라고 Tomsia가 말했다.
얼음이 승화를 통해 제거되면, 남겨진 것은 넓은 크기를 갖는 진주층과 유사한 다층의 수산화인산석회로 구성된 다공성의 구조물이다. 각 층의 표면은 거칠어 어떤 물질이 구조물 사이를 채워도 구조가 움직이지 않게 도와준다.
“이러한 특성은 구조 재료의 취성을 강화시키는데 기여를 하게 됩니다. 크랙이 쉽게 전파되지 못하고 재료를 끊기 위해 더 많은 에너지가 필요하게 되지요. 이러한 특성은 다공성 수산화인산석회가 현재 뼈 대체용으로 사용되고 있는 재료보다 약 4배 정도 큰 강도를 갖게 합니다”라고 Tomsia는 말한다.

새로운 뼈 이식 기술
미래에, Berkeley 연구실 연구진은 성장 뼈세포가 다시 발생하도록 구조물을 조정하고자 노력하고 있다. 이렇게 하기 위해, 구조물 층간의 공간은 수 주간동안 열화되고 염증 염려가 없으며 뼈 성장을 자극하는 유기 폴리머로 채워진다.
이 고밀도 수산화인산석회-폴리머 화합물을 새 뼈가 자랄 필요가 있는 곳에 이식하는 것이 이 아이디어이다. 시간이 지날수록 폴리머가 열화되고, 구조물의 다공성이 높아지고 성장 세포가 자극 받아 뼈세포가 새롭게 형성되는 구멍에 침투할 수 있게 도와준다.
“다공성은 뼈가 자라면서 동시에 생기게 되는 것입니다. 폴리머가 열화될 때, 뼈세포는 다공성 세라믹 구조물로 성장해 나가 예전 뼈와 새로운 뼈가 합쳐지도록 합니다. 우리는 몸에 구조물을 제공하고 나머지 일은 세포들이 하는 것이지요” Tomsia가 말했다.
Berkeley 연구소의 연구진은 인공 관절에 적용하기에 충분히 큰 샘플을 만들기를 원하고 있다. 연구진의 얼음 형판 제작 기술은 인 뼈 구조 외에도 여러 방면에서 응용될 수 있을 것으로 기대되고 있다. 구조물은 꼭 수산화인산석회가 아니더라도 어떤 용액에서도 얻을 수 있고, 층간의 공간은 다양한 용융 금속, 폴리머, 레진 등으로 채울 수 있다.
호주의 시드니 기술대학의 과학자 Besim Ben-Nissan은 새로운 뼈합성 교체 물질 제조 기술을 개발했다고 발표하였다.
“긴 뼈나 척추, 전체 엉덩이 뼈 교체나 무릎, 치과용 임플란트와 같은 인공 관절을 위한 생체 활성화 코팅과 같은 하중을 견뎌야 하는 곳에 뼈 이식을 사용될 수 있습니다”라고 Ben-Nissan은 설명하였다.
BioAlmog라고 알려진 이 새로운 물질은 수산화인산석회로부터 얻어졌다. 호주의 NanoCoating Pty. Ltd에서 Bio
Almog를 생산하고 있다. Ben-Nissan에 따르면, 기계적 특성에서 혁신적인 발전을 보였다고 한다.
“이러한 이점들은 변화 처리와 새로운 졸-겔 기술을 사용한 탄화 인회석 나노코팅에서부터 나온 것입니다”라고 Ben-Nissan은 설명하였다.

뼈 이식 대체
워싱턴에 지사를 두고 있으며, 본사는 프랑스에 위치하고 있는 Biocoral 社는 R&D와 생체 재료, 생체의학 기술과 바이오테크놀로지에 중점을 두고 활발한 연구를 진행 중이다. 이 회사는 미국외의 여러 국가에 Biocoral짋 뼈 이식과 골아세포, 구강, 턱 부위에 관련 뼈 성장 제품을 제조 및 판매하고 있다.
CEO인 Nasser Nassiri에 따르면 산호의 화학적, 물리적 구조적 특성은 어떤 부분에서 인간의 뼈 조직과 흡사하다고 한다. Biocoral은 자연에 풍부하게 존재하고 있는 세 특수 산호 종에서부터 축출되었다. 이들 산호는 98%이상 칼슘으로 이루어져 있다. 이들 산호는 인공적인 모양으로 가공되었다.
이들 산호는 뼈 조직과 유사하기 때문에 새로운 뼈가 Biocoral에 침투할 때 몸에 의해 흡수되어 몸과 잘 어울리게 되어 새롭게 형성된 침투체에 의해 교체된다. Biocoral이 몸에 대체되는 것은 뼈 이식의 자가 이식원리를 이용한 것이라고 Nassiri가 설명하였다.

나노화합물 재료
미국 플로리다에 위치하고 있는 BioLoK Internatinoal 社는 뼈 성장과 치과 산업 전문가들을 위한 의학적으로 안전하고 나노화합물을 이용한, 칼슘 황화물 배포 제품인 BoneGe-TR을 판매하게 되었다고 발표하였다.
상업화는 7월 하순 즈음에 시작되어 9월에 전체 시장에 풀리게 될 것으로 예상되고 있다. CEO인 Hollander는 나노화합물 재료가 몸에 의해 완전히 흡수되어 새로 형성되는 뼈 외에 아무것도 남지 않는다고 말하였다.
Berkely 연구실의 Carolyn Bertozzi는 그의 동료들과 함께 뼈와 치과용 임플란트, 뼈 성장, 뼈 결함을 위한 세포 기반 치료법, 플렉서블, 교정가능 뼈-의태 화합물 제품을 개발하였다.
Bertozzi는 뼈와 같은 화합물 재료를 제조하는 기술은 수산화인산석회와 pHEMA 하이드로젤 폴리머와 함께 섞어서 만들 수 있었다고 말했다. 정형외과적인 임플란트에서 사용되고 있는 현재의 이식 재료와는 달리, Berkeley 화합물은 조직과의 접착과 성장을 돕는다고 한다.
Bertozzi 그룹은 넓은 범위에 사용될 수 있는 경량의 화합물 재료를 만들기 위해 폴리머 구조물에 고밀도의 미네랄을 첨가하는 속도가 빠르고 값이 저렴한 방법을 개발하였다. 이 기술은 세라믹과 금속 또는 반도체를 하이드로젤에 섞는데 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

앞으로 해결해야 할 문제들
첫 세대(생체 이식재료)와 두 번째 세대(생체 활성과 흡수가능) 생체 세라믹 이식 제품은 급속히 고령화 되는 사회에 이익이 되었다. 그러나 Larryu L. Hench에 따르면, “생존 가능 분석 결과 1/3에서 1/2의 인공 구조물이 10~25년 이내에 쓸모없게 된다”고 한다.
그는 “20년동안 진행된 연구가 인공 구조물의 수명을 늘리는데 큰 역할을 하지 못했다. 우리는 현재 강조되고 있는 생체 조직 교체 분야에서 의학적 한계에 도달했다”고 지적했다.
“3세대 생체 재료는 조직 재생, 부드러운 조직의 조직 공학, 줄기세포 공학, 만성 상처의 치료 및 감염 조절, 자국 보안의 21세기 동안 해결해야 할 다섯 가지 문제가 있다”고 Hench가 말했다.
최근 영국의 Imperial 대학 내에 위치한 재료와 조직 공학과 재생 의학 센터에서 퇴임한  Hench는 6월 26일 Toronto에서 개최된 첫 번째 세라믹 국제 학술대회의 만찬 초청 강사였다.

미래의 암시
Hench는 “환자 맞춤 새로운 유전자 활성 생체 재료를 만드는 것이 가능해져야 합니다. 나이든 조직의 건강을 유지하기 위해 생체 활성 자극이 유전자를 활성화 하는 것이 가능합니다”라고 확신에 찬 어조로 말했다.
“몇 년 전만 해도 이러한 개념은 불가능해 보였습니다. 우리는 30년 전만 해도 살아있는 세포조직을 대체하는 재료에 대한 개념이 불가능하다고 여겼던 것을 기억해야 합니다”라고 Hench는 말했다.
우리는 NRC 생체 재료 워크숍 리포트로부터 조심스럽게 대두된 말을 잘 염두에 두어야 한다. “과학적인 발전은 연구되고 있는 시스템의 거대한 복잡성을 알게 해주었다. 그러나 그러한 과학적인 발전이 지금 나타나고 있는 어려운 질문들 때문에 기술 전이를 늦출 수 있다고 여겨질 수 있다” 프로시딩의 복사본을 다음 웹페이지에서 볼 수 있다. www.nap.edu
(Ceramic Bulletin)

<사진1> 엉덩이와 무릎 대체 수술에 사용되고 있는 알루미늄 산화물로부터 만들어진 다양한 제품들. 대퇴부 부품들은 CeramTec의 새로운 Biolox짋 Delta ZTA 재료를 사용하여 만들어졌으며 유럽에서 처음으로 의학적으로 이식되는 것을 조만간에 볼 수 있는 개발 프로젝트에 의해 개발되었다. 미국 시장에는 Biolox짋 Forte 머리와 이식 삽입체만이 판매되고 있다.

<사진2> 진주층의 미세 사진. 천연 진주층은 무기 칼슘 카보네이트 층이 유기물 단백질 ‘풀’에 의해 같이 고정되어 벽돌-모르타르-브리지 미세구조를 가지고 있다. 진주층에서 무기물의 비중이 95%를 차지하고 있음에도 불구하고, 이 재료의 특수한 특징은 이 무기 원소와 칼슘 카보네이트 판 사이에 유기 상이 상호작용을 하기 때문에 발생한다.(사진 협조 A.P. Tomsia)

<사진3> 층형 알루미나/Al-Si 화합물이 얼음 생성 과정을 이용하여 형성되었다. 비교를 위해 삽입도에 천연 진주층의 미세구조를 나타내었다. 둘 다 모르타르와 벽돌 미세구조를 가지고 있지만 세라믹 상이 얇고 무른 층으로 고정되어 있어, 천연재료와 합성재료 모두 동일한 기계적 반응을 보인다. 사진 협조 A.P. Tomsia

<사진4> BioAlmog는 고강도 뼈 이식 재료를 수산화인산석회로부터 추출하였다.

<사진5> HA와 하이드로젤 구조물의 고친화성 집적을 요소-매게 광물화를 이용하여 만들어 냈다. (A) 화합물 표면에 15N 하중으로 Vickers 압입 테스트를 시행하여도 미네랄 층이 떨어져 나가지 않았다. HA 광물화의 확장과 결정성이 미세하게 조정될 수 있다. 이는 뼈 임플란트, 치과용 임플란트, 척추 상해 치료, 부드러운 조직 공학 등에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

<사진6> Berkeley 연구실의 플렉서블 HA 화합물인 FlexiBone은 인간 뼈가 가진 광물과 유기마루 기지간의 비율이 거의 흡사하다. 이 재료는 구부려지거나 압축될 수 있고, 다양한 기계적 강도로 만들어질 수 있다. 이 제품은 뼈 임플란트, 치과용 임플란트, 바이오시멘트와 자성과 전기적 특성을 가지는 플렉서블 화합물을 만드는데 사용될 수 있을 것으로 기대된다.