융합바이오세라믹소재산업 개발 현황과 전망

최 원 일_ 한국세라믹기술원 융합바이오세라믹소재센터 선임연구원

성 대 경_ 한국세라믹기술원 융합바이오소재센터 선임연구원

장 정 호_ 한국세라믹기술원 융합바이오세라믹소재센터 센터장

1. 서 론

현재 인류는 계속적으로 건강, 식량, 환경 등 인류 난제를 해결하기 위해 무난히 노력하고 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위한 방안 중에 하나로 이전부터 바이오산업이 주목받아 왔으며, 생명공학기술을 바탕으로 생물체의 기능과 정보를 활용하여 인류의 건강증진, 질병예방, 진단 및 치료에 필요한 유용한 물질들이 개발되었고, 더불어 유전자 변형 작물, 수질 오염 정화 바이오시스템 등이 연구 개발되고 있다. 그러나 현재 국내 바이오산업은 대부분 외국에서 개발하여 특허기간이 만료된 모방 의약품 및 기술을 상업화하는데 치중하는 경향이 있으며, 핵심기반 플랫폼 기술개발이 미미하고, 기술개발 단계별 정부의 지원정책과 기업의 접근전략이 미흡한 실정이다. 또한 바이오산업분야의 세계적인 경쟁력 강화를 위한 원천기술을 개발하거나 확보하여 신제품개발을 추진해야 하나 우리나라는 인프라 및 확보된 원천기술 수준이 취약한 실정으로 바이오산업 성장의 한계를 받아왔다. 따라서 다학제간 기술환경의 조성 및 활성화를 통해 생물공학기술과 타기술과의 접목 융합을 촉진시켜 ‘융합바이오소재 산업’을 창출하고 국제 경쟁력을 확보하는 것이 절실히 필요할 것으로 보인다.
이러한 융합바이오소재 산업은 생명공학기술(BT)을 중심으로 여타 신기술(나노기술(NT), 정보통신기술(IT) 등)과의 융합과 함께 의약, 화학, 금속, 세라믹, 섬유 등 다양한 소재들을 융합하여 고감도, 고성능, 신기능을 탑재한 융합 신제품 및 기술들을 창출하고 있다(그림1). 이렇듯 기존 바이오산업의 한계 및 문제점을 극복하고 시너지 효과를 제공함으로써 고부가가치 미래신산업 창출을 의미하는 창조경제 개념에 가장 잘 부합하는 지식기반 고부가가치 산업으로 급부상하고 있다. 또한 전세계적으로 웰니스, 헬스케어, 메디케어, 뷰티케어, 고령화 등 미래 생활 변화와 함께 BT산업을 책임질 신소재로 융합바이오소재가 대두되고 있다. 특히, 생체친화성, 내식성, 고담지성, 고기능성 등 타소재보다 우수한 특성을 갖는 세라믹소재는 연평균 18%의 급속한 성장과 함께 전체 융합바이오소재 시장의 과반수를 차지할 것으로 예상됨에 따라 ‘융합바이오세라믹소재 산업’이 주목 받고 있다.
융합바이오세라믹소재 산업이란 단순하게 바이오컨텐츠(DNA, 항체, 성장인자 단백질 등)를 판매하는데 머물러 있는 바이오산업을 세라믹 소재기술을 이용하여 한 차원 업그레이드해서 고부가가치 혁신 제품을 개발하는 산업을 의미한다. 즉, 생체친화성이 뛰어나고 표면적이 높은 다공구조를 지닌 다공성세라믹 소재에 바이오컨텐츠를 고정화하면 감도 증진에 효과가 우수해지기 때문에, 융합바이오세라믹소재 산업에서 세라믹소재는 최적의 핵심소재이며 고부가가치 신제품을 창출할 수 있는 잠재력이 높은 소재이다. 이러한 융합바이오세라믹소재 산업은 고령화 사회진입에 따른 노인성 질환에 관련된 문제점을 해결하기 위해 중요할 뿐 아니라, 국가 재난성 감염병 선제적 대응, 기존 바이오제품의 한계 극복, 창조경제 실현 등의 이유로 정책적 육성의 필요성이 매우 높다.
한 가지 예로서, 현대경제연구원(2012년) 보고에 따르면, 2008년부터 2011년까지 4년간 구제역 및 조류독감에 따른 국내 피해액 규모가 최소 3.7조원(구제역 3.2조원, 조류독감 0.5조원)으로 추정되며, 또한 식중독의 원인인 노로바이러스 검출 건수의 경우에도 2011년 26건에서 2012년 49건으로 전년도 대비 88.5%가 급증하였다. 그리고 서구화된 생활습관으로 인한 각종질병(암, 심혈관 질환 등)이 증가추세를 보이며, 특히 암발생률의 경우 2008년 기준 25(국민 4명당 1명)에서 2013년 기준 35%(국민 3명당 1명)로 급증하는 심각성을 보여주었다. 이러한 문제점은 기존 진단법의 경우 조기진단이 불가능하거나 진단의 정확도가 매우 낮은 수준이기 때문에 신속한 대응에 한계가 있었다. 따라서 고담지성 및 고자화력 특성을 지닌 자성세라믹소재를 이용해 항체를 표면에 고정화시킨 후 자성분리 방법을 통해 감염성 질환을 진단한다면 진단시간을 3일에서 30분 이내로 초고속 현장 진단이 가능할 것으로 전망된다. 즉, 국가 재난성 감염병 및 질병 등에 대한 선제적 대응을 위해서는 융합바이오세라믹소재 산업이 절실히 필요하다는 것이다.
본고에서는 최근 고령화 사회와 함께 수요가 급증하는 조직재생용 임플란트 소재, 질병 조기진단용 소재, 뷰티케어용 소재, 그리고 기능성 섬유 및 패키징 소재에 대한 융합바이오세라믹소재 산업의 4대 중점 연구 분야에 대해서 고찰해 보고, 융합바이오세라믹소재의 안전성 및 유효성 평가지원 기반구축을 통한 신시장 창출 및 경제 활성화에 기여할 수 있는 ‘융합바이오세라믹소재센터’에 대해서 기술하고자 한다.

2. 본 론

국내 생체세라믹 산업은 전통적으로 뼈나 치아와 같은 인체의 경조직이 손실되었을 경우, 이를 대체하거나 재생 시킬 수 있는 임플란트 소재 산업에 초점이 맞추어져 왔다. 최근 들어서는 자연 모방구조를 이용하여 고강도 및 기능성을 향상 시키거나, 금속과 고분자를 융합시킨 융합세라믹 소재를 개발하고 있으며, 성장인자나 약물 등을 효율적으로 담지/방출하여 빠른 조직 재생을 유도할 수 있는 지능형 임플란트 소재 산업이 주목 받고 있다. 이외에도 감염성 질환의 신속진단을 위한 자성세라믹입자-항체 융합소재를 이용한 진단 소재 산업, 기존 기능성 화장품(미백, 주름개선, 자외선 차단)의 취약점인 낮은 기능성 원료 담지율 및 방출제어 효율을 극복할 수 있는 뷰티케어 산업, 선도유지용 패키징 및 지방분해, 보습, 탄력 등의 효과가 있는 코스메틱 섬유 등의 산업용 소재 산업이 있다(그림2). 이와 같이 세라믹소재와 바이오컨텐츠의 융합소재 기술 실현은 고부가가치화 및 국민 삶의 질 향상을 위한 국정과제와 부합하는 핵심 기초산업이 될 것이다. 그러나 그림3에서 보여주는 바와 같이, 바이오세라믹 핵심 소재들은 미국, 유럽, 일본 등 글로벌 선진기업들이 독점하고 있으며, 게다가 소재연계 M&A 전략을 통한 융합바이오세라믹소재 시장선점을 추진 중에 있다. 국내의 경우 바이오세라믹 핵심소재의 수입의존도가 심화되고 있으며 R&D 투자 역시 매우 취약한 실정이라서 융합바이오세라믹소재의 생산인프라(시설, 장비) 구축이 시급한 실정이다. 따라서 한국세라믹기술원은 First Mover형 융합바이오세라믹소재 산업의 창조경제 실현을 위해 국내 미개척 분야인 융합바이오세라믹소재 전문센터를 2019년까지 충청북도 오송 첨단의료 복합단지 내에 구축하고 관련 생산기반 인프라 구축 및 지원을 통하여 산업 생태계의 선순화 및 산업 활성을 추진할 예정이다.

2.1. 조직재생용 임플란트 소재

조직재생용 임플란트 소재란 선천적 기형, 노화, 부득이한 사고 등에 의해서 손상된 조직이 기능을 신속하게 회복할 수 있도록 도와주는 소재이다. 특히 경조직(치아, 뼈) 재생을 위한 임플란트 소재는 인공적으로 이식이 가능한 생체친화성 재료를 사용해야 하며, 이식되는 위치에 따라 물리적 성질 변환이 용이하여야 하고 주변 조직에 독성반응이 없어야 한다. 또한 다른 인공장기에 비해 비교적 높은 기계적 물성이 요구 된다. 이러한 임플란트는 2010년 500만명에서 2030년 1,200만명으로 수요가 예상되며 또한 65세 이상의 인구비율 증가로 임플란트 수요는 매년 증가하는 추세를 보인다고 보고되고 있다(통계청, 2012년). 그러나 임플란트 수요가 급증하고 있는 가운데 기존 임플란트의 경우 조직재생률이 떨어져 임플란트 시술 기간이 길다는 한계에 직면해 있는 실정이다.
이러한 한계를 극복하기 위한 국·내외 연구개발 현황을 살펴보면, 인체의 경조직이 콜라겐의 유기 소재와 하이드록시아파타이트의 무기소재 복합체로 이루어져 있기 때문에 경조직 임플란트 개발에 있어서 유/무기 복합체 및 바이오컨텐츠를 포함한 융합세라믹소재 개발이 진행 중에 있다. 해외의 경우, Geistlich社에서는 세라믹소재와 천연콜라겐 복합재료(Bio-Oss Collagen)를 사용해 조직재생에 탁월한 효과를 보이는 골이식재를 개발하였고, Stryker社에서는 골형성 단백질(BMP-2, Bone morphogenetic protein-2)이 포함된 융합 골이식재를 개발하여 조직재생 시간을 단축한 제품을 개발하고 있다. 국내 기업의 경우에도 융합세라믹소재를 개발 중에 있으며, 특히 코웰메디, 셀루메드社에서는 골형성 단백질의 하나인 BMP-2를 골이식재에 융합한 제품들(코웰BMP, 라퓨젠 BMP2 DBM Gel)을 임상 시험에서 평가하고 있다. 또한 조기치료용 임플란트에 대한 수요가 점차 급증함에 따라 줄기세포 및 새로운 재생생체물질 함유 임플란트가 개발되고 있으며, 새로운 융합세라믹소재 기반의 자가치료용 제품이 출시되고 있다. 이러한 자가치료용 임플란트는 임플란트의 다공체 강도 향상을 통한 임플란트의 내구성을 강화시켰고, 고분자 융합화를 통해 임플란트의 생체친화성을 향상시켰으며 임플란트의 코팅층을 최적화 시켜 약물 및 성장인자의 방출 기간을 연장시킴으로써 단순 임플란트에 비해 치료 기간을 6개월에서 1개월 이내로 단축시킬 수 있는 장점을 지니고 있어 주목될 전망이다

2.2. 질병진단용 세라믹소재

질병진단용 소재란 최근 국내에 발생빈도가 높아지고 있는 신종플루, 조류인플루엔자, 메르스 등의 국가재난형 전염병 및 서구화된 생활습관으로 인한 각종 만성 질병(암, 심장질환, 등)을 신속히 진단할 수 있는 소재이다. 특히, 자성세라믹 나노입자를 이용한 바이오 질환 진단/검지 기술은 간편성, 편리성, 신속성을 가능케 하여 융합바이오 분야에서 획기적 질병진단용 소재로 자리매김 하고 있다. 감염성 질환은 공공장소에서 불특정 다수에게 전파됨으로 전염을 막기 위해서는 신속하고 정확한 진단을 통한 초기 대응이 필수적으로 요구되며, 이와 관련된 진단분야의 기술개발은 국가적 차원에서 선행적으로 진행되어야 한다. 신종플루의 경우 잠복기는 약 3일에서 1주일이며 증상이 나타난 후 검사기간이 3~5일 정도 걸려 약 10일 정도 외부 전파에 무방비 상태가 되며, 전염성이 매우 강하기 때문에 10일 간의 무방비 상태는 심각한 지역 감염을 일으킬 수 있으나 현재로서는 초고속 또는 실시간 검사가 불가능한 실정이다. 최근 세계 각국에서 출현하고 있는 고위험성 전염병 질병에 따른 사회·경제적인 손실이 막대하며, 국내에서도 신종플루, 조류인플루엔자, 메르스 등 국가재난형 전염병에 의한 보건의료, 축산업계 등 여러 분야에서 피해가 큰 실정이다. 또한 최근 국내에서 구제역의 대규모 발생으로 인해 농가에 직접적인 피해액만 3조원에 달한 것으로 평가되나 현재까지 농축산 관계자, 축산 가검물, 축사 주변 환경 등에 대한 효과적인 진단방법이 부재한 상황이다.
국·내외 연구개발 현황을 살펴보면, 미국 John -son & Johnson社에서는 자성입자를 이용해 혈액 내 암세포를 초고속으로 분석하는 진단기(CellSearchTM)를 개발하여 진단시간을 3시간에서 10분으로 단축시켰다. 또한 Roche 및 Promega社에서도 자성세라믹소재를 이용하여 실시간 체외진단용 DNA 키트를 개발하여 진단시간을 24시간에서 30분 이내로 단축시켰다. 국내의 경우, 삼성종합기술원에서 LOC(Lab-on-a-Chip) 형태의 바이오칩이 개발 중이지만 DNA칩 개발이 주를 이루고 있으며 세라믹소재 이용은 아직 보고되지 않고 있다. 그리고 나노엔텍과 소수 생물공학 벤처기업들에서는 미세유체제어 소자를 개발 중이지만 세라믹소재가 아닌 플라스틱 기반 소재를 활용하고 있는 실정이다. 게다가 녹십자 및 ㈜중겸 회사에서는 수입에 의존한 자성세라믹입자를 진단에 적용하는 기술을 개발하려고 진행 중에 있다. 초고속 질병 진단 시스템을 개발하기 위해서는 자성세라믹 나노입자의 입도제어를 통한 진단 및 분리/정제 재현성을 향상시키고, 고분자 복합화(표면처리)를 통한 입자 분산력을 향상시켜야 하며, 고효율, 저비용 링커 도입을 통한 다양한 생체물질 고정화 기술 개발 및 고감도/고선택성 동시 다중 질병 진단 자동화 시스템이 개발되어야 한다(그림5). 초고속 체외진단 시스템의 개발은 장기간의 연구개발이 필요하나 성공할 경우 수천 배의 부가가치를 얻을 수 있는 고위험/고수익 분야로 정부의 주도적인 선행 투자가 필요하다. 혁신형 체외진단 진단키트를 통한 초고속/고신뢰성 진단 기술은 다양한 시장(보건의료, 식품, 농축수산업, 환경 등)에 능동적으로 대처할 수 있는 제품의 상용화와 연계되어 시장 선점이 가능한 기술로 정부 차원의 효율적 지원이 필요한 실정이다.

2.3. 뷰티케어용 세라믹소재

뷰티케어용 소재란 얼굴 및 전신의 피부를 아름답게 하거나 그 상태를 유지 및 보호하기 위해 사용되는 소재이다. 특히 미백, 주름개선, 자외선 차단 등의 목적으로 개발된 뷰티케어용 기능성 화장품(cosmeceuticals)은 화장품(cosmetics)과 의약품(pharmaceuticals)의 합성어로, 1970년대 말 미국 펜실베니아 대학의 알버트 클라이만 박사가 처음 명명한 것에서 유래를 찾을 수 있다. 이러한 기능성 화장품은 건강한 피부상태를 유지 및 개선하거나 피부노화 촉진을 방지할 목적으로 개발되었고, 외부환경(고온, 건조, 자외선 노출 등)으로부터 효율적으로 피부를 보호하고 신체의 불쾌감 및 위화감 등을 최소화하기 위해서 주로 사용되고 있다. 기능성 화장품 원료로 사용되는 세라믹소재는 탈크, 마이카, 세리사이트, 질화붕소 등과 같은 무기판상분체와 세라믹 미립자가 주류를 이루고 있다. 여기에 기능성을 부여하기 위하여 레시틴 기반의 리포좀 제형에 비타민류, 식물성 파이토 호르몬, 세라마이드 등의 기능성 원료를 봉입하여 미백, 주름개선, 자외선 차단 등의 기능별로 제품화 하는 연구가 진행 중에 있다. 국내 안티에이징용 복합기능성 화장품 품목은 2007년 556품목에서 2009년 1,382품목으로 연평균 58% 급증하였으며, 시장 규모도 2001년 2,700억원에서 2009년 1조 2,000억원으로 약 4배 정도 급증해 전체 화장품 시장의 25%를 차지하고 있다. 그러나 큰 시장의 성장을 이루고 있는 기능성 화장품(미백, 주름개선, 자외선 차단)의 대부분은 기초화장품에 국한되어 있는데, 그 이유는 대부분의 기능성을 발현하는 물질이 천연물로부터의 추출이나 합성 공정을 통해 액체의 형상을 이루고 있어 제형화에 제한이 있기 때문이다. 또한 기능성 원료 및 유도체들은 대기 중의 수분 및 태양광과 같은 직사광선 노출 시 변성의 위험이 크기 때문에 기능성 화장품 개발에 큰 어려움이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 기능성 화장품 원료의 안정화를 위한 유도체 개발 및 유/무기 하이브리드 신규 기능성 물질이 개발되어야 한다.
국·내외 연구개발 현황을 살펴보면, 프랑스 LO-REAL社에서는 Aeropowder라는 반구형 고분자 다공체 기술을 이용하여 부착성 및 분산성이 향상된 분체를 개발하였고, 일본 Taito Kasei社에서는 반구상의 PMMA(poly(methyl methacrylate)) 고분자 파우더를 이용하여 피부에 밀착성이 우수한 분체를 개발하였다. 또한 국내의 경우, 한국콜마社에서 미세 UV제어 복합 조성물을 이용하여 기존의 기계적 충돌로 분쇄한 파우더의 입자조절 및 형질 변경이 가능한 색조화장품을 개발하였다. 그리고 코스맥스社에서도 태양광으로 인한 광노화 및 열노화를 모두 차단하는 나노소재 기술이 적용된 CC(Color/Corrector/Complete)크림을 개발하고 있다. 그러나 세라믹소재기반의 융합바이오소재 개발은 현재 미흡한 실정이다. 안전성 및 효능(주름개선/미백/자외선차단) 측면에서 향상된 복합 기능성 화장품을 개발하기 위해서는 생체적합성 고분자의 복합화(표면 처리)를 통한 판상분체의 분산 안정화를 극대화해야 하고, 생체적합성 지질 기반의 방출제어형 기능성 캡슐 개발 및 담지율 극대화, 그리고 고분자 및 캡슐을 통한 생체활성물질의 서방형 방출제어를 극대화 할 수 있어야 한다.

자세한 내용은 세라믹 코리아 1월호에서 확인하실 수 있습니다.