21세기 바이오세라믹이 해결할 문제
편집부(외신)

의료적인 1세대(불활성 세라믹)와 2세대(생체 활성적이고 흡수 가능한 세라믹) 바이오세라믹 이식은 급속히 늘어가는 노인인구의 요구에 대응하기 위해 탄생하였다. 수백만의 환자들이 바이오세라믹의 혜택을 받아오고 있다.
그러나 대부분의 의골(skeletal prosthese)과 바이오 세라믹 인공 심장 판막의 분석 결과 1/3에서 1/2가량의 의골이 10~25년 내에 수명을 다하여 재수술을 받아야만 한다는 결론이 나왔다.
20년 간 연구를 하였지만 의골의 수명을 크게 연장시키지는 못하였다. 현재 의골 기술이 그 한계에 부딪혔으며 세포들을 대체할 수 있는 기술을 개발해야 한다. 21세기는 보다 의학적인 기반으로 세포를 치료, 재생성해야 한다.

세포를 재생하는 바이오물질
3세대 바이오 물질은 분자 생물학 단계에서 특정 세포 반응을 자극하도록 설계되고 있다.
생체 활성과 흡수 가능한 물질의 개념이 융합되고 있으며, 생체 활성 물질이 흡수 가능하게 만들어지고 있고, 흡수 가능한 물질이 생체 활성화되고 있다.
흡수 가능한 폴리머 시스템을 만든 분자 수정은 인테그린(integrin) 세포와 특정 상호관계 유발하여 직접적인 셀 증식, 분화, 세포 외부의 기지 생산과 조직화를 가져오게 된다.
3세대 생체 활성 유리, 화합물 그리고 다공성 폼은 살아있는 세포의 재생을 자극하는 유전자를 활성화 하도록 디자인되었다.
다음과 같은 3세대 바이오물질을 사용하여 치료할 수 있다.
쪾세포 공학 세포가 자라게 될 신체의 외부 구조에서 씨앗에서 세포가 성장하기 시작 분화하여 원래 세포와 같게 된다. 세포 공학구조물은 환자에게 이식되어 병들거나 손상된 조직을 대체하게 된다. 시간이 지남에 따라, 구조물은 원래 조직에 의해 흡수되고 대체되어 피가 흐르고 신경이 닿게 된다. 살아있는 세포 공학 구조물은 생물학적 환경에 적응되어 지속적인 치료효과를 내게 된다.
쪾세포 재생 이 방법은 국지적인 세포의 회복을 위해 바이오 물질을 파우더, 용액 또는 도핑된 미세 입자들을 사용한다. 생체 활성 물질은 자극제와 닿은 세포를 자극하는 화학물질을 이온 용해 물질이나 고분자 성장 요소의 형태로 방출하게 된다. 세포는 생화학적 생체기계적인 구배에 따라 여러 성장 세포를 자극하는 추가적인 성장 요소를 생산하여 요구되는 세포에 저절로 성장이 이루어지게 한다.

위의 두 방법에 의해 제공되는 장점은 세포 회복 과정이 유전적으로 통제된다는 점이다. 그 결과는 천연 세포가 회복되는 것과 같다. 특정 생체 활성 유리가 뼈의 결함을 채우기 위해 사용되었을 때, 그 위치에서 요구되는 뼈의 구조적, 기계적인 특성에 맞는 뼈가 급속한 속도로 생성되게 된다.
바이오글래스짋, 페리오글라스짋와 노바본짋은 뼈를 채우는 생체 활성화 물질로 의학적으로 사용되고 있는 제품이다.(그림 1). 뼈전달과 뼈생성은 생체 활성 유리 표면의 급속한 반응의 결과로 일어난다.
표면 반응은 유리와 세포 환경 사이의 계면에서 세포간과 세포 외부간의 반응을 일으키는 용융 실리콘, 칼슘, 인 그리고 나트륨 이온의 특정 농도를 만들어낸다. 골아세포(장차 뼈로 성장할 세포)의 부착과 동기화된 분열과 분화가 생체 활성화 물질의 표면에서 급속하게 일어나게 된다.
생체 활성화 물질로부터 느리게 방출되는 용융 이온은 세포벽과 성장요소 생산 그리고 세포 외부 기지 단백질을 자극한다. 기지가 미네랄화되면 콜라겐-아파타이트 기지에 갇혀있는 성숙한 뼈세포(골세포)가 최종적으로 며칠 내에 생성되게 된다.
대부분의 생체 반응 유리의 반응에는 세포 반응을 조절하는 유전적 조절이 있다. 1차 인간 골아세포가 생체 활성화 유리의 이온 용액 물질에 노출되면 7족(族)의 유전자가 발현된다.
흡수가능한 생체 활성화 겔-유리 폼(그림 2)은 뼈 조직 공학 구조물로 사용될 것으로 기대되고 있다. 생체 활성화 세라믹의 표면은 조절될 수 있다. 이것은 생체 활성화 상을 폴리머 재료에 첨가할 수 있을 것을 포함하고 있는데, 그렇게 되면 생체 활성화 화합물 또는 폴리머 표면을 생체 활성화를 띄도록 만들 수 있다.
생체 활성화 화합물은 세포의 유전자를 자극하는 용융 실리콘과 칼슘의 특정 농도를 만들어 체외에서 급속한 뼈 형성을 유도한다.

부드러운 세포 공학
이식된 세포 공학 구조물에 피를 공급하고 유지시키는 것은 장기간의 신뢰성에 핵심적인 요인이다. 3 세대 생체 활성, 흡수 가능 화합물은 부드러운 조직의 재생에 필요한 혈관 형성을 향상시키는데 사용된다. 새로운 화합물 처리 공정 방법은 폴리(poly glycolic acid,PGA) 메쉬와 폴리(poly lactic acid, PLA) 폼을 45S5 바이오글래스짋 5㎛이하의 입자 농도를 갖도록 스며들게 하도록 개발되었다.(그림 3)
생체 활성, 흡수 가능한 화합물 메쉬를 쥐의 피하지방에 이식하였다. 그 결과 생체 활성상 없이 한 경우에 비해 통제를 한 경우, 화합물 메쉬 내부에 더 많은 혈관이 분포함이 밝혀졌다.
이러한 결과는 새로운 생체 활성화 물질이 노인의 요실금을 치료한 부드러운 세포의 거부 반응을 최소화 할 수 있는 입자나 메쉬로 개발될 수 있음을 보여준 것이다. 생체 활성화 화합물의 시트는 탈장 치료나 소장의 조직 튜브에 대체 사용될 수 있다. 이 문제들은 고령화가 심각해진 21세기에 해결해야 할 문제들이다.

줄기 세포 공학
자기-갱생과 여러 세포로 성장할 가능성이 있는 줄기 세포는 재생 의학이라고 불리는 21세기의 새로운 접근법이다. 줄기 세포는 신체 세포의 일부 또는 전체를 구성하고 있다.
해결해야 할 문제는 줄기세포를 자극하고 분화시켜 원하는 세포로 만들고 매우 높은 순도로 정제하여 증식 단계에서 암으로 발전하지 않도록 하는 것이다. 그리고 난 후에 특정 계열의 세포를 이식하여 세포가 증식하고 원하는 기능을 하여 병들거나 노쇠한 세포를 교체할 수 있게 한다.
시작점은 원하는 세포를 만들기 위한 가장 적절한 줄기세포를 선택하는 것이다. 인간은 골수, 뇌, 장, 간 뿐만 아니라 순환계에도 스스로의 줄기세포 저장소를 가지고 있다. 이들 세포는 잠재적으로 수집하고 퍼트리고 구성 세포로 모을 수가 있다. 필요하다면 회복이 필요한 위치에 거부반응을 최소화하여 이식할 수도 있다.
활성화된 줄기세포는 국지적인 곳에서 세포를 발생시킨다. 어떤 특정 줄기세포의 경우에는 접근성과 낮은 빈도수(예를 들어 골수에는 100,000개 세포 당 하나의 줄기세포가 있다)와 나이에 따라 성장 잠재성이 줄어든다는 점이 문제가 되고 있다.
분자적으로 수정된 생체 활성 세라믹은 줄기세포의 분화에 대한 확실한 조절을 제공하고 줄기세포 기반 재생 의학의 기초가 될 기술을 제공하고 있다.
생체 활성 기판(45S5 바이오글래스짋)에서의 성장은 ES 세포로부터 뼈가 자라는 것의 편차를 향상시켜준다. 58S 생체활성 겔 유리에서부터 얻은 실리콘과 칼슘 양이온을 포함하고 있는 용융 가능한 이온 추출물들은 골아세포가 ES 세포에서 특정 계열의 세포가 되도록 분화를 촉진시켜준다.
ES 세포가 뼈형성 세포로 분화하는 것은 다층, 미네랄화된 뼈 마디의 형성에 의해 특성화된다. 용융 가능한 생체 활성 유리 추출물은 미네랄화된 뼈의 마디를 거의 100%까지 증가시킨다. 이러한 결과를 인간의 ES세포에까지 확장되었고, 줄기 세포 공학에 생체 활성 세라믹의 사용이 기대되고 있다.

간염과 치유 통제
생체물질에 생체물질 중심 간염과 조직 집합력에 손상을 주는 박테리아가 달라붙는 것은 의학 장치의 수명을 제한하는 심각한 문제이다. 다른 문제로는 박테리아의 증식이 항생 작용을 방해한다는 점이다.
하체와 다리의 만성적인 상처, 절단을 요구하는 당뇨병의 합병증은 또 다른 문제이다. 세포의 퇴분화를 야기시키는 박테리아와 만성 염증에 대한 통제가 필요하다. 새로 개발된 졸-겔-유리, AgBG, SiO2-CaO-P2O5-Ag2O 시스템의 체외 생체 활성과 항생 작용은 이러한 문제들에 대한 21세기 세라믹의 접근방법을 보여준다. 생체 활성 겔-휴리 시스템에 2~3wt%의 Ag2O를 첨가하면 생체활성 특성 없이도 유리에 항균 특성을 만들 수 있다.
AgBG는 Esherichia coli, Pseudomonas와 같은 중요한 병원체에 노출되면 세균 발육을 억제하고, 급속한 살균 작용을 나타내게 된다. AgBG의 항균작용은 겔-유리 기지에서 온 Ag+이온에 기인한다. 은이 생체 활성 겔-유리 폼에 들어가도록 하고 세포 공학과 재생 의학용 기기들의 봉합이 완벽하게 이루어졌다. 은 도핑된 S70C30폼으로부터 나오는 은의 양은 최소 항생 농도(0.1ppm)보다 높았지만 인간의 세포 파괴 농도인 1.6ppm보다는 낮았다.
인간의 골아세포, 섬유 아세포 그리고 keratinocyete가 은-도핑된 겔-유리에서 세포 회복 증식을 위해 필요하다. 의학적인 연구가 2006년에 이루어질 전망이다.
자국 보안
최근 전세계적인 테러 공격의 비극으로 21세기는 새로운 해결 과제를 안게 되었다. 즉 화학적, 생물학적 무기를 빠르게 검출해내는 능력이 필요하게 된 것이다. 산업 화학물과 쓰레기로 인한 환경 오염에 대한 증가되는 우려도 사회가 해결해 나가야 할 문제 중에 하나이다.
새로운 세라믹 나노기술과 첨단 세포, 분자 생물학 그리고 생체 광학이 결합되어 이러한 문제들을 해결하는 새로운 방법을 제시하고 있다.
우리는 레이저의 특정 파장과 생존능력과 신진대사, 유사분열, 분화, 퇴분화 그리고 단일 세포의 죽음과 세포 집단의 죽음을 세포의 손상 없이 실시간으로 관찰하기 위한 스펙트로미터를 사용하였다.
우리 몸에 살고 있는 단일세포 즉 세포의 3차원 집단체는 오랜 기간 생존하는 반면에 세포가 교체되거나 손상이 가기 전에는 세포의 건강상태는 의문스럽다. 세포가 침투된 테스트 에이전트에 노출되면 분광 신호가 관찰되고 수초에서 분으로 정량화 된다.
세포의 분광신호 변화는 에이전트에 노출되어 테스트되었기 때문에 세포 내의 DNA, RNA, 단백질, 리피드와 탄수화물과 관련되어 있다. 노바테스트짋는 가장 심각한 화학무기 물질인 리신과 황 머스타드의 독소 공격에 의한 급격한 차이를 구별해낼 수 있다.

미래의 모습
환자들과 질병 퇴치를 위해 새로운 세대의 유전자 활성화 생체 물질이 만들어져야 한다는 것은 분명한 사실이다. 생체 활성 자극제가 유전자를 활성화 시켜 노후된 세포의 건강을 유지시키는 역할을 하게 될 수도 있다. 수년 전만 해도 이러한 개념은 불가능해 보였었다. 우리는 불과 30년 전만 해도 인체 내부에 살아있는 세포를 몸에 이식한다는 것 자체가 불가능하다고 생각했던 것을 되짚어봐야 할 것이다.
 (Ceramic Bulletin)