자연과 같아지는 길

신체의 일부를 대체하는 것으로는 더 이상 충분하지 않다. 이제 목표는 자연이 의도한 그대로 동작하도록 만드는 것이다.

“제조 재료가 보다 디자인 공정이 되는 그러한 변화과정을 보게 될 것이다. 우리는 우리가 어떤 특성을 원하는지 알면 원자의 배열을 최적화하여 진실로 원하던 물질을 만들어내게 될 것이다.” - Christopher Schuh, MIT

Oklahoma City의 Martin Bionics는 이 글을 생명 공학 분야에서 구현하겠다고 생각하였다. Martin Bionics는 절단 수술을 받은 사람에게 이익을 줄 나노입자 기반의 제품을 연구하고 있다. 이들 제품 중 하나는 방습을 위해 보조 장치의 라인에 사용되는 초소수성(superhydrophobic) 파우더이다. 인공 기관과 신체가 닫는 부분의 땀을 제거하는 것은 보조 장치 착용의 편안함을 제공하는 데 매우 큰 도움이 될 것이다. Martin은 또한 라이너 표면의 접합 부분에 효과가 지속될 수 있도록 해줄 나노재료를 제조하는 것에 대해서도 연구하고 있다.
이는 어떻게 재료의 발전이 인공 기관이나 임플란트 재료를 변화시키는지 보여주는 하나의 예일 뿐이다. 수세기 동안 목적은 손실된 신체 부위를 대체할 수 있는 재료를 만드는 것이었다. 이는 원시적이고 의족이나 손을 대신하는 갈고리(hook) 또는 아이보리 틀니와 같이 기능적인 장치들을 만들어 냈다. 이러한 예시는 최초라고 생각되어왔던 유리 눈과 같이 이식하는 것이었다.
재료에 관해서 볼 때 임플란트의 기능과 인공 기관은 발전해왔다. 재료공학의 발전은 생의학적 장치를 동등한, 단순히 접근하는 수준이 아닌 자연 그대로 발견되는 효율과 성능을 갖도록 발전시키는 데에 있다. 이러한 능력의 대부분은 자연을 흉내내기보다는 반영하는 것에서 시작한다.
현재까지 개발되어 특허 출원한 Martin Bionic의 다른 장치에는 컴퓨터-조절 발목이 있다. 이 장치는 행동을 취할 수 있도록 인공지능을 가진 마이크로프로세서에 의해 조절되는 자기유체(magnetorheological) 완충기를 사용하여 효과적인 걷기가 가능하도록 한다. 이 장치는 이동 속도와 걷는 지역의 지형에 따라 적당한 각도로 동작할 수 있도록 해준다. 마이크로프로세서는 원래 세라믹을 포함하고 있다. 발목 또한 당연히 그러하다. 그것은 장치의 최종 생산자와 관련이 있다. Mar
tin Bionics는 최근 인공 기관을 생산하는 큰 업체와 계약을 체결하였다.

전자 계면
Martin Bionic의 최종 목표는 뇌가 천연 세포들을 통제하는 것과 같은 방법으로 인공 기관들을 통제할 수 있도록 신경 계면을 제공하는 것이다. 만약 그것이 가능하다면, 계면이 이식 가능한 세라믹 전자 장치가 될 것으로 예상된다.
“첫 번째 심장 박동 조절 장치가 이식된 이래로 45년간 심장 박동 조절 장치는 성공적으로 이식되어 왔습니다.” Morgan Advanced Ceramic의 John Mastrogiacomo는 말했다. “연구진과 박사들은 장치와 신체 세포 간에 기능성 계면을 제공할 이식 가능한 전자장치 어레이를 만들어왔습니다.”
대부분의 전자 장치가 그러하듯이 이식 가능한 장치는 작을수록 좋은 것이다. 여기서 다시, 세라믹이 그 해결책이 될 것이다. Mastrogiacomo에 따르면 “파우더 주입 몰딩을 적용하면 보다 많은 부품을 소형화 할 수 있을 것입니다. 이 방법은 복잡한 형상이나 특수한 기하학적 모형을 구현해낼 수 있어 보청기, 뼈 나사와 이식 가능한 심장 펌프를 만드는데 최적이라고 할 수 있습니다.”

재료 간의 차이
세라믹 기술뿐만 아니라 세라믹 공정은 임플란트 분야에 발전을 가져왔다. Amedica of Salt Lake City는 현재 엉덩이, 무릎과  등뼈 이식에 사용되고 있는 재료의 한계를 극복하기 위한 두 가지 방안을 개발했다.
·미세 화합물 세라믹(상표 MC2라고 알려져 있음)은 도핑된 실리콘 나이트라이드로부터 만들어진 Amedica의 고강도 세라믹의 이름이다. 이 재료는 뛰어난 내마모성과 강도가 요구되는 분야에 사용되기 위해 만들어졌다.
·해면 구조 세라믹(aka CSC)는 ‘뼈의 성장을 증진시키기 위한 다공성 화합물’이다. Amedica는 CSC 이식이 실제 천연 뼈와 비슷하다고 전했다.
MC2는 Amedica의 지난해 FDA에 의해 승인을 받은 ArxTM 세라믹 척추 스페이서 시스템에 사용되었다. Amedica는 Arx가 세계최초의 세라믹 척추 이식용 제품이라고 믿고 있다. 스페이서는 척추의 보조 영역을 외상이나 퇴행성 질병에 의해 손상된 뼈를 대신하여 사용될 수 있다.
“비록 티타늄이나 PEEK 폴리머로 만들어진 대안이 될 임플란트 제품이 있지만, 각각 제품은 Ame
dica의 시스템의 일부에 지나지 않습니다”라고 Dar
rel Brodke는 말한다.
Brodke는 Utah 대학의 기계 공학부 부교수이자 대학의 Spine Center의 의학 책임자이다. “Amedica의 세라믹 척추 임플란트는 그 특유의 강도에 더해, 뼈와 결합할 수 있는 특수한 능력과 계속해서 의학 수술 테스트에 필요한 화학적 융화성을 가지고 있다.”
유리 연구에 있어서, 국제적 연구팀은 이러한 손상된 또는 병에 걸린 뼈를 위한 첨단 치료법을 연구하고 있다. 천연 뼈의 내부에 있는 스펀지 같은 조직과 같이, 연구 그룹은 피의 흐름을 향상시켜주고 병들고 손상된 뼈에 영향을 공급해줄 내부적으로 연결된 구멍을 갖도록 하였다. Lehigh와 Princeton 대학, Instrituto Superior Tecnico 그리고 이집트 대학에서 온 연구진이 뭉쳐 연구를 진행하였다. ACerS 회원인 Himanshu Jaind이 이번 연구를 리드하였다. 그는 International Materials Institute for New Functional Materials의 소장을 맡고 있다.
유리 연구 그룹은 기공의 크기를 두 가지 크기로 개발하였다. 나노기공은 지름이 20nm 정도였으며, 큰 기공은 100㎛이상이었다. 두 가지 크기에 서로 연결된 기공들은 천연 뼈의 두가지 핵심 기능을 흉내낼 수 있다. 세포 접합성뿐만 아니라 뼈의 구조 요소들의 결정화가 나노기공에 의해 향상된다. 큰 크기의 기공은 뼈세포가 유리 내부에서 성장하게 하여 새로운 혈관과 조직을 형성할 수 있게 해준다. 연구의 동기가 된 것 중에 하나는 골다공증으로 약해진 아래턱뼈 재료를 대체하여 흔들거리거나 병든 치아를 치료할 수 있게 하기에 충분히 강한 생체 적합한 유리를 개발하는 것이었다. 이중 다공성 유리는 손상된 뼈의 재생에 큰 도움을 주는 것으로 증명되었다.
반면 Brown 대학과 Purdue 대학의 생체의학 공학자들은 나노 크기의 재료를 연구하여 이공 혈관을 지지하기 위해 사용되는 작은 실린더인 스텐트(stnet)의 성능을 향상시키려고 하고 있다. Brown 대학에 따르면 이식된 작은 혈관의 30%만이 5년 이상 지속될뿐이라고 한다.
부교수인 Thomas Webster와 Karen Haberstroh는 표면 구조를 증식함으로써 천연 재료와 호환되는 인공 재료를 만들기 위한 연구를 진행 중이다. 어떤 측면에서 보면, 그들의 연구는 약물 치료와는 180도 다른 연구를 하고 있다고 할 수 있다. 
“우리는 세포가 좋은 세포든 나쁜 세포든지 간에 세포를 죽이는 약이나 재료를 찾는 게 아니라 신체가 잘 수용할 재료를 찾으려고 노력 중입니다”라고 Webster는 말한다.
신체가 임플란트된 외부 재료에 대해 거부반응을 보이는 이유라고 그들이 생각하는 것 중에 하나는 신체의 혈관은 미세하게 울퉁불퉁한 결이 나있는 반면에 이식된 대부분의 재료는 매끈한 표면을 가지고 있다는 것이다. 이식된 재료의 표면에 결이 나있다면 세포는 재빠르게 이들 표면에서도 성장할 것이라는 것이다. 그들의 다음 목표는 살아있는 생물에 이식 테스트를 하는 것이다.

최적의 형태
또 다른 떠오르는 분야는 체내에서 임플란트를 적절하게 배치시키는 것이다. 예를 들어 Zimmer Holding은 그 제품을 남자와 여자의 몸 구조 사이의 차이를 고려한 제품을 만드는데 초점을 맞추고 있다. 이는 남자와 여자의 크기 차이뿐만 아니라 뼈의 형태와 구조의 차이를 고려해야한다. Zimmer의 Gender Solution Technology는 현재 무릎과 엉덩이 대체 제품 개발에 초점이 맞추어져 있다.
“우리의 성별 차이 엉덩이 연구는 매우 실제적인 해부학적 차이를 제품 디자인과 그에 상응하는 외과적 기술을 설명하여 외과 의사가 그들의 환자에게 지속적인 회복이 가능하도록 하는 것입니다”라고 Zimmer의 회장인 Ray Elliott가 설명하였다.
만약 Zimmer의 접근법이 성공적인 것이 증명이 되면, 보다 많은 장구학(orthotics) 회사들이 성적 차이에 대해 더 많은 설명을 해주기를 기대하게 될지도 모른다.
적정한 맞춤이 NIST에서 새롭게 개발되고 있는 측정 기술의 목표이다. 연구진은 우주선 부품을 정확히 맞추는 데 사용된 방법과는 달리 엉덩이를 대체할 수 있는 방법을 연구하려고 한다. 그 목표는 컴퓨터 보조 정형외과 수술(CAOS) 추적 장치의 보정과 수술실 테스트를 향상하는 것이다.
CAOS 엉덩이 교체 수술은 작은 뼈 차이가 고려된다면 성공적이다. 정확하지 않은 측정은 임플란트의 조악한 위치선정을 유발하여 불편함, 고통, 심하면 반복 수술과 같은 원하지 않는 결과들을 발생시킨다.
NIST의 해결책은 이공 소켓 볼과 관절을 대체하는 데 사용할 대퇴부 그리고 엉덩이 대체 수술에서 사용될 뼈를 닮은 경량 메커니즘이다. ‘유령’이라고 연구자들 사이에서 불리는 이 장치는 보정된 XY 좌표 프레임에 기반하고 있다. 이 장치는 정확한 간격을 작은 구멍과 정확한 간격과 각도를 갖는 ‘절단면’을 가지고 있다. 구멍들은 나사가 삽입되어야 할 부분에 위치해 있다. ‘절단면’은 절개가 필요한 부분에 정해진 각도로 형성되었다. 유령의 공과 소켓 결합부의 화전 중신 좌표가 정확하게 측정되었기 때문에, CAOS 추적 센서의 제조자는 NIST 장치를 측정 장치의 정확도를 테스트하는데 사용할 수 있다. 유령은 또한 수술에도 사용될 수 있다. 늙은 목수의 측정법과 같이 두 번 측정하고 한번 커팅하는 것의 의학 버전에서 볼 때 첫 번째 절단을 하기 직전에 볼과 회전 좌표의 소켓 조인트 센터를 측정하기 위한 CAOS 장치의 정확도를 테스트할 때는 물론 절단면을 절단하거나 나사를 파기 위해 사용할 수 있다.

장치 재료 데이터베이스
정형외과에서의 발전은 올해 말에 더 이루어질 예정이다. 그것은 올해 말에 의학 장치 데이터베이스를 위한 재료의 정형외과 모듈이 발표될 계획이기 때문이다.(심장 혈관 모듈은 2007년 초에 발표된 바 있음) 이는 외과 수술에 사용되는 제품의 재료와 코팅을 위한 재료의 ‘기계, 물리, 생물학적 반응특성을 보다 이해하고 권위를 얻을 수 있는 원천’을 제공함으로써 새로운 장치의 보다 효율적인 개발을 위함이다.
데이터베이스는 출판된 문헌, FDA 장치 승인 정보, 제조자의 데이터 시트 그리고 재료 물성 리스트뿐만 아니라 의학 장치 개발자와 제조자를 위한 생의학 반응 데이터에 참조될 것이다. ASM International과 Granta Design간의 공동 연구로, 데이터베이스 내의 정보는 전문가에 의해 검토, 확인되었다고 전하고 있다.
이러한 정보의 축적은 장치의 개발을 허용하여 현재의 제품보다 자연에 다가선 모습이 될 수 있도록 해야 한다.
 (Ceramic Bullletin)