橫川善之 / National Institute of Advanced Industrial Science and Technology 石川邦夫 / Kyushu University 水野峰男 / Japan Fine Ceramics Center 1. 들어가며 일본은 역사상 유례 없는 속도로 초고령화 사회로 들어서고 있다. 이미 평균수명으로는 세계 최장수국으로, 그 자체는 매우 기뻐할 만한 일이다. 65세 이상의 고령인구를 15세 미만의 유소년 인구로 나누고, 100을 곱한 노년화 지수는 1997년 6월 1일에 100.3에 달해, 세계 최초로 100을 넘는 국가가 되었고 이것이 더욱 가속되고 있다. 한편, 노동력 인구의 한계상황은 국민경제의 혼미에 박차를 가해 1991년 이후 국민경제의 신장을 웃돌고 있는 국민의료비에 대한 사회부담을 점점 증대시키고 있다. 일본의 국민의료비는 OECD 기준으로 GDP에 대해 6.7%(1997년)로 유럽에 비해 2% 정도 낮지만, 자녀를 적게 두는 사회로의 진전과 함께 일본경제는 의료비 부담을 견딜 수 없게 될 우려가 있다. 현행 노인의료를 담당하는 종래형 의료산업은 시장규모, 개발부담의 문제도 있어 고령자 수가 감소로 바뀔 2020년 이후 급속한 쇠퇴도 예상된다. 또 무엇보다 노령에 따라 여러 가지 질병으로 운동기능 등이 상실된다. 만약 와병을 피할 수 없게 되었을 경우, 고령자는 자립과 존엄, 사회참여, 자기실현 등의 능력을 잃을 뿐 아니라 건강상태의 5배가 넘는 간호경비가 필요하게 되어, 경제적 부담은 사회전체를 무겁게 짓누를 것으로 우려된다. 예방의학의 발전으로 장수화를 실현하고 있지만 고령이기 때문에 생기는 병으로 여러 신체기능을 상실하게 되더라도 조속히 회복할 의료기술은 일본의 가장 중요한 과제이다. 그 중에서도 신체기능을 대체하고, 지원할 세라믹스 생체재료는 매우 중요하고 앞으로 수요도 크게 전망할 수 있다. 본고에서는 세라믹스 생체재료의 최신 동향에 대해 연구, 기술, 표준화의 순서로 소개하겠다. 2. 기초연구의 동향 21세기의 생체재료 관련 세라믹스의 연구동향에는 몇 가지 특징이 있다. 그 하나는 제3세대 바이오세라믹스라고 불리는 고기능성을 추구하는 세라믹스 연구가 증가하고 있다는 것이다. 역사적으로 보면, 생체 내에서 악영향을 미치지 않는 세라믹스, 소위 생체불활성 세라믹스가 제1세대의 바이오세라믹스로 연구되었다. 알루미나와 카본으로 대표되는 제1세대 세라믹스는 윤활성 등의 특징을 가지고 있어 현재도 아주 유용한 바이오세라믹스로서 임상응용되고 있지만, 뼈와는 결합되지 않는다는 의미에서 생체불활성 세라믹스로 분류되고 있다. 제2세대 바이오세라믹스는 어퍼타이트와 AW유리세라믹스로 대표되는 뼈와 직접 결합하는 생체활성 세라믹스 및 β형 인산 3칼슘과 석고 등으로 대표되는 생체흡수성 세라믹스이다. 이들 바이오세라믹스는 세라믹스 사이드에서 세포 쪽으로 적극적으로 작용하는 것은 아니지만 제3세대 바이오세라믹스는 세포에 대해 능동적으로 기능하도록 세라믹스가 설계된 것이다. 예를 들어 아연이온이 미량씩 유리하는 어퍼타이트는 골형성능이 약 1.5배로 증진된다. 또 골전도성의 발현에 중요한 역할을 담당하는 골양(骨樣) 어퍼타이트(탄산기를 포함하는 저결정성 어퍼타이트)의 형성에 규소가 중요한 역할을 한다는 것을 알게 되었다. 아연은 골형성에 필요한 미량필수원소이며, 규소는 골형성에 필수라는 것이 알려졌다. 즉 ‘생체를 학습하고 생체가 가깝게 형성’함으로써 제2세대 바이오세라믹스의 기능을 향상시키려고 하는 것이다. 생체재료의 연구에 있어 ‘생체를 학습한다‘는 것은 매우 중요하며 많은 성과를 가져왔는데, 생체를 학습한다는 것만으로는 ‘생체를 뛰어넘을’ 수 없다. 따라서 제3세대 바이오세라믹스에서는 또 다른 접근으로써 생체를 뛰어넘는 바이오세라믹스를 창제하고자 하는 연구도 이루어지고 있다. 예를 들면, 생체활성 세라믹스인 어퍼타이트는 유전체로서도 알려져 있으므로 분극할 수 있다. 어퍼타이트에 분극처리를 하면 골형성이 현저하게 촉진된다는 것을 알게 되었다. 또 산화티탄은 광촉매기능의 관점에서 갖가지 응용이 연구되고 있는데, 산화티탄에 광조사를 하면 산화티탄 표면의 Ti-OH기의 표면전위가 마이너스로 치우침과 동시에 표면의 친수성이 향상되어 의사액체 속(체액의 무기이온을 의사한 용액으로 생체활성의 평가에 이용된다)에서 산화티탄 표면에 대한 골양 어퍼타이트의 형성이 촉진된다. 생체관련 재료부회의 연구에 있어 또 하나 특징은, 조직재생을 의식한 바이오세라믹스의 연구가 활발하게 이루어지고 있다는 점이다. 조직재생의 3대 인자는 ‘세포’, ‘세포성장인자’, ‘세포의 토대’인데, 그 중에서도 세포의 토대가 조직재생의 성패를 결정하는 인자가 된다. 세포의 토대라는 표현은 재료연구자에게는 그리 받아들이기 좋은 표현은 아니지만, 세포가 부착, 유주(遊走), 증식, 분화하는 ‘터’를 제어하는 조직재생의 핵심이다. 그러나 이러한 조건을 만족시키는 ‘터’를 제공하기는 쉽지 않다. 세포를 부착시키는 것만도 큰일이다. 세포배양용 폴리스틸렌샤레에는 뭔가가 코팅처리되어 있어 세포부착성이 우수하다. 이 뭔가는 배양 사래 이외에는 유용할 가능성이 아주 높은데, 제조회사의 극비사항으로 되어 있다. 다행스럽게도 세라믹스 재료는 폴리머계 재료와 비교할 때 일반적으로 세포접착성도 우수하다. 또한 부착한 뒤에는 세포가 유주할 ‘터’를 제공할 필요가 있다. 그것을 위해서는 연속기공이 유리하다. 세포에 따라 다르지만 대략 100㎛ 이상의 기공경이 필요하다. 세포가 유주한 다음 스텝은 증식이다. 증식에는 ‘터’ 즉 스페이스가 필요하므로 높은 기공률의 다공체가 연구의 중심이 되고 있다. 증식한 후에 세포는 분화(기능을 발현하는 세포로 바뀌는 일)하는데, 이 증식과 분화에는 세포 성장인자가 아주 유효하게 기능한다. 따라서 「터」가 소위 Drug Delivery System으로서도 기능할 수 있으리라 전망된다. 예를 들면, 마크로 포어와 마이크로 포어의 기능적 융합화나 경사기능재료의 응용도 검토되고 있다. 또한 세포가 증식해도 영양보급이 충분하지 않으면 세포가 죽어 버린다. 따라서 혈관이 형성되는 시스템도 구축할 필요가 있다. 이렇게 ‘터’의 설계는 극히 복잡한데, 고령화 사회에서 가장 요구가 높은 골재생을 목적으로 한 ‘터’의 형성에 관해서는 폴리머 재료보다 어퍼타이트로 대표되는 세라믹스가 압도적으로 우위에 있어 세라믹스 연구자의 성과에 따라 골재생의 장래가 결정된다고도 할 수 있다. 그런데, 생체관련 재료부회 연구자의 특징으로서는 젊은 세라믹스 연구자가 많다는 점을 들 수 있다. 바이오 세라믹스는 그 성질상, 종래의 세라믹스 연구방법 뿐 아니라 세포 또는 실험동물을 사용한 연구가 필요불가결한데, 젊은 연구자가 새로운 아이디어로 새로운 연구방법을 이용하여 건강과학에 공헌할 수 있는 활동을 하고 있다는 것을 정말로 훌륭한 일이라고 생각한다. 3. 기술동향 고령에 의한 여러 가지 질병에 대해 신체에 독성이나 부하가 없고 주변조직과 잘 어우러지며, 동시에 장기간 안정되게 사용할 수 있는 세라믹스 생체재료가 널리 사용되고 있다. 생체재료 전체적으로는 THR, 바이폴라, 슬관절 등을 포함한 인공관절 전체의 일본시장은 약 600억엔, 골접합재료는 약 300억엔, 정형외과재료 전체에서는 약 1,000억엔 정도이다. 그 가운데 세라믹스 생체재료는 약 60억엔이다. 고령화 사회의 진전과 생활의 질적 향상 지향의 고조로 앞으로 대폭적인 시장확대도 예상되고 있다. 그러나 해외제품의 비율이 높은 분야가 많은데, 예를 들면 인공관절의 80% 이상은 해외제품이 차지하고 있다. 2002년도 의료용구 승인건수에서도 정형용품의 경우, 일본제품 승인건수의 거의 4배나 되는 수의 수입품이 승인되었다. 정형외과, 뇌외과 분야에서 세라믹스계 재료는 추체(椎體), 극돌기(棘突起), 장골 스페이서 등에 치밀체나 다공체, 과립 등이 사용되고 있다. 일본에서는 1980년대부터 각 사가 잇달아 세라믹스제 인공치근, 인공골 등을 상품화하여 연율 약 7% 정도의 착실한 신장을 보이고 있다. 한편 일본의 경우 autograft(자가이식)의 비율이 70%로 많고, 인공물의 적용은 30% 정도이다. 그러나 유럽에서는 60%가 allograft(동종이식), 35%가 autograft, 나머지 5%가 인공물을 이용한다고 되어있고, 미국은 인공물이 10%로 약간 많지만, 일본과 비교하여 인공물이 적다. 그러나 유럽에서는 인공물의 메리트에 주목한 움직임도 있어 앞으로의 전개가 기대된다. 수술실에서 성형가능하고 또한 골형성에 유리하다는 점에서 어퍼타이트 시멘트가 주목된다. 해면골의 굴절강도는 10MPa 전후로 치밀골의 150MPa와 비교했을 때 작기 때문에 어퍼타이트 시멘트가 적합하다. 또 골다공증, 소(小)골절 임플란트에도 어퍼타이트 시멘트가 사용된다. 이러한 페이스트상 인공골은 PMMA 골시멘트의 대체품으로 기대된다. PMMA 골시멘트와 비교해 강도는 낮지만 12시간 이내에 골유사 어퍼타이트로 전화하여 장기적으로는 뼈로 치환하기 때문에 β인산3칼슘 세라믹스와 마찬가지로 앞으로의 발전이 기대된다. 세라믹스는 뼈와 비교해서 탄성률이 한 자릿수 크기 때문에 유기물과 어퍼타이트를 조합시킨 재료가 검토되고 있다. 폴리유산에 의한 흡수성 골접합재는 기계적 강도는 우수하지만 생체조직의 재생유도능이 떨어진다. 생체흡수성인 β인산3칼슘 등 인산칼슘과 폴리유산의 복합체나 수산 어퍼타이트와 콜라겐 복합체의 실용화가 진행되고 있다. 현재 시장규모가 큰 것은 인공관절이다. 관절질환에 의한 병적인 관절면을 인공물로 교체함으로써 동통이 사라진다는, 환자에게 매우 만족도가 높은 치료법이 확립되어 있다. 일본에서 실시된 고관절, 어깨, 무릎 등에 대한 인공관절 치환술, 인공골두 삽입술은 71,736건을 헤아리며(1999년), 매년 몇 퍼센트의 신장을 보이고 있다. 인구가 일본의 거의 배인 미국에서는 연간 25만에서 30만 건의 수술이 행해지고 있다고 한다. 증례가 가장 많은 고관절에서는 노인성 류마티스나 고관절 변형증 등, 고령이기 때문에 생긴 질병이 많고 앞으로 증가가 예상된다. 그러나 루스닝에 의한 재치환술이 수술 후 10년 사이에 몇 % 정도 있다고 한다. 초기고정, 루스닝의 문제를 해결하기 위해 시멘트레스 어퍼타이트 코팅, 세라믹스 골두, 세라믹스 대 세라믹스 관절이 검토되고 있고, 또한 최근 자가골 세포와 일체화하여 골전도능을 높이는 시도도 이루어지고 있다. 소켓부에는 고분자량 폴리에틸렌이 사용되고 있는데 장기간의 사용 혹은 젊은층에 대한 적용에서는 마모가루가 발생하여 마크로 퍼지로부터의 사이트카인이 파골세포를 활성화, 느슨해지는 원인이 된다고도 한다. 따라서 마모를 줄이기 위해 골두부분을 금속에서 세라믹스로 바꾸는 시도가 이루어져 왔다. 알루미나보다 역학적 특성이 우수한 지르코니아를 사용하면 골두나 구개(臼蓋)의 외경을 작게 하여 뼈의 절삭량을 줄일 수도 있다. 또한 알루미나/지르코니아의 복합체가 주목을 모으고 있다. 세라믹스 인공치아는 이미 80년대 전반에 일본에서 상품화되어 도치(陶齒) 등 상부구조에서는 기계적 특성, 심미성 모두 크게 개선되었다. 아크릴제 또는 경질 래딘 치아는 값이 싸지만(30~120엔/치) 내구성이 문제가 있어, 전자의 경우는 1년, 후자의 경우는 3년 정도이며 월평균 생산량은 1000만치 정도이다. 내구성이 우수한 세라믹스 인공치아는 수지제 치아에 비해 판매가격은 200배에서 1000배로 고가이다. 치과용 임플란트(인공치근)의 경우, 뼈와의 결합성에 아울러 치경을 관통하는 부위에서의 적절한 항균성, 상피조직의 내부로의 진전방지, 또한 치근막의 재생 혹은 대체기능 부여가 요구된다. 현재의 인공치근에서는 이것을 대행할 충격흡수기근으로서 몇 가지 방법이 고안되어 일부 실용화되고 있기는 하지만 충분치 않다. 치과 임플란트는 고령화 사회를 넘어서 자동차 산업과 비슷한 규모가 되리라는 예측도 있었지만, 현재로서는 치과 임플란트 재료업계는 산업으로서 모양새를 갖추고 있지 못하다는 의견도 있다. 그러나 치주병 혹은 교통사고 등의 외인성 손상으로 여러 개의 연속된 치아를 잃은 경우, 의치밖에 대응할 것이 없었다. 의치의 경우는 이를 꽉 다물 수 없다는 점, 잡균의 번식에 의한 악취, 불충분한 밀착성, 치조골에 대한 영향 등의 문제가 있었다. 최근 블로넨마르크법 등의 치과 임플란트 기술에 관해 치과 관계자에 대한 교육이 진행되고, 재료도 우수한 것이 나와서 급속하게 보급되어 연간 수 십 만 건을 넘고 있다고 한다. 그러나 인터페이스의 개선은 여전히 과제로 남아 치과대학 치학부에서는 근년 들어 치과 임플란트와 자가조직과의 인터페이스 특성을 개선하려는 시도가 개시되고 있다. 치과보철재로서는 합금, 레딘, 고정용 왁스 등 여러 가지 종류의 재료가 실용화되고 있는데, 요즘은 심미적 요소를 요구하는 경향이 있어 세라믹스제 보철재의 수요가 높아지고 있다. 특히 어퍼타이트 시멘트가 주목된다. 4. 표준화 동향 생체관련 ISO(세계표준) 규격화에 관해서는 TC150 ‘외과용 임플란트’위원회가 설치되어 있다. 이 가운데서 세라믹스가 관계된 부회로서는 TC150/ SCI ‘재료’와 TC150/SC4 ‘골, 관절치환체’가 있다. 이들의 일본 심의단체인 일본 파인세라믹스협회(JFCA)에는 TC150 대응 국내 위원회가 설치되어 있다. 위원장은 京都대학 교수인 提씨가 맡고 있다. 일본에서 국제규격에 제안할 것을 목적으로 하는 국가 프로젝트가 행해지고 있다. 예를 들면, 신에너지, 산업기술종합개발기구(NEDO)의 기준창성사업 프로젝트가 여기에 해당한다. (재)파인세라믹스센터가 1999~2001년도에 행한 프로젝트의 성과를 바탕으로 몇몇 일본으로부터의 ISO제안이 예정되어 있으므로 이들에 대해 현황을 소개하겠다. ISO에는 임플란트용 세라믹스 재료의 규격으로서 ISO6474 ‘고순도 알루미나계 세라믹스 재료’와 ISO13356 ‘고순도 지르코니아 세라믹스 재료’가 제정되어 있다. 이 두 규격의 5년 마다의 재검토에 맞추어 피로특성 측정방법과 재료로서 갖추어야 할 피로특성값을 일본이 추가제안했다. 알루미나에 대해서는 2002년 9월에 위원회원한(CD)으로서 채택되었다. 지르코니아에 관해서도 2003년의 TC150/SCI 회의에서 채용될 예정이다. 의사체액을 이용하여 생체재료의 생체활성을 실험실 내에서(in vitro) 평가하기 위한 방법을 일본이 규격제안할 예정이다. 이 재료의 생체활성을 평가하는 규격은 예가 없다는 점에서 TC150 국제간사의 요청으로 2002년 9월 SCI회의에서 일본의 제안취지 설명이 있었고, 일본이 프로젝트 리더가 되어 규격화를 추진할 것이 결의되었다. 일본의 의사체액 연구는 세계를 리드하고 있는 분야이다. 여기에서 말하는 의사체액이란 사람의 혈장에서 유기물을 제외한 액의 무기성분 조성에 맞추어 조제한 무기용액을 말하는 것으로, 小久保 京都대학 교수가 개발한 의사체액을 일본 뿐 아니라 해외에서도 널리 사용되고 있다. 생체활성이 없는 재료를 이 의사체액에 침적시키면 아무런 변화를 일으키지 않지만 생체활성이 있는 재료를 침적시키면 재료표면에 골유사 어퍼타이트가 생성된다(그림 1). 예외적으로는 인산3칼슘처럼 어퍼타이트 형성이 인정되지 않는 재료도 있지만 대부분의 생체활성재료는 의사체액 속에서 그 표면에 골유사 어퍼타이트가 석출된다. 의사체액 속에서의 어퍼타이트 형성능이 생체 내에서의 골형성능과 관계한다는 것을 실증하기 위해서는 동일 재료를 이용한 in vitro와 in vivo 실험 데이터의 상호비교, 검토가 필요하다. 상기 NEDO프로젝트에서 생체활성이 다른 조성을 가진 Na2O-CaO-SiO2계 유리 입자를 토끼 등 동물의 뼈 속에 임플란트했을 경우의 시간과 신생골 침입 깊이의 데이터가 의사체액에 침적한 재료표면에 어퍼타이트가 석출하는 시간의 데이터와 상관성을 갖는다는 것이 확인되었다. 이 특성을 이용함으로써 동물을 희생시키지 않고 재료의 생체활성을 평가할 수 있다. 현재로서는 최종적으로 동물실험이 불가결하지만, 개발재료의 간편하고 값싼 스크리닝 실험으로서 실용상의 메리트는 크다. 일본이 TC150/SCI에 제안할 예정인 규격은 이하 두 가지이다. ① 생체용 파인세라믹스의 생체친화성 평가용 의사체액의 조제방법 ② 생체용 파인세라믹스 재료의 생체친화성 평가방법 (재)일본규격협회는 ISO의 이러한 규격화 추진을 위해 ‘생체용 파인세라믹스 실험방법, 표준화 위원회’를 설치했다. 이 위원회에서 ISO 제안용 규격안을 작성하고, 다시 TC150 대응 국내 위원회에서 심의한 뒤에 일본안으로 할 예정이다. 일본의 ISO 규격안을 작성하는 과정에서 일본 세라믹스 협회, 생체관련재료부회의 협력을 얻어 의사체액 관계자의 의견을 규격내용에 반영시키기 위해 ‘의사체액의 국제표준화에 관한 토론회’를 개최하였다. 그 제1회는 일본 세라믹스협회 추계 심포지엄(2002년 9월)에 맞추어, 제2회는 제6회 생체관련 세라믹스 토론회(동 12월)에 맞추어, 학회에 참석한 의사체액에 관심을 가진 관계자와 의견을 교환하였다. 생체재료의 생체활성을 평가하는 규격은 지금까지 없었고, 특수한 설비와 인원이 장기간 필요하므로 따라서 많은 비용이 드는 동물실험에 의존하지 않을 수 없었다. 동물실험은 동물이 희생된다는 점 때문에 이에 반대하는 운동이 있다. 이 의사체액에 의한 생체재료의 생체활성을 평가하는 방법이 규격화되면 희생되는 동물수가 감소하므로 높게 평가되리라 기대할 수 있다. 5. 맺음말 고령화사회를 맞이하여 세라믹스 생체재료의 중요성은 점점 커지고 있다. 일본은 어퍼타이트 등 생체재료 분야에서 연구에서나 제조기술에서나 세계를 리드하고 있다. 어퍼타이트는 우수한 재료이지만 보다 빠른 골전도성을 의료현장은 요청하고 있고, 생체조직과의 인터페이스 특성의 비약적 향상이 요망되고 있다. 그러기 위해서는 생체를 뛰어넘는 재료, 세포의 발판이 될 공간설계, 세포기능을 제어할 수 있는 재료기술 등이 앞으로의 중요한 검토과제가 될 것이다. 미국과 유럽의 기업은 세계적인 대기업 산하에서 실질적인 분업체제에 따라 브랜드 파워 강화를 꾀하고, 또 국제표준을 전략적으로 실시하여 세계시장을 석권하기에 이르렀다. 일본으로서는 산업의 우위성을 확보하고 나아가 일본의 생체재료가 세계표준이 되도록 하는 시도가 매우 중요하다. 글로벌 컴퍼티션인 오늘날, 높은 기술과 아울러 세계전략을 가질 필요가 있다. (Ceramics Japan)