金大埈 공학박사 / 한국과학기술연구원 복합기능세라믹스연구센터 책임연구원 1. 서 언 식생활 개선과 의료기술의 발전에 따라 올해 65세이상 노인인구가 전체인구의 7.9%인 377만명으로 이미 고령사회로 진입했으며 2010년에는 평균수명이 77세로 늘어나고 65세 이상 노인인구가 전체 인구의 10%가 넘는 본격적인 고령사회가 전개될 전망이다. 평균수명의 연장과 삶의 질에 대한 관심의 증대로 의료용구의 수요가 지속적으로 늘어나 2000년에 1조2천억원이던 국내 의료용구 시장이 2010년에는 2조6천억원으로의 성장이 예상된다. 한편 세계 의료용구 시장은 2000년 기준으로 약 190조원에 이르며 매년 7%씩 성장하고 있다. 의료용구는 기술적 측면에서 의료용 소모품 또는 보조기구와 같은 일반의료기기, 영상진단기와 같은 전자의료기기, 그리고 생체이식용인 인공장기로 분류할 수 있다. 첨단 세라믹스가 의료복지 소재료 응용될 수 있는 분야는 주로 인공장기로 국내시장 규모는 2000년에 1,000억원, 2001년에 1,470억원으로 연간 47%의 증가를 보였다. 세라믹스는 금속 인체이식재에 비해 내부식성과 생체친화성과 같은 화학·생물학적 특성 외에도 내마모성과 고강도의 기계적 물성의 우수성으로 인해 주로 경조직대체 재료로 응용되고 있으며 생체세라믹스의 성장은 생체재료로서의 신뢰성 확보를 통해 얼마나 다양하게 체내이식용 금속재료를 대체할 수 있느냐에 달려 있다. 이러한 관점에서 본고는 첨단바이오세라믹스가 현재 일부 사용되고 있거나 응용될 전망인 분야를 중심으로 시장현황 및 바이오 세라믹스의 응용분야를 기술하고 생체세라믹스의 향후 연구분야를 전망한다. 2. 인체이식재의 시장현황 및 주요응용분야 산자부는 금년 10월 인공관절이나 인공조직과 같은 체내 이식재에 대한 재료, 시험방법 등에 관한 국제표준을 도입하여 한국산업규격(KS)로 보급할 계획이라고 밝혔다. 이중 우선 외과용 이식재와 아크릴계 시멘트 등 34종을 올해 KS로 도입하고 국제적으로 통용되는 51종에 대한 KS는 2004년까지 제정하기로 하였다. 이에 관련된 생체세라믹스는 인공관절, 인공뼈, 뼈 시멘트 등으로 한국의료용구공업협동조합이 작성한 2000년도 이들 제품과 세라믹으로 대체 가능한 이식재의 수입액을 표 1에 정리하였다. 노령인구가 늘어나면서 1996년에 8,300건이었던 인공고(엉덩이)관절 수술건수가 2001년에는 13,500건으로 크게 증가하였다 (그림1) 일반적으로 인공슬(무릎)관절 수술 건수도 고관절 건수와 유사하여 2001년에 총 인공관절 시술 건수는 약 27,000건이었으며 우리 나라보다 인구가 많고 고령화가 앞선 일본의 경우 2000년에 인공관절 수술 건수가 120,000건을 넘었다. 인공고관절의 경우 비구소켓 재료로 사용되는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)의 마모 때문에 고관절 수명이 약 15년 정도이며 이후에는 재수술을 해야하는 문제가 있다. 고관절 골두를 알루미나나 지르코니아와 같은 세라믹스로 대체할 경우 UHMWPE의 마모량이 1/2이하로 줄어들어 인공고관절 수명이 배로 늘어나는 장점이 있다. 그러나 인공슬관절의 경우 관절 형태의 복잡성으로 인해 세라믹스의 응용이 제한되어 있으나 적절한 디자인과 재료 개발을 통해 장래에 세라믹스의 응용이 기대되는 분야이다. 참고로 인공관절 수술비용은 340~400만원이다. 산업화와 노령화의 진전으로 척추의 손상을 가져오는 빈발한 안전사고로 척추관련 수술이 매년 20%씩 증가하고 있다. 이에 따라 척추고정장치의 수요도 급증하고 있는데 척추고정에 금속구조물 외에도 세라믹 척추유합재료인 수산화아파타이트(HAp) 또는 HAp/삼칼슘인산염(TCP) 복합체가 사용된다. 이들 세라믹스는 정형외과분야에서 골종양제거 후 골결손 부위나 골절 시 자가골이 부족한 경우 골대체물로 그리고 치과에서는 악안면 부위의 상·하악골 손상부위의 대체물로도 보편적으로 응용되고 있다. 2001년도 국내 척추고정장치 시장은 700~800억 규모였으며 세계 주요지역의 시장규모는 그림2에 나타내었다. 국내 척추고정장치 시장에서 국내기업의 점유율은 27%이며 세라믹 골대체재료의 시장은 약 90억원으로 추산된다. 세라믹스가 가장 오랜 기간에 걸쳐 가장 많이 응용된 분야가 치과재료분야로 도재융착금속관(porcelain fused to metal:PFM), 전도재치관(all-ceramic crown), 포스트(post), 교정용 브라켓(bracket), 인공치아(implant) 등에서 다양하게 사용되고 있다. 이중 PFM과 전도재치관의 국내 및 세계시장은 각각 약 720억원과 2조5천억원이며 특히 전도재치관의 경우 전체 인공치관시장의 10~15% 밖에 점유하지 못하나 치아와 유사한 색상을 발현하는 심미성의 중요성 때문에 지속적으로 새로운 세라믹스와 제조 방법들이 시장에 선보이고 있다. 인공치아는 상부구조물, 하부구조물, 그리고 상부와 하부구조물을 연결시키는 나사로 구성되어 있다. 심미성의 고려에 따라 세라믹 상부구조물의 중요성이 높아지고 있으며 티타늄으로 제조된 하부구조물에 골유착을 촉진시키기 위한 HAp 코팅이 사용 중 약 40%가 박리되는 문제로 코팅의 결합력 향상을 위해 하부구조물도 세라믹스로 대체될 수 있다. 국내 인공치아의 시장을 그림 3에 나타내었으며 1999년 세계시장은 $243.3백만불(910,000개)이었다. 인공치아의 수요는 생활수준의 향상과 고령화에 따라 급속히 신장할 전망이며 골유착에 의한 시술기간의 단축과 생체활성 코팅의 안정성 확보를 위해 생체세라믹스가 활용될 수 있는 분야이다. 3. 향후 생체세라믹스의 연구전망 생체세라믹스의 제1세대는 생체불활성 세라믹스로 알루미나와 지르코니아가 있으며 이들의 기능은 인체에 독성이 없으면서 대체된 조직에 충분한 기계적 물성을 부여하는 것이었다. 제2세대 생체세라믹스는 HAp나 생체유리와 같은 생체활성 세라믹스와 삼인산칼슘과 같은 생분해성 세라믹스들로 전자는 생체와 화학반응을 통해 골유착을 촉진시키며 후자는 조직의 재건 후 분해되어 2차 시술이 필요 없게 되는 특징이 있다. 최근에는 제3세대 생체재료로 생체활성과 생체분해성의 융합된 특성을 가지며 체내 매식 시 세포의 재생을 자극하는 유전자를 활성화시켜 인체 자체가 치유의 능력을 갖게 도와주는 재료의 연구가 관심을 끌고 있으며 생체세라믹스로는 생체유리와 HAp/CaSO4 복합체가 이에 해당한다. 현재 제3세대 생체재료에 의해 비교적 규모가 작고 응력을 받지 않는 뼈 결함의 재생이 가능함을 보였으나 관절이나 치아로 응용되기 까지는 많은 시간과 연구가 필요하다. 이와 같은 바이오테크놀로지의 접목에 의해 재생되는 경조직이 실현될 때까지 생체활성을 갖는 새로운 세라믹 경조직재료의 개발에 관한 연구가 진행될 것이다. 응력지지용 경조직대체 생체활성 세라믹스는 생체활성을 갖는 HAp의 원천적으로 낮은 기계적 물성(곡강도=~100 MPa, 파괴인성=~1.0 MPam1/2)으로 인해 복합화를 통한 물성의 향상이 있어야 한다. 이를 위해 HAp/HAp(whisker), HAp/고분자, HAp /collagen, HAp/나노입자 등의 복합체에 관한 연구가 필요하다. 복합체는 높은 생체친화성, 생체활성, 부분적인 생분해성, 낮은 탄성계수, 기공크기가 100㎛ 이상이면서도 높은 기계적 강도를 갖는 소결체 등의 특성을 가져야 한다. 또 다른 접근법으로는 티타늄이나 Co-Cr 금속표면에 결합력이 높고 안정한 HAp를 코팅하여 생체활성을 부여하는 새로운 코팅기술의 개발이다. HAp의 코팅은 주로 plasma spraying법에 의해 행해지나 코팅의 박리문제를 해결하기 위해 HAp의 나노구조화 코팅법이 개발되고 있으며 이에 따른 HAp의 체내분해정도, 마멸저항성, 골결합력에 관한 연구가 요구된다. 4. 결 언 고령화시대의 도래에 따라 활동적인 노후를 위해 노화되었거나 손상된 경조직을 대체할 의료용구의 수요는 급증할 것이며 이에 부응할 수 있는 생체재료의 연구 개발이 요구된다. 바이오세라믹스는 내부식성, 내마모성, 생체적합성, 높은 기계적 물성 등의 우수한 물성으로 인해 기존의 응력지지용 금속생체재료를 대신하여 사용될 수 있어 이 분야에서 전망이 밝다. 따라서 생체세라믹스는 체내응용을 위한 신뢰성이 확보되어야 하며 그 방안으로 나노기술을 이용한 복합화나 금속이식재에 결합력이 높은 생체활성화 나노코팅 등에 대한 지속적인 연구가 필요하다.