편집부(외신) 현재 사용되고 있는 미립자 크기의 재료를 나노 크기로 만들면 현재 이식 수술의 문제점을 개선하는데 해결책이 될 것이다. 나노 기술은 재료의 구조와 조성을 원자, 분자나 초분자 수준으로 제어했을 때 물성이 새롭게 변하는 것을 이용하는 기술이라고 대략적으로 정의할 수 있다. 이미 공정, 촉매, 광학, 동력, 전기, 기계 같은 몇몇 주요한 연구 분야는 나노기술 영역의 이점을 이용하기 시작하였다. 정확히 말하자면 그러한 이점은 재료의 결정립계의 크기가 100nm보다 작을 때 얻을 수 있다. 그러나 현재까지 밝혀진 생물학 분야(특히 이식용이나 조직 공학에의 응용)에의 이점은 상대적으로 볼 때 그리 많지는 않다. 이 글에서는 나노 크기의 세라믹이 조직 재생성 향상 같이 생명 공학 분야의 문제점을 확실히 개선해 줄 것임을 보여주려고 한다. 또한 100nm보다 작은 결정립을 갖는 세라믹의 새로운 물성 즉, 세포막 적합성의 개선도 설명하였다. 비록 현재 연구는 치아, 방광, 신경계, 혈관, 심장 혈관 이식 등에 그 초점이 맞추어져 있지만 여기서는 특별히 좀더 정형외과 이식 분야를 집중적으로 다루었다. 이식용 재료의 캡슐섬유화 1990년대에 이식용 장치 시장의 총규모는 2조 2천억 달러에 이르렀다. 1990년대 이래로 이 수치는 꾸준히 증가해 왔다. 사실 미국에서만 2000년에 시술된 152,000건의 고관절 대체 수술(hip replacement)은 1990년에 시술된 횟수보다 33% 증가한 수치이며 2030년까지 시술할 것으로 예상되는 횟수(272,000)의 절반을 조금 웃도는 수치이다. 그러나 불행하게도 1997년에 전체 관절 성형 수술의 12.8%가 이전에 시술한 고관절 대체 수술이 잘못되어 다시 시술한 것이다. 고관절 대체수술의 재수술 비율이 높은 것은 이식조직의 수명과 이식 수술을 받은 환자의 수명을 비교해 볼 때 그리 높은 비율이 아님을 알 수 있다. 고관절 대체수술을 받기를 원하는 환자의 30%가 65세 이하라는 사실은 위에서 언급한 것과 일치는 결과이다. 다시 말해서 외과용 이식 조직의 수명은 12년에서 15년 정도이기 때문에 65세 이하의 환자가 이식을 받으면 최소한 한번 이상의 재수술이 필요하게 되는 것이다. 이것은 현재 이식수술의 접근법이 잘못되었기 때문에 의료용 보조기구의 수명을 다시 고려해야한다는 것을 뜻한다. 효과적인 정형외과용 이식 조직이 가져야할 특징으로는 뼈조직이 잘 재생성 되도록 독성이 없어야하고 주변 조직액에 내부식성이 있어야하고 일상적인 신체의 움직임을 견딜 수 있게 충분한 강도가 요구되고 외력에 견뎌야 하며 세포들과의 잘 붙어있어야 한다. 치유력이 이식용 생체 재료의 장기적인 기능을 결정한다. 여기서 치유라는 것에는 체액, 단백질, 이식된 조직의 표면에 발생한 불필요한 세포들의 회복을 포함하는 말이다. 의골 치료가 실패하면 근섬유가 캡슐화되고 만성 염증이 발생할 수 있다. 이식조직의 표면에서 근섬유가 캡슐화되면(즉 가골이 형성되면) 체세포와 이식 조직의 결합이 약해져 이식수술이 실패하게 된다. 이것은 일반 조직과 같은 물리적 강도에 도달하는 것을 방해한다. 이러한 실패(일반적인 정형외과 이식수술에서)중에서 현재 가장 중요시하는 것은 이식된 뼈가 충분히 강하게 결합되지 못해 떨어지는 것이다. 이런 일은 이식 후에 신체적인 하중을 안전하게 견딜 수 있게 하려면 반드시 개선되어야 할 부분이다. 즉, 체조직과 이식조직 간의 계면에서 새로운 뼈가 생성되는 것을 향상하기 위해 주변 뼈세포들로부터 적절하고 바람직한 반응이 요구된다. 그렇기 때문에 치유력을 개선한다는 것은 새로운 뼈의 재생을 증진시키고 원치 않은 섬유 조직 형성을 줄이는 것이라고 할 수 있겠다. 이것이 차세대 외과 재료가 추구해야하는 방향이다. 나노 세라믹(Nanophase Ceramic) ‘나노 재료’라는 용어는 전문가들 마다 다른 정의를 내리고 있다. 공통적으로 흔히 받아들여진 정의에 의하면 나노재료는 기본 구조의 크기가 1에서 100nm이면 나노 구조이고, 결정립계가 1에서 100nm이면 나노결정, 각각의 층이나 다층 표면이 1에서 100nm로 코팅되어 있으면 나노코팅, 평균 크기가 1에서 100nm인 미세 분진이라면 나노파우더, 그리고 지름이 1에서 100nm인 섬유는 나노 섬유라고 구분한다. 나노구조 과학기술은 개량 파인세라믹스, 개량 폴리머와 화합물 같이 앞으로 구현될 뛰어난 성능의 재료를 만드는 것이다. 이러한 발전에 도움을 받아 현재 나노기술(분자 단위와 원자 단위에서 작업이 가능)과 완전히 새로운 분자 유기체가 등장하기 시작했다. 결정립계 슬라이딩에 의해 나노 세라믹의 기계적 성질이 보다 뼈와 비슷하게 되어 강도가 증가한다는 점을 이용하여 뼈 이식에 적합한 재료들이 많이 등장하고 있다. 차세대 정형외과 이식용 재료의 기계적 성질은 이식 실패를 초래하는 응력과 불균형한 변형을 줄일 수 있도록 주변 뼈들과 잘 맞아야한다. 그러나 명확하게 밝혀지지는 않았지만 다른 여러 이점들도 존재한다. 예를 들면 생명체는 나노 스케일의 분자 거동에 의해 조절되고 있기 때문에 생물의 분자 단위 - 단백질, 핵산, 지질, 탄수화물 - 이 나노 스케일에서 크기와 모양에 의해 결정되는 독특한 성질을 가진 재료들이다. 더 중요한 것은 뼈가 나노 물질이라는 것이다. 뼈는 콜라겐 같은 단백질로 이루어져 있는데 그 크기가 나노 크기이다. 게다가 뼈에 포함된 하이드록시아파티트(hydroxyapapite) 같은 다른 무기물은 너비가 2에서 5nm, 폭이 50nm 정도이다. 이런 이유로 몸 안의 세포들은 나노구조물과 반응하는 것이 일상적인 일이다. 그러나 현재 외과 이식 수술에서 사용되고 있는 재료는 마이크론 크기의 결정립계를 갖고 있기 때문에 생물학의 입장에서는 적절하지 못한 상태이다. 나노 세라믹은 뼈의 미세구조를 모방하여 사용할 수 있다. 이 방법을 사용하면 나노 세라믹 이식 재료는 실제 뼈에서 생성되는 단백질이나 무기 하이드록시아파티트 결정을 만들어 낼 수 있다. 뼈 재생률을 높인 나노 세라믹 세라믹의 결정립 크기를 줄일수록 뼈 세포로서의 기능이 더 좋아진다는 발표는 1998년에 처음으로 발표되었다. 현재 사용되고 있는 마이크로 크기의 세라믹 재료와 나노 세라믹의 공정 과정을 비교해볼 때 나노 세라믹은 골아세포(뼈를 형성하는 세포)와의 접합을 향상시켜주는 동시에 결합 조직 형성 세포(근섬유를 캡슐화 시켜 결합을 느슨하게 하기 때문에 이식된 조직이 뼈에서 떨어지게 함)와의 접합은 줄여주는 구형의 알루미나, 티이테니아(titania) 그리고 하이드록시아파티트를 압축해서 만든다. 60nm이하로 세라믹의 결정립 크기를 줄이면 골아세포와의 접착성이 급격하게 증가하는 재미있는 현상이 일어난다. 이것은 100nm이하로 나노 세라믹의 결정립 크기를 줄이면 뼈 세포로서의 기능을 향상시킨다는 것을 처음으로 보인 것이다. 이 크기 이하의 세라믹은 전과는 다른 특별한 기계적, 촉매적 성질을 갖는다. 이러한 연구결과 결정립의 크기가 큰 세라믹 나노구형 위에서 용골세포의 기능이 향상될 뿐만 아니라 골아세포에 의해 칼슘 증착(칼슘증착은 뼈세포간질이 얼마나 무기화 되었는지를 나타내는 지표이다)이 향상된다는 것이 밝혀졌다. 특히 나노 크기의 구형 알루미나와 타이테니아 위의 골아세포에 생긴 칼슘이 현재 쓰이는 세라믹을 사용했을 때 보다 3,4배 증가한 것으로 나타났다. 골아세포와 용골세포의 동일한 기능의 병행은 건강한 뼈 형성에 필수 조건이다. 종종 이식된 조직에 새롭게 형성된 뼈 조직이 정상적으로 성장하지 못하고 죽는 경우가 있다. 과학자들은 뼈에서 발견되는 단백질과 하이드록시아파티트의 나노 크기와 비율들을 시뮬레이션 하기 위해 나노세라믹을 개선하고 있다. 한 예로 나노 섬유 알루미나(지름이 2nm, 길이가 50nm 이상)로 만든 기판을 제작하였는데 나노 구형 입자로 만든 알루미나 기판보다 골아세포의 기능이 향상되었다. 그렇기 때문에 뼈를 구성하는 물질을 사용한 인조세라믹의 나노 크기 결정립 크기뿐만 아니라 합성된 물질의 외적인 비율도 중요함을 알 수 있다. 최근 연구 결과에 따르면 뼈 이식에 따라다니는 세포 적합성이 알루미나, 타이테니아 그리고 하이드록시아파티트 세라믹에만 국한 된 것이 아님이 밝혀졌다. 그 예로 나노 세라믹이 폴리머와 합성되면 앞에 말한 것과 같은 뼈세포의 향상이 나타났다. 특히 폴리머에 상용화된 타이테니아 가루 대신에 나노 세라믹을 넣으면 골아세포와의 접착 특성이 세배까지 향상되었다. 더욱이 엘리어스 팀은 나노 크기의 탄소섬유가 포함된 조직은 기존 크기의 탄소섬유를 사용했을 때와 비교할 때 새로운 뼈의 형성을 증진시킨다고 발표했다. 이러한 새로운 세포 적합성은 탄소 나노 섬유가 폴리머와 합성될 때 나타났다. 폴리우레탄의 경우 탄소 나노 섬유의 질량비를 늘릴수록 골아세포와의 접합성이 향상되었다. 사실 폴리머 표면에 존재하는 탄소나노 섬유를 따라 배열할 때 선호되는 배열이 있다. 골아세포는 몸안의 뼈의 표면에 배열하고 있음이 밝혀져 정형 수술에 나노 섬유를 응용해야하는 중요한 이유를 제공해주었다. 이러한 친세포 활동은 탄소 나노 섬유의 고강도 특성과 결합하여 이식용 재료의 구성물질로 활용될 수 있다. 마지막으로 에지오도와 웹스터는 최근에 앞에서 본, 나노 물질이 뼈세포의 특성을 향상시키는 새로운 특성은 나노 금속(특히 티타늄과 Ti-6Al-4V)이 들어있기 때문이라는 근거를 밝혀냈다. 비록 나노 세라믹이 내파괴성을 가지고 있지만 물리적인 하중이 걸리게되면 나노 세라믹으로 된 이식조직은 부서질 수 있다. 현재 사용되고 있는 크기의 세라믹이 부서져 생긴 조각은 이식조직이 느슨해져 종종 뼈의 접합 실패의 원인이 되는 뼈손실을 유발할 수도 있다. 그러나 최신 보고에 따르면 잘 퍼진 형태의 나노 조각이 있을 때 세포분열이 증가하여 뼈와 연골의 기능에 미치는 악영향이 적다고 한다. 그렇기 때문에 나노 크기의 조각은 현재 사용되고 있는 제품만큼 해롭지 않을 수 있다. 비록 이 새로운 재료를 사용하기 위해서는 훨씬 많은 시험이 선행되어야 하지만 지금까지 보인 결과를 보면 뼈 재생의 측면에서는 나노 재료의 전례없이 훌륭한 세포 적합성이 입증되었다고 할 수 있겠다. 세포적합성은 환자가 여생동안 일반적인 활동을 계속할 수 있도록 이식조직을 고정하기 위해 필수적인 조건이다. 이러한 중요한 발견 이후, 초미세 바이오 세라믹 파우더가 하드 소결 세라믹 디스크형 이식조직에서부터 의학용 이식조직에서부터 구멍이 많이 난 뼈에 이식, 코팅재료, 칼슘인산 기반의 뼈세라믹(이식세포 고정에 사용), 생물학적 특성이 우수한 나노 조성물까지 의학용 이식 조직의 구성 원소로 널리 사용 될 수 있게 되었다. 나노 재료는 가능성은 많지만 어떻게 뼈세포를 인식하고 적합하게 반응하지는 잘 알려져 있지 않은게 사실이다. 뼈세포의 나노 세라믹 인지 면적, 전하량, 형태와 같은 표면 특성은 재료의 결정립과 같은 미립자나 섬유 크기에 좌우된다. 앞에서 언급한 바와 같이 표면에 결함이 많고 재료 내부에 결정립계수가 많을수록 생물에 적합한 이식 조직을 개발하는데 유리하다. 현재까지는 재료의 표면 반응성을 높여 촉매 역할을 하도록 한 것이 절대적으로 많았다. 나노 마그네시아가 그 예인데, 일반적으로 쓰이고 있는 마그네시아와 비교하여 나노 마그네이사는 표면에 더 많은 원자들이 분포하고 있고 높은 표면적에 적은 OH-를 갖게 되어(전자의 비국지화를 야기시키는 가장자리의 비율이 훨씬 높기 때문) 해로운 유기 염산염/염화탄소의 흡수뿐만 아니라 산성 이온의 흡수도 증가시킨다. 이러한 나노물질의 특성이 뼈세포의 기능에 영향을 주는 촉매 물질로 사용하는데 중요한가? 현재까지의 대답은 “그렇다”이다. 최근 보고에 따르면 촉매 물질에서 관측되는 것과 비슷한 반응이 나노 세라믹과 뼈세포의 기능을 중개하기 위해 체액에 들어있는 단백질 사이에서도 존재한다고 한다. 단백질은 수백만분의 일초안에 체액에 둘러싸인 이식재료의 표면에 흡착된다. 단백질의 종류와 흡착하는 방법이 뼈세포가 달라붙을지 안붙을지를 결정한다. 특히 골아세포는 아미노산 서열(예를 들면 아르기닌-글리신-아스파르덕산(RGD))을 선택하여 흡착된다. 이식조직의 표면 특성에 따라서도 아미노산의 흡착여부가 결정된다. 새로 이식된 조직의 표면과 뼈세포의 접착이 뼈를 재생산하는데 필수적이기 때문에 성공적으로 이식되기 위해서는 최적의 단백질 흡수가 이루어져야 한다. 좀 더 구체적으로 말하면, 생체 재료의 표면 특성(예를 들어 표면 거칠기, 전하, 화학적 특성, 젖는 정도(wettability))과 단백질 개개의 특성이 단백질의 흡수에 영향을 주는데 궁극적으로 원래 있던 조직과 이식조직간의 적합성에 영향을 주게된다. 나노 세라믹은 그 작은 표면 결정립 크기 때문에 표면에 결정립계의 수가 많다. 이는 재료의 표면이 잘 젖게 만들기 때문에 단백질의 흡수에 최적의 조건이 되어 세포의 기능을 증진시킨다. 나노 세라믹은 덩어리로 있을 때보다 표면에 있는 원자 개수가 많기 때문에 현재 사용되고 있는 세라믹들과 달리 특별한 표면 특성을 갖는다. 게다가 세포의 접합을 중재하는 단백질의 크기가 나노 크기이기 때문에 나노 레벨의 물질에서는 평탄한 형태의 표면일 경우 세포 접합에 필요한 아미노산이 얼마나 있는지가 뼈의 접할을 좌우하게 된다. 세라믹의 크기가 작을수록 체액에 포함되어 있는 단백질의 흡수가 많아진다는 보고가 있었는데 특히 골아세포의 기능을 향상시킨다고 알려진 네 종류의 단백질(화이브로 넥던, 바이트로 넥던, 라이닌, 콜라겐)이 현재 사용되고 있는 세라믹(마이크로 크기)과 비교했을 때 급격히 증가한다고 한다. 더구나 표준 표면 향상 라만 스케터링(standard surface-enhanced Raman scattering, SE RS) 기술을 채용함으로써 앞에 언급한 나노세라믹이 현재 상용화된 세라믹과 비교해서 단백질을 잘 흡수한다는 사실을 증명할 수 있게 되었다. 이 사실은 매우 중요한데 이들 비타민들이 펼쳐져 흡수되는 세포 접착성의 에피토프가 많이 발생해 뼈세포와의 접착과 기능을 증진시킨다. 이제는 나노 세라믹의 새로운 표면 특성(표면 형태, 표면의 결정립 개수 증가, 젖는 정도, 전하 등)이 단백질과의 반응에 영향을 주어 골아세포의 반응과 새뼈의 형성을 증가시킨다는 것을 믿을 수 있게 되었다. 잠재적인 위험 나노 세라믹을 이식용 재료에 사용하려는 연구는 아직 초보 단계이기 때문에 인체와 환경에 미칠 수 있는 위험을 간과해서는 안된다. 안전과 건강에 해를 주지 않을 제조법과 관련된 문제들이 우선 알려져야한다. 작은 나노 입자들이 구멍을 통해 몸에 들어가 축적되거나 다른 기관에 들어갔을 때 건강에 어떤 영향을 미칠지는 아무도 모르고 있다. 이런 일들은 나노 재료를 이용한 이식 조직을 실제 이식했을 때 뿐만 아니라 나노 공정을 다루는 산업 현장에서도 일어날 수 있다. 그렇기 때문에 나노 재료를 이용했을 때 새롭게 나타나는 효과에 대한 지속적인 관찰이 필요한 것이다. 이제까지 언급한 과학적인 개발들은 현재 전세계적으로 진행되고 있는 나노 세라믹을 이식용 재료로 사용하려는 연구를 모두 말한 것이 아니다. 그러나 확실한 것은 앞으로의 추세가 나노 재료를 뼈에 적용시키는 것이고 그것이 더 나은 치료를 약속해 준다는 것이다. 최근 연구중인 것은 지금 사용되고 있는 의료용 재료를 크기만 나노 크기로 변화시키는 것이다. 성공한다면 이로 인해 뼈세포 공학은 획기적인 전환점을 맞이 할 것이다. 이 방법은 나노구조재료를 의학용 재료로 사용하려는 여러 연구 방법 중에서, 인간에게 사용해도 되는지 아직 검증되지 않은 새로운 화학 기술을 개발하는 것보다 훨씬 쉬운 길이다. 입자의 크기만 나노 크기로 바꿈으로써 현재 이식용 재료를 개선시킬수 있는 좋은 해결잭을 얻을 수 있을 것이라 기대한다. (Ceramic Bulletin)