Special 첨단 기능성 세라믹소재 최신기술 및 산업응용 동향(1)

맞춤형 의료소자를 위한 바이오세라믹 공정 및 소자기술

강세훈_서울대학교 재료공학부 석/박사 과정
강승균_서울대학교 재료공학부 교수

고령화 시대가 도래하며 바이오산업에 대한 관심이 대두되고 있다. 아직까지 국내에서는 반도체 또는 에너지 산업에 격을 나란히 할 수 있는 대규모의 바이오산업이 형성되어 있지는 않지만 학계에서 이뤄지고 있는 바이오산업에 대한 연구와 정부의 다양한 투자를 바탕으로 새로운 기업들과 중견 기업들이 활발히 태동하고 있다. 세계적인 학문과 시장의 흐름을 살펴보면 이러한 움직임이 매우 자연스러운 현상임을 인지할 수 있다.

　　그림 1 a)는 전세계 인구를 기준으로 작성된 고령화 지수이다1. 2010년도를 기점으로 고령화 인구비율이 급속히 증가하여 2050년도에는 65세 인구가 전체 인구의 16%를 넘기는 시점이 된다. 독자들의 연령 때가 다양하겠지만 40대를 넘기면서부터는 건강에 대한 관심이 기하급수적으로 증가하며 실제로도 병원에 큰 신세를 한 두번씩은 지게 된다. 그림 1 b)는 연령에 따른 건강유지 혹은 치료진단을 위해 사용한 월 평균 진료비용을 나타낸다2. 이 두가지 그래프를 합쳐보게 되면 매우 간단한 결론에 이른다. 전세계의 상당히 많은 사람들이 고령화 인구에 도래하고 이들은 바이오헬스와 관련된 매우 강력한 고객이 될 것이라는 점이다. 고령화를 넘어서도 누구나 건강한 삶을 꿈꾸는 것은 당연한 욕구이기 때문에 더욱 이러한 점이 부각될 것이다.

그림 1 a) 1950-2050년까지 전세계 65세 이상 인구 비율 그래프1 b) 국내 연령에 따른 월 평균 진료비용 그래프2.

　　그림 2는 바이오 헬스케어 기술의 발전방향을 보여준다. 약의 개발은 과거부터 지금까지도 바이오 헬스케어 산업에 가장 중요한 중추 역할을 수행해왔으며 이번 코로나 팬데믹을 경험하며 백신과 치료제의 중요성이 다시 한번 부각이 되었다. 치료와 정밀 진단이라는 관점에서 약의 발전 뿐만 아니라 의료기기의 발전이 병원을 중심으로 진행되는 환자케어의 시작점을 알렸다. 입원한 많은 환자들이 X-ray, MRI 등 다양한 의료기기를 통해서 정밀 진단을 받고 다양한 수술 장비를 통해 치료를 받는다. 21세기의 바이오헬스는 무엇이 달라질 것인가? 무엇보다 ICT 기술의 빠른 발전을 통해 재료, 전자, 바이오 기술이 빠르게 결합하여 미래시장의 기술을 크게 바꿀 것으로 기대된다. 과거 병원을 중심으로 진행되던 진단과 치료기술이 일상생활과 맞물리게 된다. 우리 몸에 부착되거나 삽입된 의료소자를 통해 실시간으로 몸의 상태를 진단하고, 다양한 정보를 통해 파악하는 정밀진단 기술로 빠른 치료와 예방이 가능해질 것이다. 이와 같은 역할에 가장 핵심이 되는 기술이 바로 인체에 부착/삽입 가능한 의료소자 기술이다.

그림 2. 세기에 따른 바이오 헬스케어 기술의 발전 방향.

　　궁극적으로는 체외에서 진단된 지표만으로도 우리 몸의 상태를 진단하거나 치료하는 기술이 이상적이겠으나 정밀한 진단을 수행하고, 환부에 직접적인 치료를 수행하기 위해서 보다 가까운 기술로 삽입형 의료소자를 이용하게 된다. 비록 체내에 삽입해야한다는 단점이 있지만 그러한 위험성을 감수하고도 진단치료를 극대화할 수 있기 때문에 여전히 삽입형 의료소자가 중요한 역할을 갖고 있다. 세라믹 소재는 때로는 내식성이 우수하여 체내 환경에서도 소자의 기능이 장기간 유지될 수 있다는 측면과 반응물이 분명하여 생적합성이 우수하다는 특징이 주목받기도 하고, 때로는 오히려 생체액과 반응성이 좋아 생적합 생분해 물질로 활용하여 체내 기관이 재생되는 동안 대체되는 대체재로서의 활용으로도 주목을 받아왔다.

　　다양한 공정기술의 발전과 전자기술 등의 융합에 발맞춰 바이오세라믹 소재기술도 다양한 변화를 맞이하고 있다. 공정 측면에서는 3차원(3D) 구조 제작 기술의 발전이 돋보인다. 3D 프린팅 기술을 통해 원하는 인체조직을 바이오세라믹 소재로 구현하는 것이 가능해지고 있으며 3차원 레이저 패터닝 기술이 접목되어 표면개질 등도 더욱 정교하게 이뤄지고 있다. 한편으로는 바이오세라믹 소재를 활용한 전자장치를 생체삽입 소자로 응용하려는 연구가 주목을 받고 있다. 특히 전통적인 전자세라믹 소재를 나노 단위 두께로 활용하면서 생분해 특성을 구현하여 체내에 삽입하여 진단/치료를 수행한 후에 분해되어 사라지는 생분해성 소자에 대한 기술이 새로운 학문과 산업 영역을 창출하고 있다. 각기 기존의 바이오세라믹 영역을 새로운 공정과 응용분야로 확장하였을 뿐만 아니라 의료소자의 미래가 맞춤형 의료기술과 실시간 다기능화의 방향으로 나아가고 있음을 보여주는 지표를 나타내기도 한다. 본 주제에서는 바이오세라믹 소재의 범주를 맞춤형 공정기술과 최소침습형 다기능 소자응용 기술이라는 측면에서 조명해보고자 한다. 

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2022년 6월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>