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

3D 프린팅 바이오세라믹 소재 및 공정기술 최신 동향

갈창우_한국재료연구원 바이오·헬스재료연구본부 선임연구원

1. 서론

최근 의료 분야에서는 근골격계 질환, 치아 손상, 조직 결손 등 다양한 임상적 문제에 대응하기 위한 고기능성 생체재료 및 정밀 제조기술에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있다. 특히 해부학적 구조의 복잡성과 병변 특이성을 고려한 맞춤형 치료 접근이 강조되면서, 기존의 표준화된 의료기기와는 차별화된 고도화 기술의 필요성이 부각되고 있다. 

이러한 요구를 충족시키는 기술 중 하나로 적층 제조(Additive Manufacturing) 일명 3D 프린팅이 주목받고 있다. 이 기술은 디지털 설계를 바탕으로 복잡한 형상의 구조체를 고정밀로 구현할 수 있어, 개인 맞춤형 임플란트, 조직공학용 스캐폴드, 수술 가이드 등 다양한 의료기기의 제작에 적합하다. 특히 환자의 의료 영상(CT, MRI 등)을 직접 활용함으로써 정확한 구조 구현과 시술 효율의 향상에 기여할 수 있다. 현재 정형외과, 치의학, 재생의학 등 여러 분야에서 그 활용 가능성이 입증되고 있다. 

이와 함께 바이오세라믹 소재는 3D 프린팅 기술과의 높은 적합성을 바탕으로 생체재료 분야에서 중요한 위치를 차지하고 있다. 알루미나(Alumina, Al₂O₃), 지르코니아(Zirconia, ZrO₂), 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite, HA), β-트리칼슘포스페이트(β-TCP), 생체활성 유리(Bioactive glass) 등 다양한 바이오세라믹은 우수한 생체적합성, 골재생 유도 능력, 기계적 안정성 등의 특성을 통해 임상 적용성과 연구 가치를 동시에 갖추고 있다. 

이러한 성능은 다양한 3D 프린팅 공정기술과 소재 설계 전략을 통해 점차 정밀하게 구현되어 가고 있으며, 이를 향한 기술적 진보가 지속되고 있다. 예를 들어, Direct Ink Writing (DIW)는 고점도 잉크 기반 적층을 통해 다공성 구조체 제작에 적합하며, SLA/DLP(광조형) 공정은 높은 해상도와 표면 품질을 바탕으로 정밀한 구조 구현이 가능하다. 또한 FDM, Binder Jetting 등은 대형 구조체 구현이나 기계적 성질 조절에 유리한 공정으로 활용되고 있다. 

최근에는 바이오세라믹 소재의 기능성을 높이기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 특히, 생분해성 고분자와의 복합화, 항균제 또는 나노입자의 도입, 성장인자의 표면 결합 등을 통해 조직재생, 감염 억제, 약물 전달 등의 부가 기능을 부여하려는 시도가 이루어지고 있으며, 이러한 접근은 차세대 조직재생용 바이오세라믹 개발에 활용 가능성을 보여주고 있다.

본 기고에서는 이러한 기술적 배경을 바탕으로, 바이오세라믹 소재와 이를 활용한 3D 프린팅 공정 기술의 발전과 최신 연구 동향에 대해 소개하고자 한다. 

2. 본론

2.1 바이오세라믹 소재 개발 동향

3D 프린팅을 위한 바이오세라믹 소재는 지난 수십 년간 생체적합성, 기계적 특성, 프린팅 가능성, 생분해성 및 기능성 등 다양한 요구를 충족시키기 위해 지속적으로 진화해왔다. 

바이오세라믹은 일반적으로 체내 조직과의 생물학적 반응성을 기준으로 세 가지 범주로 나뉜다. 첫째, 생체불활성(bioinert) 소재는 체내에 삽입되었을 때 생물학적 반응이 거의 일어나지 않지만 장기적 안정성이 뛰어난 것이 특징이며, 대표적으로 Al₂O₃와 ZrO₂가 있다. 둘째, 생체활성(bioactive) 소재는 주변 조직과 직접 결합해 조직 재생을 유도할 수 있으며, HA와 Bioactive glass가 대표적이다. 셋째, 생분해성(bioresorbable) 소재는 일정 시간이 지나면 체내에서 분해되며 새로운 조직으로 대체될 수 있는 특성을 가지며, β-TCP, calcium sulfate 등이 여기에 속한다.

Bioinert 계열의 바이오세라믹은 전통적으로 높은 기계적 안정성과 낮은 생물학적 반응성으로 인해 하중 지지형 구조물, 특히 치과 보철물과 정형외과용 임플란트에 널리 활용되어 왔다. 대표적으로 Al₂O₃와 ZrO₂는 내마모성, 내식성, 높은 강도 등의 특성을 통해 장기간 체내에 유지될 수 있는 구조 재료로서 확고한 입지를 다져왔다. 그러나 이러한 생체불활성 소재는 조직 통합 능력이 떨어지는 한계가 있어 최근에는 단순한 기계적 안정성을 넘어 생체반응성 향상, 표면 기능화, 복합화 등 다양한 전략을 통해 진화하고 있다.

먼저 복합화 전략이다. 최근에는 순수 ZrO₂보다 생체 활성을 증가시키기 위해 HA, β-TCP, 또는 bioactive glass와 복합화한 소재가 개발되고 있다. 특히 HA-ZrO₂ 복합소재는 HA의 생체활성과 ZrO₂의 기계적 강도를 융합하여 조직 반응성과 장기적인 안정성을 동시에 확보할 수 있다는 장점이 있다(그림1(A)).

세 번째는 정밀한 입자 제어 및 표면 도핑 전략이다. 최근의 연구에서는 생체불활성 소재에 대해 결정립 크기, 상 분율 제어, 그리고 도핑 금속 이온의 기능적 활용을 통해 추가적인 기능성을 부여하는 방향으로 진화하고 있다. 특히 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn) 등의 항균 금속 이온을 표면 도핑 또는 복합화함으로써 항균성과 조직 반응성을 동시에 향상시키는 전략이 활발히 연구되고 있다 (그림 1(B)). 

그림1. (A) 프린팅 된 HA-ZrO₂ 복합소재 스캐폴드 및 세포실험[2], (B) Cu doped 양에 따른 ZTA 소재의 미세구조 및 세포배양 결과[3]

생체활성 및 생체분해성 세라믹 또한 적층 제조 기술을 통해 광범위하게 연구되어 오고 있다. 이 중에서도 3D 프린팅 된 HA스캐폴드는 자연 뼈의 무기 성분과의 화학적 유사성 및 뛰어난 골유도성(osteoconductive) 특성 덕분에 널리 활용되어 왔다. 또한 β-TCP와 Bioactive glass는 세포 부착과 골형성을 촉진하는 우수한 성능을 보여주며 주목받았다.

최근의 연구는 단순한 생체적합성을 넘어 다기능성 스캐폴드로의 전환을 추구하고 있다. 예를 들어, bioactive glass 기반 소재는 칼슘(Ca²⁺), 실리콘(Si⁴⁺), 인(P⁵⁺) 등의 치료적 이온을 방출하여 혈관 생성(angiogenesis), 세포 증식, 항균 효과를 유도한다. 이러한 특성은 금속 이온 도핑, 그리고 성장인자(BMP-2, VEGF 등) 와의 복합화를 통해 한층 강화되고 있으며, 이는 단순한 구조 스캐폴드에서 벗어나 성장인자 전달 기능이나 약물 방출 조절 기능을 결합한 재료들이 등장함에 따라 재생 촉진 기능을 갖춘 고기능 세라믹으로 진화하고 있다. 이는 bioactive glass기반 소재에만 국한되지 않고 적용되고 있으며, 이외에도 calcium-deficient hydroxyapatite(CDHA)와 같이 높은 이온 방출성과 나노구조 특성을 갖는 변형 소재는 기존 HA보다 향상된 세포친화성과 조골세포 반응을 유도하며 주목을 받고 있다 (그림 2).

그림 2. (A) 3D 프린팅 된 Zinc-doped bioactive glass/Polycaprolactone hybrid 소재[4], (B) 바이오세라믹 스캐폴드의 PDA 표면 개질 및 BMP-2의 접합[5]

이러한 발전 흐름 속에서 최근에 다시 주목받거나 새로이 소개된 몇 가지 바이오세라믹 소재도 언급하고자 한다. 먼저 포스테라이트(Forsterite, Mg₂SiO₄)는 기존 HA 대비 우수한 기계적 강도와 생체활성 특성을 동시에 제공하며, 마그네슘 이온 방출을 통해 세포 활성 및 알칼리성 완충 기능을 유도하는 것으로 보고되어 조직 재생을 촉진할 수 있는 고기능성 세라믹으로 재조명되고 있다 [6]. 

질화규소(Silicon Nitride, Si₃N₄)는 항균성, 고강도, 자가윤활성(self-lubricant) 등 다양한 기능이 통합된 소재로, 특히 장기 삽입형 정형외과 임플란트로 주목받고 있으며, 이온 방출에 따른 조직 반응성 향상과 기계적 안정성 간의 균형 확보가 중요한 연구 방향으로 제시되고 있다 [7].

또한, 티탄산 바륨(Barium Titanate, BaTiO₃)기반 압전 세라믹은 기계적 자극을 전기적 신호로 전환하는 능력을 바탕으로, 골재생을 촉진하거나 신경세포 활성화를 유도할 수 있는 스마트 스캐폴드로의 응용 가능성을 제시하고 있다. 이러한 압전성 소재는 조직 내 자극 반응 기능과 전기-세포 인터페이스의 정밀 제어를 통해 치료형 세라믹으로서 새로운 가능성을 탐색하고 있다 [8].

결국, 3D 프린팅 바이오세라믹 소재는 기존의 생체적합성과 구조적 안정성이라는 틀에서 벗어나, 기능성 내재화, 생체환경과의 상호작용 강화 그리고 치료 반응의 정밀한 제어를 지향하는 방향으로 진화하고 있으며(그림 3), 향후 재생의학, 정형외과, 스마트 조직공학 전반에서 핵심적 역할을 수행할 것으로 기대된다.

-----이하 생략

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