Special 창간 37주년 기념 특집 : 첨단 바이오 융합소재 개발 동향과 미래 전망(2)

차세대 인공 뼈 모델로의 인산 칼슘의 역할

유경현_일본 동경대학교 박사후 연수과정

윤석영_부산대학교 재료공학부 교수

1.    배경

인간의 유아는 일반적으로 약 270개의 뼈를 가지고 태어나며, 성인이 되면 약 206개로 융합됩니다. 이러한 뼈는 신체의 구조적 지지대 및 내부 장기를 보호하는 데 중요한 역할을 한다. 또한, 뼈는 체 내 칼슘과 인의 함량 범위를 조절하며 조혈작용의 중심으로서 기능을 한다. 인간 골격은 전체적으로 약 80%의 피질골과 20%의 해면골로 구성되어 있다. 구조적으로 피질골은 조밀하여 골수를 둘러싸고 있는 반면, 해면골은 골수 내에 분산된 꿀벌집 형태의 격자 구조로 형성되어 있다. 그림 1에 제시된 바와 같이, 뼈는 매우 복잡한 계층 구조를 가지며, 실험실 내에서 이를 모사하는 것은 매우 까다롭고 도전적인 일이다. 현재의 인공 뼈 모델은 생체 내 환경의 불충분한 모사, 영양 공급 유지의 어려움, 세포 분포의 한계, 복잡한 하중 하에서의 적용 문제 등 여러 단점이 보고 되고 있다. [1-3]

그림 1. 뼈의 계층적인 구조 [3]

따라서 본 기고에서는 인공 뼈 모델의 필요성과 요구 사항, 현재 연구에서의 도전 과제들을 제시하고, 인산 칼슘염 (CaPs)의 역할과 그 특성에 초점을 맞추어 설명하고자 한다. 또한 향후 인공 뼈 모델 개발에서 CaPs를 효과적으로 활용할 수 있는 방안을 제시 논의하고자 한다.

2.    인공 뼈 모델의 필요성

통계적으로 고령 환자의 약 3분의 1인 뼈 관련 손상 또는 질환을 겪고 있으며, 이러한 치료에는 막대한 비용이 소요된다. [4] 손상의 정도와 함께 연령, 성별, 생활습관 (운동량, 식습관 등), 유전적 요인 등 개인차는 뼈 치유에 큰 영향을 미치며, 이러한 요인들이 복합적으로 작용하여 골 관절염, 골 다공증과 같은 질환이 발생하며, 이로 인해 뼈 건강을 악화시킨다. 평균 수명의 증가와 고령 인구의 증가로 인해 뼈 질환의 관리에 대한 관심이 높아지고 있으며, 전 세계적으로 약 160만 건의 엉덩이 골절이 골다공증으로 인해 발생하고 있으며, 2050년에는 약 630만 건까지 증가할 것으로 예상된다. [5] 정형외과적 손상의 증가와 뼈 질환의 급증은 뼈 이식재 수요의 급증으로 이어지고 있으며, 해당 시장은 2023년부터 2028년까지 연평균 성장률 (CAGR) 5.7%로 성장하여, 2028년에는 약 730억 달러 규모에 이를 것으로 예측하고 있다. [6] 이 수치는 더 나은 치료 옵션에 대한 수요 증가와 정형외과적 연구의 확대를 잘 보여준다. 정형외과 연구에서는 동물 모델이 여전히 주요 도구로 활용되고 있다. 하지만, 동물 모델의 뼈 표현형에 대한 보고의 불일치로 인해 결과 해석과 연구 간 비교에 어려움이 많다. 더불어, 동물 모델은 높은 비용 문제도 동반하며, 이로 인해 대안적 접근 방식에 대한 관심이 높아지고 있다. 

3.    인산 칼슘염의 역할 및 효과적인 활용

실험실 내에서 뼈 조직을 생성하기 위해서는 다음과 같은 요소가 필요하다. 조골세포로 분화할 수 있는 세포의 확보, 세포 증식과 분화를 촉진하는 유도인자, 영양분의 효율적인 공급, 세포가 부착하여 정의된 형태를 갖출 수 있도록 하는 지지 기질의 역할을 하는 구조체가 있어야 한다. 이들 요소의 특성과 관련된 다양한 연구가 진행되고 있으며, 본 기고에서는 세포 관련 보다는 재료 관점에 초점을 맞추어 지지 기질의 역할에 대해 설명하고자 한다. 지지 기질로의 역할을 담당하기 위해서는 기계적 강도가 고려되어야 한다. 기계적 강도 측면에서, 피질골(cortical bone)은 방향에 따라 성질이 다른 이방성(anisotropy)을 나타내며, 세로축(장축) 방향에서의 강도가 반경이나 원주 방향보다 높다. 사람의 대퇴골 피질골의 탄성계수(elastic modulus)는 약 17,900 ± 3,900 MPa이며, 횡단 방향에서는 약 1.7배 더 낮다. 해면골(trabecular bone)은 피질골보다 다공성이 높아 기계적 특성도 보다 더 이방성을 띠며, 이는 다공도에 따라 크게 달라진다. [1] 뼈의 주요 무기 성분인 인산 칼슘염은 콜라겐과 같은 유기성분과 함께 뼈 구조의 기계적 통합성을 유지하는 데 기여한다. [8] 뼈 조직 내의 세포들은 다양한 기계적 응력 및 압축응력을 받으며, 이 자극이 세포 기능을 조절하는 데 중요한 역할을 한다고 알려져 있다. 따라서, 실험실에서 뼈 조직을 재현하려면 3차원(3D) 구조가 필요하며, 이는 생체 내 구조를 모사하는 동시에, 기계적 자극에 견딜 수 있어야 한다. [9] 최근 뼈 조직 공학의 발전으로 다양한 고분자, 세라믹, 금속 합금 (예: 티타늄, 코발트-크롬 합금) 등이 뼈 형성을 위한 지지 기질로 사용되고 있다. [10] 

그림 2. 뼈 형성을 위한 인산 칼슘염의 물리화학적 특성 

그 중에서 인산 칼슘염의 역할 및 효과적인 활용에 대하여 알아보고자 한다. 이를 위해서는 인산 칼슘염의 물리화학적 및 기계적 특성에 대한 포괄적인 이해가 필요하며, 이러한 특성의 조절은 CaP 재료의 세포 반응성을 결정짓는 중요한 요소로 작용한다. 그림 2는 골형성에 영향을 주는 인산 칼슘염의 물리화학적 특성을 나타내고 있다. CaP 세라믹의 표면 및 물리화학적 특성은 생체 내에서 거동을 결정짓는 핵심 요소이며, 그림 3에 그 영향에 대하여 도식적으로 나타내고 있다. 특히 다공성과 밀도는 소결 온도 및 소결 공정 변수에 크게 영향을 받는다. [11] 높은 다공성과 거친 표면을 갖는 CaP는 더 넓은 표면적을 제공하며, 최적의 3D 환경을 조성하여 골유도(osteoinduction)를 촉진시킨다. 일반적으로 골유도성을 가지는 재료의 표면적은 0.7–1.6 m²/g 범위에 있다. [12] 소결과정은 CaP 세라믹의 밀도, 다공성, 결정립크기, 결정성에 큰 영향을 미친다. [13] HAp의 경우, 소결 온도가 1000°C에서 1450°C로 증가함에 따라 선수축률이 22.2%에서 30.2%로 상승하고, 최대 수축은 1250°C에서 30.8%로 나타났다. 수축률이 높을수록 다공성은 감소하며, 1250°C에서는 다공성이 1% 이하로 줄어들었다. 이와 함께 평균 결정립 크기도 증가하여, 1250°C 및 1400°C에서 각각 2.03 μm 및 12.26 μm의 결정립 크기를 가지는 것으로 보고 되었다. [13] CaPs 구조물의 표면 형상과 내부 다공 구조도 골유도성에 큰 영향을 미치며, 300–500 μm의 연결된 메크로 기공 (macropore)은 대사물질 교환을 용이하게 하고, 골형성과 새로운 혈관화를 촉진시키는 것으로 알려져 있다. [14] 

-----이하 생략

<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2025년 7월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>