장정호 요업(세라믹)기술원 청정·바이오소재 팀방

1. 서론
나노-바이오 기술은 나노기술을 이용하여 생명 현상과 생명체 운용의 근간이 되는 물질의 구조와 상호 작용에 관한 원리를 원자와 분자 수준에서 규명하고, 이를 기반으로 극미세 조작·제어하는 기술로서, 인간의 건강과 행복을 증대시키는 과학기술 영역으로 정의할 수 있다. 나노-바이오 기술은 나노기술과 바이오기술의 중간영역으로 두 핵심기술을 잇는 교량 역할을 할 뿐 아니라, 동시에 두 기술을 융합하여 새로운 기능의 소재를 개발하고 IT산업 등과 같은 바이오산업 이외의 분야에서 필요로 하는 새로운 공학적 도구를 개발함으로써 21세기 신(新)산업을 주도할 수 있는 핵심 기술이다. 아직까지는 나노-바이오 기술을 산업군과 직접적으로 연계하는 것은 큰 무리가 있지만, 멀지 않은 시기에 국가 주력 산업군으로 자리매김을 할 것이라 생각하는 데는 큰 무리가 없을 것이다.
한편, 세라믹 산업에서도 나노-바이오 기술은 매우 큰 비중을 차지하고 있는데, 대표적인 것을 살펴보면 치료 및 진단용 또는 생체 대체용으로 체내외에 사용되는 바이오세라믹 소재산업이다. 의료기술의 발전과 초고령화 사회 진입에 따른 의료복지 수요가 크게 증가함에 따라 그 중요성과 필요성은 크게 부각되고 있다. 산업적 특성을 살펴보면, 2000년대 초반의 참살이(Well-being) 및 삶의 질(Quality of Life) 향상에 기반한 사회문화적 패러다임과 관련하여 인체의 골격을 유지하는 경조직 관련 소재산업이 주류를 이루어 왔고, 2005년 말부터 LOHAS (Lifestyles of Health and Sustainablity)에 편승하여 각종 유전정보를 갖고 있는 바이오물질, 바이오 마커 및 핵산 등을 고효율/고감도 분리 및 진단할 수 있는 관련 소재산업까지 그 영역이 확대되어 관심을 갖고 있다. 세라믹 소재 기반의 나노-바이오 산업은 세라믹 나노소재의 물리화학적 특성 및 장점들을 최대한 활용하여 바이오 분야에 적용시키는 소재산업으로서, 대표적으로 지능형 바이오 세라믹 소재에 집중된다. 나노기술을 접목시켜 고강도와 고기능성을 갖는 지능형 바이오 세라믹소재 개발은 막대한 부가가치를 창출할 수 있는 미래 성장 동력산업의 근간이 되는 산업으로서, 향후 IT 기술과 융합하여 편리성과 효율성을 증진하면 기존의 의료산업과 생명공학 관련 산업에서 경쟁력 있는 소재 및 부품의 시장 창출이 가능한 블루오션 산업이다. 이 글에서는 세라믹 소재산업에서 지능형 바이오 세라믹 소재산업의 기술 및 산업적 동향을 살펴보고자 한다.
2. 본론
지능형 바이오세라믹 소재 산업은 다학제간의 융복합 기술을 이용하여 기능 및 활용성을 극대화 하는 것으로 사용되는 용도에 따라 다양한 형태로 산업에 적용할 수 있다. 예를 들어 임플란트 산업에서는 고강도, 고기능, 생체내에서의 안정성, 세포와의 접착성이 극대화 될 수 있는 방향으로 기술 접목이 이루어지고 있고, 바이오 분리정제 산업에서는 세라믹의 큰 반응 표면적을 이용한 고흡착성과 소재표면 개질 공정을 통해 DNA/단백질과 같은 바이오 물질을 선택적으로 고효율/고속으로 분리하는 기술 개발이 필요하고, 바이오검출 및 진단 산업에서는 세라믹 소재 표면에 단백질이나 셀을 고정화시키고 바이오물질이 안정적으로 장시간 그 기능을 발휘할 수 있게 하는 기술들을 통하여 산업화가 진행되고 있다. 미래에는 바이오 분자의 분리/정제 및 검출/진단 기능이 동시에 일어날 수 있는 소재 및 부품화 기술 개발을 통해 인간의 삶을 보다 윤택하게 하는 근간이 되는 산업이 될 것으로 예상되며, 향후 생체내에 삽입이 가능하고, 실시간으로 생체활동이 모니터링 되는 산업으로 발전할 것으로 기대된다. 각각의 산업적 동향은 다음과 같다.

가. 임플란트 소재 산업
불과 몇 년 전만해도 생체 세라믹스에 관련된 국내 업체가 전무하였으나, 최근 인공 뼈와 치과용 세라믹스를 생산하는 업체가 급증하고 있다. 이로 인해 많은 업체에서 상품 출시를 위하여 식약청의 허가를 받거나, 또는 연구개발에 주력하고 있다. 생체 세라믹스를 생산하는 국내 제조업체는 기존에 다른 세라믹스를 생산하고 있다가 생체 세라믹스에 관심을 갖고 생산을 시작한 곳과, 생체세라믹스 생산을 위해 신규 설립된 벤처 기업의 두 가지로 대별할 수 있다. 또한, 생산은 뼈 이식재와 치과재료로 양대축을 형성하고 있다. 국내 시장에서 인공 고관절, 슬관절, 추간판 등의 정형외과용 세라믹스와 조영제, hyperthermia, 나노 재료 등의 진단 및 나노응용 세라믹스는 거의 전량 수입하고 있는 실정이며 치과용 임플란트 시장이 급격히 신장하면서 생체 세라믹스 상품 출시에 기폭제 역할을 하고 있다. 즉, 임플란트 시술을 위한 발치 후 치조골을 재생시키기 위한 고대체재의 상품 출시가 급등하고 있는 추세이다. 이러한 생체 세라믹스 이용 골대체재는 기증시신으로부터 채취하여 얻어진 동종골 및  산호, 소뼈, 돼지뼈등 이종골을 기반으로 Ca, P 등의 산화물을 복합 또는 표면개질재로 사용하여 합성한 부분합성골이식재와 Calcium Phophate, Calcium Sulfate등을 기반으로 한 완전 합성골이식재로 분류할 수 있다.
현재 국내 정형외과 및 치과분야에서 널리 사용되고 있는 대표적인 부분합성골 이식재는 동종골을 기반으로 한 인체조직은행인 (주)코리아본뱅크, (주)한스바이오메드 등에서 제조하는 제품들과 이종골을 기반으로 한 (주)메타바이오치재, (주)오스코텍의 제품들이 있다. 특히 블록, 과립 및 분말 형태의 고대체재 뿐 아니라 시술후 경화시킬수 있는 칼슘 포스페이트계 본시멘트도 경원 메디칼에서 출시되고 있으며, 현재 (주)메타바이오메드에서도 출시를 준비중에 있다.
최근, 나노크기의 인산칼슘 세라믹 등이 인체뼈의 구조, 형상 및 조성과 유사하여 골형성 세포의 부착, 분화 및 성장에 이상적이라는 평가가 보고되면서부터, 나노상의 세라믹 입자를 도입하여 골재생 기능을 증진시키려는 소재기술이 차세대 생체세라믹 임플란트 개발의 새로운 패러다임으로 관심 받고 있다. 또한, 이식 후 손상된 뼈조직의 효율적인 재생을 위해 골재생을 촉진시키기 위하여 단백질 방출 기능이 부여된 기능성 세라믹 임플란트 소재 기술도 핵심기술로 자리잡고 있다. 이러한 충전재가 함유된 약물은 BMP, TGF-β, Growth Hormone등 줄기세포를 조골세포로 분화시키는 작용을 촉진하는 기능을 갖기 때문에 인체 이식 후 골조직 재생에 큰 기여를 할 것으로 기대되고 있다. 그러나 아직까지는 단백질 성장인자를 사용하여 골재생을 촉진시키는 기술은 원료물질의 고가 및 개발 공정시 단백질 약물의 활성을 유지시켜야 하는 등 제품화를 위한 연구가 지속적으로 요구되고 있다.

나. 바이오 분리/정제 산업 동향
다양한 임상시료로부터 생체분자를 분리/추출하는 과정은 매우 중요한 공정으로서, 분리/추출 시 순도, 수율, 안정성, 방해요소 제거, 민감도, 시료간의 교차오염 등이 고려되어야 하는데, 현재 대표적으로 사용되는 실리카 멤브레인 소재는 단순 물리흡착에 의한 분리/추출을 하는 것으로, 부가적으로 원심분리 및 진공장치가 필요하기 때문에, 새로운 대안으로서 자성비드를 이용한 고속 분리/정제 상용화가 진행되고 있다. 이는 기존의 실리카 소재 기반의 컬럼 크로마토그래피 공정에 의한 분리/정제 기술을 자성을 이용한 자성 크로마토그래피 공정으로 전환시키는 획기적인 방법으로 향후 분리/정제 산업의 공정 패러다임의 변화를 가져올 것으로 전망된다. 대표적인 예를 살펴보면, Roche나 Invitrogen 사에서는 자성나노입자 표면을 화학적 작용기 및 프로테인으로 코팅을 한 자성비드를 키트화 하여 핵산분리정제용 제품으로 상용화 하였다. 많은 분리/추출 방법들이 이미 개발되어 상품화되기 시작하였고, 자성비드나 실리카기질을 이용한 핵산포획 기술이 발전하면서 고속처리(high-throughput) 방식의 분리/추출 및 자동화 시스템의 개발이 요구되고 있다. 자동화 분리/정제 시스템은 생물정보학, 컴퓨터과학, 분석법의 소형화(miniaturization) 기술 등이 통합되면서 빠른 속도로 발전하고 있으며, 생체분자의 추출, 증폭, 확인의 전 과정을 자동화 방식으로 수행할 수 있어 향후 세라믹 소재산업 발전에 있어 중요한 시장이 될 것으로 기대된다.
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, 일본의 토요보(Toyobo) 및 미국의 프로메가(Promega)사 등이 제품화에 성공하여 현재 생명공학 시장에서 약 10% 정도의 시장 점유율을 보이고 있으며 연평균 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 보여진다. 
 
다. 생체분자 검출/진단 산업 동향
생체분자를 고감도로 검출 하는 기술은 바이오센서 기술개발과 직결되는데, 현재 바이오센서 개발과 관련한 산업은 DNA칩, 단백질칩 등이 주류를 이루고 있으며, 향후 Point-of-Care 형태의 산업제품에 집중될 것으로 예측된다. DNA칩 관련 업체는 칩용 소재, 다양한 관련 용액, 제작된 마이크로어레이칩, 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. 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.
바이오 검출/진단용 소재수급현황은 금속이 코팅되어 있는 glass기판 소재가 35%, polymer기반 소재가 58% 이상이며, ITO, FTO, ZnO등 기능성 세라믹 소재가 7%정도로서, 향후 측정기술의 다변화 요구로 인하여 세라믹 코팅 글래스 소재수요가 크게 늘어날 것으로 예상된다. 또한, 바이오칩은 주로 보건의료시장, 제약 시장 등에서 염기서열/돌연변이 분석, 진단, 모니터링, 재택진료, 예측의료 시스템 등에 응용되어 대규모 시장을 형성할 것으로 전망되고 있다. 세계 최고 수준의 초고속 Internet망, 양질의 정보통신 Infra 등을 보유한  국내 현실을 고려해 볼 때, Bio-chip을 활용한 Bio 정보 검출 및 System 기술은 국내 IT 산업의 기반을 최대한 활용함으로써 기존 IT산업의 경쟁력 확보는 물론 새로운 IT-BT 융합 산업 분야의 선도적 위치를 점유할 수 있을 것으로 판단된다. 수요 측면에서의 u-health의 시장은 인구의 고령화와 소득 수준의 향상으로 양질의 의료 Service에 대한 수요가 지속적으로 높아지고 있고, 의료시장 개방으로 국내 의료기관들의 경쟁력 강화에 대한 필요성이 제기되고 있으며 여기에 더해, 의료비에 대한 경제적 부담이 높아지면서, 소비자들은 질병 예방이나 건강 유지 등을 위해 자발적으로 유용한 정보를 탐색하는 추세임을 감안할 때, 그 잠재력은 타 산업에 비해 월등하다고 할 수 있다. 2005년 한국전자통신연구원(ETRI)에서 발표한 이용자 규모예측을 토대로 작성된, u-health의 시장규모를 보면, 향후 10년 u-health의 전체 시장규모(장비+Service)는 약 1조 756억원으로 추정하고 있다.

3. 맺음말
결언하면, 나노-바이오 융합 기술을 이용한 바이오 세라믹 소재 산업은 기존의 패러다임을 변화시켜 신기능성 바이오 세라믹스 및 청정 세라믹스와 같은 세라믹 신산업 창출에 크게 이바지 할 수 있을 뿐만 아니라 정보기술과의 융합화에 의해 유비쿼터스-나노바이오 시스템 개발과 같은 지능형 소재 및 부품 산업에도 중요한 견인차적 역할을 할 것으로 기대한다. 또한 소재자체가 곧 제품인 바이오세라믹 분야는 인간의 평균수명이 증가되고 있고 건강에 대한 관심도가 점점 높아지는 추세를 감안할 때 매우 중요한 국가의 미래 먹거리가 될 것이다.

자성비드 크로마토그래피를 이용한 분리/정제 키트

 회사 상품명 분리시간 시료
 Amersham  GFX Genomic Blood DNA    30분    혈액, 구강점막 세포, 효모,
 Biosciences  Purification Kit     박테리아
 Q-Biogene    Fast DNA/RNA Kits   30분    조직, 박테리아, 효모, 균류
     NuclisensTM Isolation Kits    90분    혈청, 혈장, 전혈, 생식기 분비,
 BioMerieux   조직, 세포, 바이러스
  NuclisensTM Extractor System 45분 혈청, 혈장, 전혈, 조직, 세포,
 Bio-Rad   AquaPure DNA/RNA Isolation Kits    30분    배양세포, 조직, 혈액, 박테리아
    Dynabeads? DNA DIRECTTM  10분 배양세포, 임상시료, 박테리아,
 Dynal  Universal  균류, 조직
  Dynal MPC-auto 96   60~80분    혈액
 Epicentre    MasterPureTM Complete DNA and  60분 혈액, 배양세포, 조직, 체액,
   RNA Purification Kit     박테리아, 효모
 MBI  Genomic DNA Purification Kit   20~25분    혈액, 혈청, 배양세포,
 Fermentas     박테리아, 조직
 MoBio     UltraClean Microbial DNA/RNA Kit    30~35분    효모, 박테리아, 균주, 분변시료
 Qiagen    QlAamp DNA/RNA Mini Kits    20~60분     조직, 체액, 박테리아, 기생충,
  QlAamp 96 Virus Biorobot Kit    150분    체액
      High PureTM PCR Template  35분 혈액, 백혈구연층, 배양세포,
 Roche Preparation Kit    효모, 박테리아
  MagNA Pure LC DNA Isolation Kits   60분    혈액, 조직, 배양세포, 효모,
 (Drug Discovery Today 자료)

미국 Invitrogen 사의 Dynalbeads (세라믹 자성입자)

U-health Service와 바이오 진단 장비 매출규모 (예측)

장정호
충북대학교 화학과(박사)
미국 Pacific Northwest National Laboratory (박사후 연구원)
현 요업(세라믹)기술원 나노소재응용본부 청정·바이오소재 팀장

<본 사이트는 일부 자료가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>