바이오 기술(BT)과 세라믹스

세라믹 및 하이브리드 생체재료의 연구개발 동향과 전망

이 상 천 공학박사 요업(세라믹)기술원 나노소재응용본부 선임연구원

1. 서론
노화가 진행됨에 따라 인체를 구성하는 생체 조직들은 낡게 되고 약해지기 마련이다. 대표적인 예로 치아가 약해져 빠지게 되며 각 관절에는 관절염이 생기고, 뼈는 탄력성을 잃고 충격에 의해 부숴지기 쉽게 된다. 자연 노쇠현상 이외에도 자동차 사고 및 산업재해로 인해 경조직의 손상을 가져올 수도 있다. 손상 받은 경조직의 기능을 회복시키기 위하여 인간은 인공 생체 이식 재료를 개발하기 시작하였으나 인공 재료는 인체 본래의 생체 장기를 대신할 수는 없다. 따라서 인체 장기와 유사한 기능의 많은 부분을 담당할 수 있는 생체 재료를 얻고자 하는 것이 연구개발의 주 목적이다. 경조직 이식 재료로 사용되기 위해서는 생체 내에서 독성, 발암성 등 유해작용이 없어야 하며, 생체 조직과 높은 친화성, 주변 조직과의 강한 결합 및 뼈와 유사한 기계적 성질 및 내마모성도 좋아야 한다.
현재까지 사용되어 온 주 생체 재료는 Stainless Steel, Co-Cr 합금, Ti합금 등 내부식성을 갖는 금속 재료나 PMMA, 고밀도 폴리에틸렌 등 생체 내에서 비교적 안정한 고분자 재료가 이용되었다. 그러나 이러한 재료들은 생체 조직과 좋은 친화성을 나타내지 못한다. 반면에 세라믹 생체재료(바이오세라믹스)에는 생체가 갖고 있는 Ca, P, K, Na, Si 등의 원소로 구성되어 있어 낮은 독성 및 높은 생체조직과의 친화성을 나타낸다.
특히 생체에 이식시켰을 경우 뼈조직과 강한 결합을 이루는 세라믹 생체재료에 대한 관심이 최근 들어 증폭되고 있다. 또한 최근에, 고분자 생체재료와의 하이브리드화를 통하여 세라믹 생체재료의 단점인 성형의 어려움 및 낮은 취성을 극복함과 동시에, 생분해 및 높은 생체친화성을 갖는 소재 개발이 주 이슈가 되고 있다. 본 특집에서는 세라믹 생체재료의 종류, 특성 및 연구동향과 하이브리드 생체재료의 연구개발 동향에 대해 소개하고 장래 세라믹 및 세라믹/고분자 융합소재의 장래성에 대해 조망하고자 한다.

2. 세라믹 생체재료의 종류·특성 및 연구개발 동향
세라믹 생체재료는 생체 조직과 화학결합을 이루는 생체 활성 소재인 수산화아파타이트, 삼인산칼슘 (TCP) 및 바이오 글라스(생체활성유리)가 있고, 결합을 이루지 않는 불활성 소재인 카본 세라믹스나 알루미나 등이 있다. 본 특집에서는 폭넓은 응용가능성을 갖는 생체활성 세라믹 소재에 대해 집중적으로 기술하고자 한다.
가. 수산화아파타이트
수산화아파타이트(Ca10(PO4)6(OH)2)는 치아 에나멜질의 95% 이상을 구성하며 뼈의 섬유성 단백질인 콜라겐을 제외한 약 65%를 구성하는 중요한 물질이다. 세라믹 생체재료는 소결체 및 분체의 형태로 사용되며, 현재 연구개발의 주요 목표는 인공치근과 골결손부의 보충할 수 있는 소재개발에 집중되고 있다. 현재 개발되고 있는 수산화아파타이트 인공치근의 역학적 강도는 인체중에서 가장 강인한 조직인 에나멜질 부분과 거의 동등하며, 통상의 생활을 하는 데는 충분하다. 그러나 콜라젠과 수산화아파타이트의 복합체인 자연치아와는 다르게, 인공치근에서는 무기질만의 재질이기 때문에 깨지기 쉽고 급격한 힘을 가하면 부러지는 위험성이 있다. 따라서, 현재 인성이나 강도향상을 위해 현재 하이브리드 생체 재료의 복합화가 시도되고 있다. 골 결손부의 충진재로서의 응용에서는 해면상의 다공질체 및 혹은 과립이 이용되고 있다. 매입된 세라믹 생체재료는 신생골 형성에 도움을 주고 경조직의 회복에 큰 기여를 한다.
나. 삼인산칼슘 (TCP) 세라믹
Ca3(PO4)2의 화학식을 가지며, 수산화아파타이트와 닮은 성질의 화합물로, 현재 다공체로서 골결손부의 충전용이나 두개골 보충 등에 응용되고 있다. 생체조직에 대한 용해도가 수산화아파타이트보다 큰 편이기 때문에 골치환 속도가 빠르고, 체내에 매식된 소결체의 구멍에 신생골이 서서히 진입하여, 자기 자신의 뼈와 치환하는 것이 많은 연구그룹에 의해 보고 되었다. 국내에서는 (주)경원메디칼에서 개발한 Polybone이 삼인산칼슘을 이용하여 성공한 대표적인 골수복 재료로 평가받고 있고 시판 중에 있다. 최근에는 금속에 코팅하여 인공치근으로서 응용도 고려되고 있다. 분말을 치주병으로 생긴 골결손부에 충전하는 것도 현재 상용화에 있다.
다. 바이오글라스
바이오글라스는 다량의 산화칼슘과 인산을 포함하는 유리로, 골조직과의 친화성이 매우 우수하다. 바이오글라스는 생체재료로서의 기능은 손상된 대퇴골에 매입하면 유리의 표면이 먼저 용해하여 수산화아파타이트의 겔층을 만들며, 이것을 사이에 두고 뼈와 결합한다. 바이오글라스는 강도가 낮기 때문에, 금속의 심체에 코팅한 것이 치과용이나 정형외과용으로 활발히 검토되고 있다. 특히, 강도향상을 위한 결정화 기술이 핵심화두로 떠오르고 있는 추세이다. 구체적인 방법으로는 불화칼슘을 넣어 적당한 조성의 유리를 만든 후 열처리를 통해 월라스토나이트의 침상 결정형성을 유도해 강도가 향상한다. 다른 방법으로는 산화칼슘과 인산을 융해하여 유리를 만들며, 이것을 온도구배를 주어 열처리하는 것에 의해, 석출결정을 일방향으로 갖춰 결정화시킨다. 일방향배향 결정화 유리는 불규칙하게 결정이 석출된 종래의 결정화 유리나 수산화아파타이트 소결체에 비교해서 높은 강도를 갖는 것으로 알려져 있다.
세라믹 생체소재는 적용부위에 따라 조직재생에 탁월한 다공성 블록형 및 과립형과 소재와, 본시멘트로서의 장점을 갖는 페이스트형 및 새로이 연구되는 나노섬유형의 다양한 형태로 손상된 경조직의 특성에 따라 맞춤형의 소재 설계가 가능하다는 큰 장점으로 인해, 현재 연구개발의 중심 이슈가 되고 있다.
3. 하이브리드 생체재료의 응용분야 및 연구개발
   동향
하이브리드 생체재료, 특히 세라믹 생체재료와 고분자의 하이브리드 소재에 대한 연구기술 개발은 다음과 같은 부분에서 중요성을 지닌다. 첫째, 인체의 경조직이 유-무기의 복합체로 이루어졌기에, 이에 대한 연구개발은 그 자체만으로도 생체 경조직 재료 개발의 궁극적 목표이며, 대표적인 생체 모방 기술이라 할 수 있다. 둘째, 유-무기 복합체는 기존의 고분자, 세라믹재료의 독자적 연구에서 융합적 연구에 학문적 중요성을 지닌다. 셋째, 기존에 골대체 재료 연구로 사용된 금속이나 폴리머, 또는 세라믹 단일 종에 비해 그 구조적 특성이 치아 및 뼈와 가장 유사하고 생체적 특성이 단연 뛰어나므로 그 이용가치가 막대하다. 현재, 국내의 세라믹/고분자 하이브리드 생체소재에 대한 개발은 초기단계에 와있는 실정이다. 대표적인 연구개발로는  생체고분자인 콜라젠 또는 젤라틴 등과 수산화아파타이트의 하이브리드화 및 솔-젤 공정으로 제조된 poly(ε-caprolactone)/silica 하이브리드에 관한 연구로서, 생체적합성 및 생분해성을 부여하였으며, 또한 생체활성인 silica와의 하이브리드를 통해 뼈 무기질 형성에 기여하는 기술이 보고되었다.
국외 연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를 증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나, 골조직 형성 촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 하이브리드화 및 생체활성물질의 전달이 가능한 복합체 및 스캐폴드(scaffold)에 대한 연구가 활성화 된 것이 큰 특징이다. 생분해성 고분자를 이용한 하이브리드 골조직 재료개발이 중요한 연구분야로 자리매김하고 있으며, PLGA, PLA, poly
(ε-caprolactone), polyanhydride등의 합성고분자와 키토산(chitosan) 등의 천연고분자의 독특한 특성과 수산화아파타이트, 삼인산칼슘, silica 및 바이오글라스 bioglass 등의 무기질의 생체활성 및 골전도 특성이 결합된 유무기 골 손상회복 소재가 주류를 이루고 있다. 유무기 복합화를 고분자 매트릭스를 사용한 주사형 제제는 PMMA등의 비분해성 고분자가 주류를 이루었으나, 90년대 후반에 들어서 가교반응에 의해 블록형 및 주사형 스캐폴드로 응용 가능한 poly
(propylene fumarate) (PPF) 등의 분해성 고분자가 의과학적 응용에 많은 장점을 갖고 있어 활발한 연구개발이 진행 중이다. 인체내 주입시 가교반응을 통해 항생물질 및 bone morphogenetic protein (BMP)등의 단백질 약물 전달기능을 함유한 또는 약물전달 입자의 채내 고정을 유도하는 유무기 하이브리드 소재에 대한 연구결과도 다수 보고되었다. 또한 phosphate, carboxylate 및 sulphonate 그룹으로 개질된 고분자를 사용한 유/무기 소재는 매트릭스 내 바이오미네랄리제이션 유도가 가능하여, 생체모방형 특성을 가지므로 근래에 들어 관심의 초점이 되고 있는 연구분야이다.
최근의 연구개발 동향에서 주목받는 가장 큰 화두중 하나는 하이브리드 소재에 나노재료 기술의 도입으로 하이브리드 인공 경조직 재료의 단점을 개선하려는 시도이다. 비교적 최근에 시작되었으나 나노기술이 현재 인체뼈의 구조 및 특성을 모방하는 이상적인 소재 개발에 있어, 차세대 경조직 대체기술을 위한 연구방향으로 인식되고 있다. 나노재료 기술이 도입된 대부분의 연구는 수산화아파타이트 나노결정에 초점이 맞춰져 있고 이로 인해 고분자 파이버 및 스캐폴드 내에 균일한(homogeneous) 분산이 가능하므로, 천연뼈와 같은 기계적 물성을 기대할 수 있다는 연구결과가 발표되었다. 현재까지 보고된 연구의 핵심기술은 새로운 합성법에 의한 수산화아파타이트 나노결정의 제조공정 개선 및 고분자 매트릭스의 내의 균일한 분산기술이 주를 이루고 있다. 고분자 매트릭스내 나노 스케일의 균일한 분산으로 형성된 나노복합체는 천연뼈와 같은 기계적 강도를 보인다는 연구결과가 보고 되었다. 수산화아파타이트 나노결정과 하이브리드를 이루는 고분자를 선택하여 유무기 소재의 특성을 조절하는 연구도 광범위하게 진행되고 있고, 고분자의 범위는 콜라젠, 키토산 등의 천연고분자와 PLGA, polyamide등의 합성 고분자로, 나노 수산화아파타이트와의 상호 작용을 향상시켜 기계적 물성 및 고정화 특성이 향상된 소재 및 생체적합성이 뛰어난 소재에 대한 연구개발이 초점이 되고 있다.

4. 세라믹 및 하이브리드 생체소재의 전망
본 특집에서는 세라믹 생체재료의 분류 및 응용범위에 대한 기술과 함께 현재 활발한 연구가 이루어지고 있는 하이브리드 생체재료에 대해 소개하였다. 세라믹 생체소재 본연의 장점과 더불어 고분자가 갖는 장점을 결합한 하이브리드 생체재료는 인체 경조직 재생 및 복원을 위한 이상적인 소재로서 평가되고 있고, 최근 나노소재기술의 도입으로 한 층 더 자연뼈와 같은 기계적 및 생화학적 특성을 갖는 소재의 개발에 큰 힘을 실어주고 있다. 현재 인공 경조직 생체재료의 세계 시장규모는 2003년 13조원(년 12% 성장), 국내 시장규모는 3000억원(년 13% 성장)으로 고속성장 규모이다.  그러나 대부분의 인공장기, 보조장치, 수술기구들이 수입에 의존하고 있고 생체재료의 수요가 소량, 다품종이라는 제한점은 있으나 경제적인 부가가치가 매우 높아 국내에서도 많은 연구인력의 양성과 지원이 요구된다. 물론 국내의 몇몇 대학, 연구소, 기업에서 본시멘트, 인공치근, 인공관절, 및 정형외과용 보조장치들이 개발중에 있으나 적용분야에 사용되는 생체재료에 대한 기초연구가 부족하므로 이에 대한 대책마련이 시급하다. 세계시장에서 경쟁력 있는 세라믹 생체소재 및 하이브리드 소재에 대한 연구를 위해서는 재료연구자, 제조업체, 최후의 사용자인 의사 그리고 재료들을 평가하고 응용하여 실현시킬 수 있는 의공학 및 생명공학 관련 연구자들간의 공동연구가 필수적으로 선행되어야 할 것으로 사료된다.

그림 1. 적용부위에 따른 세라믹 생체재료의 다양한 형태 및
          국산화된 삼인산칼슘계 골수복재 (PolyBone)

표 1. 유/무기 하이브리드 골 소재 국내 연구동향(월간세라믹스 2006년3월호 66페이지 참조)

표 2. 유무기 하이브리드 골 소재 국외 연구동향(월간세라믹스 2006년3월호 67페이지 참조)
 
필자약력
·인하대학교 공과대학 고분자공학과 공학박사
·Purdue University, School of Pharmacy,
 박사후 연구원
·Japan Advanced Institute of Science and
  Technology (JAIST), School of Materials 
 Science, 박사후 연구원
·요업(세라믹)기술원 나노소재응용본부
 선임연구원