동결주조법을 이용한 고기능성 생체세라믹 스캐폴드의 개발 동향

고 영 학_고려대학교 치기공학과 교수

1. 서 론
생체세라믹 스캐폴드(scaffold)는 질병이나 외상에 의해 손상된 인체의 골조직(예, 뼈 및 치아)을 대체 또는 재생하기 위해 체내에 매식되는 의료용 소재로서, 현재 치과용 및 정형외과용 골 이식재로 광범위하게 사용되고 있다 [1,2]. 특히, 사회의 고령화에 따른 골질환 및 과격한 레저 활동에 의한 골결손 환자수가 급증함에 따라, 시장 규모가 지속적으로 성장하고 있는 대표적인 바이오산업이다.

그림 1. 다양한 치과용 및 정형외과용 골 이식재

그림 2. 골재생용 다공성 생체세라믹 스캐폴드의 활용

일반적으로 생체세라믹 스캐폴드는 수백 마이크론 크기의 기공이 3차원적으로 연결된 기공구조를 갖는 것이 바람직한 것으로 알려져 있으며, 이는 서로 연결된 기공을 통해 골세포가 원활하게 이동하고, 스캐폴드 표면에 부착, 분화하면서 뼈를 재생하여, 궁극적으로 완벽한 골재생을 유도할 수 있기 때문이다 [1,2].

생체세라믹 스캐폴드의 골조직 재생능은 소재를 이루는 물질 자체의 고유 특성뿐만 아니라, 소재의 기공구조(기공율, 기공 크기, 기공 형상, 기공 배열도, 기공간 연결도 등)에 의해 크게 영향을 받는다 [2]. 예를 들어, 기공률이 증가할수록 골세포의 부착과 분화를 유도할 수 있는 표면적이 증가하여 골조직 재생능이 향상되지만, 이로 인해 소재의 강도가 급격히 감소하는 문제점이 있다. 따라서, 생체세라믹 스캐폴드의 3차원적 기공구조를 제어하여, 우수한 골조직 재생능을 그대로 유지하면서, 소재의 기계적 물성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술 개발이 매우 활발하게 진행되고 있다. 현재까지, 스폰지 복제법, 세라믹 슬러리 진공포밍법 및 자유형상제조법 [7] 등 다양한 제조공정이 개발되었으며, 각각의 방법들은 그들만의 독특한 기공구조를 가지며, 이에 따라 소재의 기계적 물성 및 골조직 재생능이 결정된다 [3,4,5,6,7]. 하지만, 이러한 방법들은 기공률 증가에 따른 소재의 기계적 물성의 저하를 근본적으로 해결하기에는 다소 한계가 있다.

그림 3. 다양한 공정을 이용해 제조된 생체세라믹 스캐폴드; (A) 스폰지 복제법, (B) 세라믹 슬러리 진공포밍법, (C) 자유형상제조법

한편, 2006년 미국의 로렌스 버클리 연구진이 세계적인 과학잡지 ‘Science’지에 동결주조(freeze casting)법을 이용하여 생체세라믹 스캐폴드의 기계적 물성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 보고하여, 세계적인 이목을 집중시켰으며, 현재 전세계의 많은 연구자들이 이를 이용 또는 응용하여 첨단 기능을 갖춘 고기능성 생체세라믹 스캐폴드 개발 연구를 활발하게 진행하고 있다 [8,9,10]. 따라서, 본 논고에서는 동결주조법을 이용한 고기능성 생체세라믹 스캐폴드 개발의 최신 연구 동향에 대해 소개하고자 한다.

2. 동결주조법을 이용한 생체세라믹 다공체 제조 기술

2.1. 공정 및 원리
동결주조(freeze casting)법을 이용한 다공성 생체세라믹 스캐폴드 제조 공정은 통상적인 세라믹 습식공정과 매우 유사하며, 1) 세라믹 분말을 액상의 동결매체(freezing vehicle)와 혼합하여 균일한 세라믹 슬러리를 제조하고, 2) 이를 세라믹 슬러리의 고화온도(solidification point)보다 낮은 온도에서 캐스팅(casting)하여 동결 매체를 고화시키고, 3) 고화된 동결매체를 동결건조(freeze drying)법을 이용하여 승화시킨 후 4) 최종적으로 고온에서 소결하여 세라믹 다공체를 치밀화하는 과정으로 이루어져 있다 [11]. 하지만, 이 기술의 가장 두드러진 특징은, 세라믹 슬러리 제조시 세라믹 분말의 함량을 40 vol% 이하로 낮게 하여, 세라믹 소재 내부에 3차원적으로 연결된 기공구조를 구현하고자 하는 것이다. 즉, 세라믹 슬러리를 고화온도 아래에서 캐스팅하게 되면, 액상의 동결매체가 서서히 고상의 수지상(dendrite)으로 성장하면서, 주변의 세라믹 분말들을 옆으로 밀어내어, 궁극적으로 수지상과 세라믹 분말로 이루어진 네트워크로 상분리를 유도한다 [11]. 따라서, 고화된 동결매체를 동결건조를 이용하여 제거하면, 3차원적으로 연결된 기공구조를 얻을 수 있다.

그림 4. 동결주조법을 이용한 생체세라믹 다공체 제조공정; (A) 초기 균질한 슬러리 상태, (B) 캐스팅후 동결매체의 수지상 성장, (C) 완전 고화후 동결매체/세라믹 분말 상분리

2.2 동결 매체
동결주조법에 의해 제조된 생체세라믹 스캐폴드의 3차원 기공구조는, 동결매체의 수지상을 제거하므로 서 얻어지기 때문에, 세라믹 슬러리 제조에 사용되는 동결매체의 선택은 매우 중요하다. 지금까지 물(water), 캠핀(camphene), 나프탈렌-캠퍼(Naphthalene-Camphor), 삼차-뷰틸알코올(Tert-butyl alcohol)등이 동결매체로 연구되어 졌으며, 각각 독특한 기공구조를 구현할 수 있다 [11]. 예를 들어, 물의 경우 매우 큰 장단축비를 갖는 층상형(lamella) 기공을 얻는데 유리하며 [8,9,10], 캠핀을 이용하는 경우 수지상(dendrite) 모양의 기공을 얻을 수 있다 [12,13].

그림 5. 다양한 동결매체를 이용하여 제조된 세라믹 다공체; (A) 물, (B) 캠핀, (C) 나프탈렌-캠퍼

3. 기공구조 제어 기술
동결주조법을 이용한 생체세라믹 스캐폴드 제조의 가장 큰 장점은 공정변수를 조절하여, 다공체의 3차원 기공구조(기공율, 기공 크기, 기공 형상, 기공 배열도 등)를 인위적으로 쉽게 제어할 수 있다는 것이다. 이러한 기공구조 제어 기술은 빠르고 효율적인 골조직 재생능과 우수한 기계적 물성을 동시에 갖는 첨단기능의 고기능성 생체세라믹 스캐폴드 개발을 가능케 한다.

3.1. 기공율
동결주조법에 의해 제조된 다공성 생체세라믹 스캐폴드의 기공은 고화된 동결매체를 제거하므로 서 형성되기 때문에, 소재의 전체 기공율(p)은 세라믹 슬러리 내에 분산된 초기 세라믹 분말의 함량(ø)에 의해 결정 될 수 있다. 예를 들어, 알루미나 다공체의 경우 초기 알루미나 분말의 함량이 20 vol%에서 5 vol%으로 감소함에 따라, 기공율은 66 vol%에서 91 vol%로 직선적으로 증가하였다. 또한, 문헌에 보고된 값들을 정리해 보면, 동결매체나 세라믹 분말의 종류에 관계없이 거의 직선적인 관계를 가짐을 알 수 있다 [11]. 이러한 결과들은, 초기 세라믹 분말의 분율을 조절하여, 소재의 최종 기공율을 제어할 수 있고, 이에 따라 소재의 기계적 물성 및 골조직 재생능을 제어 할 수 있음을 의미한다.

그림 6. 초기 세라믹 분율에 따른 세라믹 다공체의 기공율 변화; (A) SEM 이미지, (B) 기공율-세라믹 분말 함량 상관관계

3.2 기공크기
생체세라믹 스캐폴드의 기공 크기는 원활한 골조직 재생을 위한 가장 중요한 인자중 하나로 인식되고 있으며, 일반적으로 골이식재로 활용하기 위해서는 기공이 최소 100 마이크론 이상이 되어야 하는 것으로 알려져 있다. 동결주조법의 경우 동결온도를 제어하므로 서 기공 크기를 조절할 수 있으며, 일반적으로 동결속도가 감소함에 따라 기공 크기는 지수 함수적으로 증가한다 [11]. 하지만, 원활한 골조직 재생에 필요한 100 마이크론 이상의 거대 기공을 얻기 위해서는 매우 느린 동결 속도가 필요하다. 한편, 캠핀을 동결매체로 이용한 세라믹 슬러리를 고화온도 근처에서 캐스팅하게 되면, 캠핀 수지상이 비정상적으로 과대 성장하여 100 마이크론 이상의 매우 큰 기공을 빠르고 안정적으로 얻을 수 있는 장점이 있다 [14].

그림 7. 동결속도 제어에 따른 세라믹 다공체의 기공크기 변화; (A) 동결매체 : 물, (B) 동결매체 : 캠핀

3.3 기공 형상
세라믹 다공체의 기공형상은 소재의 기계적 물성 및 골조직 재생능에 영향을 미치며, 세라믹 슬러리 제조시 인위적으로 소량의 고분자를 첨가하여, 동결매체의 수지상 성장 형태를 제어하여 조절할 수 있다. 예를 들어, 캠핀기반 동결주조법의 경우 캠핀에 용해되는 폴리스티렌(polystyrene)을 세라믹 슬러리에 첨가하고, 그 분율을 제어하므로 서 다양한 기공 형상을 구현할 수 있다 [15].

그림 8. 다양한 기공 구조를 갖는 세라믹 다공체; (A) 줄기형 기공, (B) 생선 뼈형 기공, (C) 벌집형 기공

4. 자연모방형 고기능성 생체세라믹 스캐폴드 제조 기술
동결주조법을 이용한 다공성 생체세라믹 스케폴드 개발의 가장 큰 장점은, 강하고 질긴 자연의 조개진주층이나 대나무 구조를 모방한 정렬된 기공구조를 갖는 고기능성 생체세라믹 다공체의 개발이 가능하다는 점이다. 이러한 정렬된 기공구조 구현기술은 우수한 골조직 재생을 위한 높은 기공율을 유지하면서도 소재의 기계적 물성을 획기적으로 향상시킬 수 있어, 차세대 고기능성 생체세라믹 스캐폴드 개발의 핵심기술로 인식되고 있다. 따라서, 전 세계적으로 일방향 동결주조법(unidirectional freeze casting)을 비롯한 다양한 공정 개발 연구가 매우 활발하게 진행되고 있다.

4.1 일방향 동결주조법
일방향 동결주조법(unidirectional freeze casting)은 정렬된 기공구조를 갖는 고기능성 생체세라믹 다공체를 제조 할 수 있는 가장 대표적인 방법으로, 2006년 미국의 로렌스 버클리 연구진에 의해 ‘Science’지에 소개된 후, 전 세계적으로 많은 연구가 수행되고 있다. 일방향 동결주조법은, 세라믹 슬러리를 상온에서 캐스팅한 후, 액상의 슬러리가 아래에서 위로 순차적으로 고화되도록 온도구배를 유지하여, 동결매체가 온도구배를 따라 일정 방향으로 수지상 성장하도록 유도하는 기술이다. 이 기술은 물, 캠핀, TBA등 다양한 동결매체에 적용 가능하여 가장 많은 연구가 수행되고 있다 [11,16].

그림 9. 일방향동결주조법을 이용한 기공이 정렬된 세라믹 다공체 개발; (A) 일방향 동결주조법, (B) 수지상 성장, (C) 정렬된 기공구조를 갖는 세라믹 다공체 (SEM 이미지).

4.2 캠핀 기반 동결주조법
일반적인 일방향 동결주조법은 매우 잘 정렬된 기공구조를 구현할 수 있어 소재의 기계적 물성을 획기적으로 증진시킬 수 있지만, 원활한 골조직 재생에 필요한 임계 크기(예, 100 마이크론) 이상을 얻기 위해서는, 매우 정밀하게 동결속도를 제어해야 하는 등 기술적 한계가 있다. 한편, 캠핀을 동결매체로 이용하는 경우, 일반적인 일방향 동결주조법을 이용하여 캠핀 수지상을 온도구배를 따라 우선배향성을 갖으며 성장하도록 유도한 후, 이를 다시 세라믹 슬러리의 고화온도 근처(예, 35℃)에서 후처리하여, 캠핀 수지상의 비정상적으로 과대 성장하도록 유도하여, 최종적으로 기공 크기를 획기적으로 증진시킬 수 있다 [17].

그림 10. 캠핀 기반 일방향 동결주조법을 이용한 기공이 정렬된 생체세라믹 스캐폴드 개발;
(A) 캠핀 기반 일방향 동결주조법, (B) 기공이 정렬된 생체세라믹 다공체 (SEM 이미지)

또한, 캠핀 기반 일방향 동결주조법은, 일방향 동결주조 후 고화된 세라믹/캠핀 그린 바디(green body)들을 상온에서 직접 서로 결합시켜 하나의 블럭 형태로 제조할 수 있기 때문에, 기존의 방법으로는 얻기 힘든 고도로 정렬된 기공구조를 갖는 매우 큰 다공체를 쉽게 제조 할 수 있다 [18]. 또한, 결합된 그린 바디를 세라믹 슬러리의 고화온도 근처에서 후처리하여, 캠핀 수지상의 비정상 과대성장을 통해 최종적으로 세라믹 다공체의 기공 크기를 획기적으로 증진시킬 수 도 있다.

그림 11. 캠핀 기반 일방향 동결주조법을 이용한 기공이 정렬된 생체세라믹 스캐폴드 개발;
(A) 그린 바디 결합, (B) 기공이 정렬된 세라믹 다공체 (SEM 이미지)

4.3 세라믹/캠핀 기반 압출법
최근, 고도로 정렬된 기공구조를 연속적으로 구현 할 수 있는 새로운 기술인 세라믹/캠핀 기반 압출(extrusion)법이 개발되었다 [19]. 이 기술은 동결 주조된 세라믹/캠핀 그린 바디를 상온에서 압출하여, 캠핀 수지상들이 압출 방향으로 매우 심하게 변형되도록 유도하여, 소재 내부에 매우 잘 정렬된 기공을 형성하는 첨단 기술이다. 또한, 압출된 그린 바디를 상온에서 결합하고, 세라믹 슬러리의 고화온도 근처에서 후처리하여, 기공의 크기를 획기적으로 증진시킬 수 도 있다 [20].

그림 12. 세라믹/캠핀 기반 압출법을 이용한 기공이 정렬된 세라믹 다공체 개발; (A) 세라믹/캠핀 기반 압출법, (B) 기공이 정렬된 생체세라믹 다공체 (열처리 전, 후 SEM 이미지)

4. 결 론
이상의 검토와 같이, 동결주조법은 원활한 골조직 재생에 필요한 3차원적으로 연결된 기공구조를 갖는 생체세라믹 스캐폴드 개발에 매우 유용한 방법이다. 특히, 이 기술은 세라믹 슬러리를 이루고 있는 동결매체의 수지상 성장을 조절하여 기공구조(기공율, 기공 크기, 기공 형상, 기공 배열도 등)를 매우 효과적으로 제어할 수 있다. 또한, 최근 개발된 일방향 동결주조법, 캠핀 기반 일방향 동결주조법, 세라믹/캠핀 기반 압출법등을 이용하여, 고도로 정렬된 기공구조를 갖는 세라믹 다공체의 개발이 가능하다. 이러한 정렬된 기공구조 구현기술은 원활한 골조직 재생에 필요한 높은 기공율을 유지하면서도, 소재의 기계적 물성을 획기적으로 향상시킬 수 있어, 차세대 고기능성 생체세라믹 스캐폴드 개발을 가능케 할 것으로 기대된다. 하지만, 기공의 정렬도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 새로운 공정의 개발이 여전히 필요할 뿐만 아니라, 더 빠르고 완벽한 골조직 재생을 위해서는, 생체세라믹 스캐폴드와 골조직 재생을 촉진할 수 있는 성장인자(growth factor)와의 융합이 반드시 필요하다.

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고 영 학
- 한양대학교 무기재료공학과 학사
- 서울대학교 무기재료공학과 석사
- 서울대학교 재료공학부 박사
- 미국 미시건대학교 방문연구원
- 미국 미시건대학교 연구원
- 서울대학교 계약조교수
- 대구가톨릭대학교 전임강사
- 현재 고려대학교 보건과학대학 치기공학과 교수

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