동물 뼈로부터 인산칼슘계 생체세라믹스의 제조와 활용

이 종 국_ 조선대학교 교수
서 동 석_ 전남테크노파크 연구원

1. 서 언
생체재료는 손상된 인체의 일부 장기 또는 신체 일부분을 대체할 수 있는 재료를 뜻하는데, 이러한 생체재료는 보건의료 분야 중 치료, 재활 및 예방의 수단으로 생체에 적용되기 때문에 인간의 수명연장 및 사고, 질병의 증가 등에 따라 그 중요성이 점차 증가하고 있으며, 인간의 건강한 삶을 보장하고 삶의 질을 높이는데 직접적으로 기여하고 있다.
생체재료를 의학 또는 치과 분야에 적용하기 위해서는 생체에 적합해야만 한다. 생체적합성(biocompatibility)이란 재료나 장치가 기능을 하는 동안 생리학적으로 부작용이나 독성이 없도록 유지시키는 기능인데, 현재까지 개발된 재료 중 생체적합성이 가장 좋은 것은 인산칼슘계 재료이다. 인산칼슘계 소재의 경우 이미 오래 전부터 인간의 뼈나 치아 등 경조직 대체용 생체소재로 널리 연구되어 왔는데, 이는 인체 뼈의 69%를 구성하는 칼슘인 화합물이 인산칼슘으로 구성되어 있어 자연 뼈와 가장 가까운 성질을 가지고 있기 때문이다. 뿐만 아니라, 생체재료로서 인산칼슘 소재는 자가골 이식(autograft) 또는 동종골 이식(homograft) 방법이 갖는 공급량의 부족과 감염성 질환의 전염 및 면역 반응 등의 문제점을 극복할 수 있기 때문에 이에 대한 세계적인 수요는 급증하고 있는 추세이다. 인공 뼈 이식은 각종 사고나 질병에 의하여 뼈의 회복이 불가능한 상태에서 최종적으로 요구되는 의료기술로 선진국을 중심으로 시술 사레가 점차적으로 증가하고 있다.
인산칼슘계 세라믹스는 인공으로 합성하는 방법과 동물의 뼈로부터 제조하는 방법이 알려져 있는데, 지금까지는 출발물질을 일반적인 화공약품을 이용하여 얻는 인공합성 하이드록시아파타이트나 삼인산 칼슘 등이 주로 사용되어 왔다. 인공 합성한 인산칼슘계 생체 세라믹스는 질병의 이차적 감염 우려가 없고, Ca/P 몰비 및 입자크기를 임의로 조절하는 것이 가능하여 특정한 형태로의 성형이 쉽고, 값싸게 대량으로 제조할 수 있는 장점이 있다.
이에 비하여 동물 뼈로부터 얻는 생물학적 인산칼슘계 생체 세라믹스는 조성이 사람의 뼈와 거의 동일하기 때문에 생체적합성이 매우 뛰어나고, 제조하기가 비교적 쉬우며, 값싸게 대량으로 만들 수 있는 장점이 있다. 이러한 인산칼슘계 생체 세라믹스 분말은 동물 뼈를 800°C 이상으로 열처리하여 제조되기 때문에 2차 감염에 대한 우려가 매우 적으나 현실적으로는 이식이 필요한 환자들이 2차 감염에 대한 선입견에 의해 동물 뼈로부터 추출한 수산화아파타이트 임플란트를 기피하는 경향이 있어 사용에 제한이 따르고 있다.
그러나 동물 뼈에서 추출한 인산칼슘계 생체 세라믹스의 경우 1000 °C 부근의 고온에서 하소한 후 다시 1200 °C 근처에서 소결을 하기 때문에 2차 감염에 대한 우려는 거의 해소되었다. 이에 따라 최근 의공학 분야에서 동물 뼈로부터 추출한 수산화아파타이트 분말에 대한 관심이 커지고 있으며, 이에 대한 각종 특허도 급증하고 있다. 또한 최근 들어, 인간의 손상된 뼈를 치료하거나 일부 대체하기 위해 금속, 고분자, 천연(산호, 소 뼈) 또는 인조 합성 인산칼슘계 생체재료들이 속속 개발되고 있다. 이들 재료는 인공 뼈, 치조골 결손부의 치료, 인공치근, 이소골, 치과 및 정형외과용 임플란트 등의 치·의학 분야에 두루 응용되고 있다. 본 고에서는 생체재료로 상용되고 있는 인산칼슘계 세라믹스의 종류와 개발 현황에 대해 소개한 후, 인공 합성한 인산칼슘계 생체 세라믹스의 문제점을 알아본 다음, 이에 대한 개선 방안으로 동물 뼈로부터 제조된 인산칼슘계 세라믹스의 활용에 대하여 논하고자 한다.

2. 인산칼슘계 생체 세라믹스를 이용한 임플란트 상용화 현황
1920년 인산칼슘 화합물을 사용하여 골 결손부를 치료하는 최초의 임상시험 결과를 보고한 이래, 인산칼슘계 재료를 치·의학 분야에 응용하고자 하는 연구가 많이 진행되어 왔다. 특히 인공 뼈 또는 인공 치아 임플란트로서 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite, HAp)와 TCP 등이 주로 임플란트로 개발되어 골 결손부 치료, 강화, 대체재로 상용화되었다. 지난 20년 동안 개발되어 임상적으로 사용되고 있는 경조직 대체용 인산칼슘계 상용 제품 20여 종류를 Table 1에 나타내었는데, 다양한 형태의 인산칼슘계 물질로 제조되고 있다. 표에 나타난 바와 같이 대표적인 인공 합성 인산칼슘계 물질로는 하이드록시아파타이트(Ca10(PO4)6(OH)2)와 Beta-TCP(Ca3(PO4)2), BCP 등이 있으며, 사람이나 동물 뼈 또는 산호로부터 제조되는 인산칼슘계 생체 세라믹스 제품도 시판되고 있다. 상용화된 제품들의 조성을 구체적으로 살펴보면(Table 2), 대부분은 수분이나 유기물이 없는 광물질로 되어 있지만 일부 제품의 경우 10wt% 정도의 수분을 보유하고 있으며, 유기물도 적게는 1wt%에서부터 많게는 50wt% 가까이 함유하고 있다. 상용 인산칼슘계 세라믹스 제품의 광물상은 크게 하이드록시아파타이트계와 TCP계로 분류되었으며, 이들 광물 외에도 탄산칼슘이 제품에 따라 1.4-8 wt% 까지 포함되어 있었다.
순수 ß-TCP 상용 제품의 대표적인 예로는 VitossTM(Or-thovita, Inc, Philadelphia, USA)가 있는데, 골반 등의 골 결손부 충진재용으로 주로 다공체가 사용되며, 기공율은 H2O2, naphthalene 등의 휘발성 물질을 이용하여 제어할 수 있다. 체내 삽입시 주위 조직과의 계면이 증가하여 임플란트 기공 내로 골 조직의 재생을 유도하게 되는데, 골 전도를 위한 적합한 기공 크기는 약 150-500 ㎛이고 상호 연결된 기공율이 높을수록 뼈 조직이 기공 내로 자라 들어오기 용이한 것으로 알려져 있다.
하이드록시 아파타이트계 임플란트는 생체친화성 및 생체활성이 우수하여 각종 경조직용 임플란트 재료로서 초기부터 개발되어 널리 활용되고 있는 데, 생체에 독성이 없을 뿐 만 아니라 계면에 골 유도를 촉진하며, 반응에 의한 이물질이 생성되지 않고, 주위 생체조직과도 잘 결합한다. 그러나 HAp 단독으로는 파괴인성 등의 기계적 성질이 나빠, 하중이 작용하는 부분에는 제한적으로 사용될 뿐 만 아니라 생체 내에서 장기간 유지될 경우 기계적 성질이 열화 되어 장시간 적용하기에는 어려운 단점이 있다. 임플란트로 상용화된 ß-TCP계 및 하이드록시 아파타이트계 임플란트의 형상을 그림 1에 나타내었으며, 전자현미경으로 관찰한 미세구조 사진을 그림 2에 나타내었다. 수백㎛에서부터 수 mm에 이르는 입자크기의 과립상으로 제조된 제품(BioresorbⓇ, ChronosⓇ, CerosⓇ, CerasorbⓇ, VitossⓇ, PepGenⓇ, AlgiporeⓇ, BioOssⓇ, TutoplastⓇ) 주류를 이루고 있으며, 일부 제품(OstimⓇ)의 경우 나노크기 입자를 수용액에 분산시킨 페이스트 형태를 나타내었다. 또한 천연 뼈로부터 제조된 제품(CeraboneⓇ, EndobonⓇ, TutoplastⓇ)의 경우 기공들이 상호 연결된 뼈 모양의 구조를 나타낸 반면에 일부제품의 경우 정수압 성형으로 블록을 만든 후 드릴을 이용하여 표면에 수 mm 크기의 구멍을 뚫어 생체 반응성을 향상시키기도 하였다.

Table 1. 인산칼슘계 생체재료의 상용 제품
Table 2. 상용화된 인산칼슘계 생체 세라믹 재료의 조성

그림 1. 임플란트로 상용화된 인산칼슘계 생체 세라믹스의 형상

그림 2. 뼈 이식용 소재의 전자 현미경 사진 ; (a)CerasorbⓇ, (b)CeraboneⓇ, (c)AlgiporeⓇ and (d)TutoplastⓇ(bovine)

3. 인공합성 인산칼슘계 세라믹스의 문제점
사람의 뼈 조직은 대부분이 무기물인 hydroxyapatite(Ca10 (PO4)6(OH)2) 성분(65wt%)과 유기질인 콜라겐(25wt%) 및 수분 10wt%으로 이루어져 있으며, 이 외에도 마그네슘, 나트륨, 수산화 탄산, 불소 등으로 구성된다. 일반 뼈의 성분과 달리 치아의 경우 표면의 법랑질(enamel)과 내부의 상아질(dentin)로 구분되는데, 법랑질의 경우 무기질 함량이 97wt%에 이른다. Table 3에 뼈, 치아, 인공합성 하이드록시아파타이트의 성분을 비교하여 나타내었다.
뼈의 구조는 나노 복합재료 형태를 띠고 있는데, 길이 40 ㎚, 두께 1.5~3 ㎚의 하이드록시아파타이트 나노입자가 일정한 배열을 이루고, 결정을 이루고 있으며, 이 들 사이를 콜라겐이 채우고 있다(그림 3). 이러한 나노구조 덕분에 뼈는 10-20 GPa의 탄성게수 및 100 MPa의 강도를 가져 강하면서도 유연성을 가지고 있으며(파괴인성 2-7 MPam1/2), 화학적으로도 안정하여 몸속에서 기계적 성질의 열화 없이 장기간 유지되고 있다. 뼈를 구성하는 생물학적 하이드록시아파타이트 나노 결정은 체내에서 화학적으로 매우 안정한데, 이러한 안정성에 대하여는 구체적인 기구는 알려진바 없지만 뼈 속에 존재하는 각종 이온들인 F-, Cl-, Na+, K+, Fe2+, Zn2+, Sr2+, Mg2+, CO32-가하이드록시아파타이트 내의 Ca2+, PO43-, OH-이온들을 치환하기 때문인 것으로 알려져 있다.
이에 비하여 인공합성으로 제조된 인산칼슘계 세라믹스의 경우 순수한 하이드록시아파타이트나 TCP로 구성되기 때문에 생체 적합성면에서는 매우 우수하지만 체내에서의 장기간 안정성은 매우 취약한 것으로 알려져 있다. 실제로 인공합성 분말로 소결된 HAp 임플란트를 체내에 삽입할 경우 생체용액에 의해 기계적 성질이 크게 열화되기 때문에 많은 하중이 가해지는 부위에는 단상 HAp 임플란트를 사용하기가 어려운 것으로 알려져 있다. 이러한 HAp의 생체 내 기계적 열화현상은 단상 HAp 임플란트 이외에도 티타늄 등 금속계 임플란트 표면에 코팅한 부위에서도 발생하는데, HAp의 기계적 물성 열화에 기인된 입자 이탈(particle loosening)은 임플란트 자체의 기능을 저하시킬 뿐 만 아니라 마모, 염증 유발에 의하여 주위 뼈나 조직을 손상시키고, 이로 인하여 환자의 고통이 증가하거나 재수술을 행해야 하는 문제가 발생된다.
HAp가 장시간 생체용액에 노출될 경우 파괴인성 등 기계적 성질이 열화되어 입자 간에 분리가 일어나는 이유는 비화학양론적 아파타이트의 표면용해나 골식세포(osteoclast)의 작용에 의한 표면 결함(lacunae) 형성 등이 보고된 바 있지만 아직까지 용해기구나 열화기구에 대한 해석이 명확하지 않다. 그러나 최근의 연구결과에 의하면 HAp의 생체 내 기계적 성질의 열화는 불균질 조성의 형성이 주요 원인이며, 이러한 조성이 생체 내 혈액과 반응하여 부분적으로 용해되기 때문에 인성과 강도가 약화되고, 입자간 결합력이 떨어져 입자이탈이 촉진되는 것으로 보고된 바 있다.
일반적으로 수증기 분위기에서 소결된 HAp 소결체를 수용액 또는 체내에서 유지시키면 강도가 크게 떨어지고 입계의 부분적인 용해가 일어나는 미세구조를 관찰하게 된다. Ca/P 비가 1.67인 순수 HAp 치밀체인 경우에도 시편의 표면에서 입계용해가 빠르게 진행되는데, 이는 시편 내에 부분적으로 용해도가 높은 비화학양론적인 조성을 가지는 불균질 상이 형성되기 때문이다. HAp 상용 분말을 이용하여 제조한 소결체의 경우에서도 시편 표면에서 입계용해 현상이 관찰되는데, 이러한 현상은 시간에 따라 시편 내부로 진행되고, 입자간의 결합력을 저하시켜 입자분리를 촉진하게 된다(그림 4).
불균질한 조성으로 인해 발생하는 HAp 소재의 용해 및 열화 현상은 체내에서 임플란트의 기계적 강도에 커다란 영향을 미친다. Ca/P 비가 1.67인 HAp를 동물 체내에서 삽입하여 표면을 관찰한 결과(그림 5), 입계용해에 의해 임플란트 표면에서 HAp 입자 또는 그 덩어리가 분리되어 체내로 이탈되었으며, 이러한 입자들은 몸 속의 혈관을 통하여 다른 기관으로 이동하여 염증을 유발하거나 관절 부분에 끼여 마모를 유발하여 통증의 원인이 된다.

Table 3. 사람의 뼈 조직과 인공합성 하이드록시아파타이트의 조성 비교

그림 3. 나노크기 하이드록시아파타이트 입자와 콜라겐이 복합화된 뼈의 구조

그림 4. 인공으로 합성한 하이드록시아파타이트 세라믹스에 있어서 수용액 침적 후 입계 용해에 의한 열화현상을 보여주는 사진 ; (a)침적 전 (b)14일 침적 후

그림 5. 인공으로 합성한 하이드록시아파타이트 세라믹스에 있어서 동물 체내 이식 12주 후 입계 용해에 의한 열화현상

4. 동물 뼈로부터 인산칼슘계 생체세라믹스의 제조 및 활용
뼈를 구성하는 성분은 무기질이 약 70%을 차지하는데 대부분이 하이드록시아파타이트이며, 나머지 약 30%는 유기질인 섬유성 콜라겐 및 수분으로 이루어져 있다. 뼈 결손의 치료에는 일반적으로 자가 뼈 이식(autograft), 동종 뼈 이식(allograft), 인공 뼈 이식(artificial bone graft)으로 나눌 수 있는데, 자가 뼈 이식은 회복이 빠르고 합병증이 적은 반면에, 쓸 수 있는 양이 제한되고 추가적인 수술을 필요로 하는 단점이 있다. 이에 비하여 동종 뼈 이식은 세균 전염의 우려 및 심리적 거부감으로 최근에는 인공뼈 이식이 많이 행해지고 있으며, 주로 인산칼슘계 세라믹스 등 무기물이 인공 뼈 재료로 많이 사용된다.
인공합성 하이드록시아파타이트의 경우 화학 약품으로부터 건식합성법, 습식합성법, 수열합성법, 솔젤법 등 다양한 방법으로 제조가 가능하지만 이러한 제조법은 아파타이트의 결정성이 낮거나 용해도가 큰 ß-TCP의 생성으로 인해 전술한 바와 같이 생체 내에서 화학적 불안정성에 기인한 기계적 열화가 일어나는 단점이 있다.
이에 비하여 동물 뼈나 치아로부터 제조된 하이드록시아파타이트의 경우 그림 6, 7에서 보듯이 생체 내에서 입계용해가 크게 억제되는 것으로 알려져 있다. 또한 합성 시 원료가 매우 풍부하기 때문에 동물 뼈를 재활용하여 수산화아파타이트를 제조할 경우 원가 면에서도 유리한 장점이 있다. 특히, 동물 뼈에서 수산화아파타이트를 추출하는 방법은 뼈를 직접 열처리 하거나 화학적 처리로 얻기 때문에 Ca/P 몰비를 맞출 필요가 없고, 유기물을 완전히 없애는 온도범위에서 열처리를 하므로 이차적인 감염이나 인간 면역 결핌 바이러스, 광우병 같은 위험성을 막을 수 있다. 그림 8에 소뼈로부터 열처리에 의해 제조된 하이드록시아파타이트 및 결정모양을 나타내었다.
현재 동물 뼈로부터 제조된 순수 하이드록시아파타이트 블록 제품의 경우 CeraboneⓇ, EndobonⓇ 등이 있으며, 이들 제품의 특징은 생체 내에서 기계적 성질의 열화가 매우 낮고, 기계적 안정성이 장기간에 걸쳐 높다는 점이다. 이러한 특성은 인공합성 하이드록시아파타이트의 결점을 크게 보완할 수 있는 부분이기 때문에 향 후 하중이 가해지는 뼈 대체 임플란트에도 적용이 가능할 것으로 보인다.

그림 6. 치아로부터 제조된 하이드록시아파타이트에 있어서 수용액 침적 후 미세구조 변화
         (a)소결시편(1200℃ 2h) (b)침적 후 3일 (c)침적 후 7일 (d)침적 후 14일

그림 7. 소뼈로부터 제조된 하이드록시아파타이트에 있어서 수용액 침적 후 미세구조 변화
         (a)소결시편(가압소결 1000℃ 0.5h, 30 MPa) (b)침적 후 3일 (c)침적 후 7일

그림 8. 소뼈로부터 열처리에 의해 제조된 하이드록시아파타이트 세라믹스 및 결정모양

5. 맺음말
뼈 대체용 인산칼슘계 임플란트가 환자의 모든 경조직에 적용되기 위해서는 생체 적합성, 골 전도성 등 생물학적 특성 외에도 장시간에 걸쳐 생체 내 화학적, 기계적 안정성이 확보되어야만 한다. 일례로 생체 반응성이 우수하여 생체와의 부착성이 크거나 뼈 형성 기능이 우수한 인산칼슘계 소재의 경우 재료의 미세한 조성 변화나 미세구조에 따라 생체 반응성이 달라지거나 체내에서의 역학적 물성이 달라지기 때문에 생체학적 측면(biological aspects) 뿐만 아니라 미세구조를 비롯한 재료의 역학물성 측면에서 생체소재의 설계가 이루어져야 한다.
인공합성 인산칼슘계 세라믹스가 임플란트 소재로 다양하게 사용되기 위해서는 자연 뼈와 마찬가지로 생체 적합성 뿐 만 아니라 생체 내에서 장기간 유지하여도 기계적 성질의 열화가 없는 특성을 지닌 임플란트가 제조되어야만 한다. 따라서 인공합성 인산칼슘계 임플란트의 경우 입계 용해 및 분리 현상을 중심으로 각종 미세구조적 인자나 조성관련 인자가 입계용해 및 열화에 미치는 영향을 재료조직학적 측면에서 접근하여 열화기구 및 역학특성을 명확히 규명하고, 조성이 변화나 공정기술의 개발에 의해 생체 적합성 감소 없이 체내에서 기계적 열화가 방지되는 방법을 개발되어야만 한다. 이러한 연구의 일환으로 사람의 뼈와 조성이 거의 유사한 동물 뼈를 활용하여 인산칼슘계 세라믹스를 제조하고, 임플란트로 활용하는 방법은 시간적으로나 기술적으로 많은 잇점이 있다. 대부분이 폐기물로 처리되고 있는 동물 뼈를 활용하여 인산칼슘계 미세 분말을 추출하고, 이를 활용하여 다양한 형태의 생체 세라믹 재료로 제조한다면 생화학적 반응에 의한 생체적합성도 높이고 장기간 인체 내에서 원래의 기계적 기능을 유지할 수 있는 뼈 대체용 임플란트의 제조가 가능할 것으로 보인다. 또한 동물 뼈로부터 추출된 인산칼슘계 미세 분말을 생체 고분자나 금속 표면 코팅 등과 연계하여 하이브리드형 또는 융복합형 임플란트 를 제조한다면, 최근 활발히 연구되고 있는 맞춤형 임플란트에도 활용이 가능할 것으로 보인다.

참고문헌
1. M. Jarcho, Clin. Orthop., 157, 259 (1981).
2. L.L. Hench, J. Am. Ceram. Soc., 81, 1705 (1998).
3. R.Z. LeGeros, Clin. Orthop. Rel. Res., 395, 81 (2002).
4. S.V. Dorozhkin and M. Epple, Angew. Chem. Int. Ed., 41 3130 (2002).
5. L.L. Hench, Am. Ceram. Soc. Bull., 77, 67 (1998).
6. W. Suchanek and M. Yoshimura, J. Mater. Res., 13, 94 (1998).
7. H. Wang, J.K. Lee, A. Moursi, J. Lannutti, J. Biomed. Mater. Res., 68A 61 (2004).
8. R.Z. Legeros, Clin. Mater., 14, 65 (1993).
9. G. Daculsi, R.Z. Legeros, and D. Mitre, Calcif. Tissue Int., 45, 95 (1989).
10. J. Lu et al., J. Biomed. Mater. Res., 63, 408 (2002).
11. H. Wang, J.K. Lee, A. Moursi, J. Lannutti, J. Biomed. Mater. Res., 67A, 599 (2003).
12. H. K. Koerten and J. van der Meulen, J. Biomed. Mater. Res., 44, 78 (1999).
13. S. Raynaud et al., J. Mater. Sci.: Mater. Med., 9, 221 (1998).
14. D. Tadic, M. Epple, Biomaterials 25, 987 (2004)
15. R. Schnettler et al., Euro. J. Trauma 4, 219 (2004)
16. S. Joschek, B. Nies, R. Krotz, A. Gopferich, Biomaterials 21, 1645 (2000)
17. D.S. Seo and J.K. Lee, Met. Mater. Inter., 13, 311 (2007)
18. D.S. Seo and J.K. Lee, Annal. Biomed. Eng., 36(1), 132 (2008)
19. B. Wopenka, J. D. Pasteris, Mater. Sci. Eng. C, 25, 131 (2005)
20. C.Y. Ooi, M. Hamdi, S. Ramesh, Ceramics International 33, 1171 (2007)
21. N.A.M. Barakat et al., J. Mater. Process. Tech. 209, 3408 (2009).
22. M. Figueiredo et al., Ceram. Inter., 36, 2383 (2010)

이 종 국
- 1979년 서울대학교 무기재료공학과 공학사
- 1983년 서울대학교 무기재료공학과 공학석사
- 1990년 서울대학교 무기재료공학과 공학박사
- 1994년~1995년 일본무기재질연구소 객원연구원
- 2001년~2002년 The Ohio State University 객원연구원
- 2010년~2011년 University of Washington 객원연구원
- 1991년~현재 조선대학교 신소재공학과 교수

서 동 석
- 1999년 조선대학교 재료공학과 공학사
- 2001년 조선대학교 재료공학과 공학석사
- 2006년 서울대학교 재료공학부 공학박사
- 1999년~2001년 조선대학교 재료공학과 조교
- 2007년~2010년 조선대학교 BK 사업단 postdoc.
- 2010년~2011년 전자부품연구원 연구원
- 2011년~현재 전남테크노파크 연구원

<본 사이트는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2011년 12월호를 참조바랍니다.>