Update2024.05.24 (금)
고령화 사회, 생체 융합소재 시장 지속 성장
■ 기술의 정의 및 분류
생체 융합소재 기술은 생체불활성 임플란트 소재와 생리활성 물질을 융합시킨 소재기술을 의미한다. 물리적·화학적·생물학적 안전성을 지닌 생체적합성 의료기기 소재와 환자의 치유 과정에 능동적으로 작용해 치유기간을 감소시키고 치료 및 임상 효과를 극대화할 수 있는 생체 활성 소재를 융합시켜 치유 기간 동안 생체 조직의 기능을 대체 또는 보완하는 단백질·아미노산·임플란트 소재 및 이들의 융합소재기술로 정의된다.
생체 융합소재는 생체 조직과 물리적 특성이 유사하고 생체적합성이 뛰어나 장기간 이식에 의해서도 부작용이 없고 치유 기간을 단축시킬 수 있다. 생체 융합소재 기술은 크게 임플란트 소재기술, 임플란트 및 생체활성 물질의 제조기술, 융합기술로 분류할 수 있다.
생체 융합소재는 생체 내에 이식되는 소재로서 정형외과(성형외과 및 안과 포함)용 임플란트와 치과용 임플란트로 대별할 수 있으며 임플란트의 제조기술과 공정기술을 포함할 수 있다.
■ 환경변화
◇ 생체 적합성 소재의 발달
생체 내에 이식되는 임플란트의 역사는 기원전까지 거슬러 올라간다. 그러나 연구가 시작된 것은 1930년대에 금속 형태의 나사형 임플란트가 개발된 후 부터라고 할 수 있다. 이 후로 금속·고분자 등이 생체소재로 사용돼 오다가 1960년대에 티타늄이 생체 골과 단단히 결합한다는 것을 발견한 이후로 골유착(Osseointegration) 이라는 개념과 함께 발전해 왔다. 티타늄은 자연적으로 생성되는 산화막에 의해 금속이온이 밖으로 누출되지 않고 염증 반응이나 세포반응에 불활성이며 적절한 기계적 성질을 가지고 있어 생체 적합성이 우수한 소재로 자리 잡았다. 이전에는 생체에 위해를 가하지 않는 범위 내에서 생체친화성고분자·크롬코발트합금·스테인리스스틸 등도 많이 사용됐으나 현재는 티타늄 또는 티타늄 합금 등을 주로 사용하고 있다.
◇ 임플란트 표면처리와 기술의 발달
티타늄이 생체적합성 소재로 알려지고 난 이후에는 단순한 기계가공에 의해 매끈하게 가공된 표면을 가지고 아무런 표면처리를 하지 않은 1세대 임플란트가 등장했다. 대표적으로는 스웨덴의 브라네막 임플란트가 있다.
2세대 임플란트는 매끈하게 가공된 임플란트에 티타늄 분말을 용해 분사시키거나 생체친화성 물질을 코팅해 표면적을 증가시킴으로써 골과의 결합 면적을 증가시키고 세포의 반응을 활성화 시키는데 주력했다. 그러나 표면에 코팅된 물질의 결합력이 약해 떨어져 나올 때에는 골과 임플란트 사이에 개재돼 염증이나 부작용을 일으킬 수 있다는 문제점이 제기됐다.
3세대 임플란트는 2세대 임플란트를 보완하기 위해 표면에 산·염기에 의한 부식 또는 샌드블라스팅 등의 공법을 통해 표면적을 증가시키기에 이르렀다. 하지만 이 또한 부식 용액의 세척과 샌드블라스팅한 잔류물이 표면에 남아있을 우려가 있다.
현재는 4세대 정체기 임플란트로써 표면처리 후 임플란트 표면에 잔류물이 남지 않도록 생체 흡수성 소재를 사용하거나 2가지 이상의 표면처리를 이중으로 실시 또는 부위별로 실시하는 복합적인 방법이 사용되고 있다.
최근의 연구 동향을 보면 임플란트가 초기 고정력을 얻고 빠른 골유착을 형성하기 위해 생체활성을 부여하려는 시도가 이뤄지고 있다. 단순히 표면활성화가 아닌 임플란트 소재 내부에 생체활성 물질을 내재한 뒤 서서히 생체 내로 전달시켜 임플란트 식립 시에 박리되는 문제점을 보완하려는 것이다.
◇ 산업사회와 고령화 소재융합기술 보유기업, 생체 소재 강자로 부상
인간의 수명이 늘어나고 고도의 산업사회로 발전해감에 따라 사고와 고령화에 의한 생체소재의 수요가 증가하고 있다. 특히 우리나라의 고령화는 외국에 비해 빠르게 진행되고 있는 실정이다. 더욱이 고령화에 따른 임플란트의 수요에는 골질의 상태와 양에 따른 시술 제한이 따르게 된다. 이에 따라 고령 인구의 골질 상태를 적응증으로 만들기 위해서는 골모세포의 분화와 흡착에 유리하도록 신생골의 생성 촉진을 빠르게 유도해야 할 필요가 있다.
■ 기술의 중요성
◇ 생체 융합소재의 시술 영역 확대
전 세계적으로 고령화 사회로 진입함에 따라 의료용 생체소재의 수요가 증가하고 특히 임플란트의 금기증 환자들을 적응증 환자로 전환시키기 위해서는 생체 융합소재 기술이 반드시 필요하다. 잔존 치조골이 부실하거나 골다공증 환자와 같이 생체 경조직인 임플란트의 식립위치에 골질이 튼튼하지 못하면 임플란트 시술에 실패를 가져오게 된다. 이에 따라 자가골 또는 동종골, 이종골, 합성골 등을 이용해 1차적인 치료 시술이 동반될 수 있으나 그 치료기간이 길고 환자의 고통을 증가시키기 때문에 생체 융합소재의 개발은 임플란트 시술 영역의 확대를 가져올 것이다.
◇ 표면처리 기술의 한계
의료용 생체소재에 표면처리기술만 의존해서는 증가하는 수요를 감당하기 어렵다. 표면처리 기술의 대부분은 임플란트의 표면적을 늘려 골과의 기계적결합력을 증가시키는 것인데, 이는 발치 또는 골조직 손실을 일으킨 지 얼마 되지 않은 건강한 사람들에만 효과가 있다. 치아가 상실되면 더 이상 치조골에는 저작압이 가해지지 않아 퇴축하게 되고 다른 부위의 경조직도 사용 빈도가 낮아짐에 따라 약해지며 체내로 흡수되게 된다. 인체 경조직 대체용 생체소재의 수요 증가는 이러한 환자들에게서 주로 일어날 것으로 예상되므로 생체 융합소재로의 전환이 필요하다.
◇ 치료 기간의 축소
생체 융합소재 기술이 아니면 골 흡수가 심하거나 골밀도가 떨어지는 환자들은 골조직을 강화시키기 위해 치유기간과 고통이 두 배로 늘어날 것이다. 골질의 상태가 좋지 않은 환자들은 1차적으로 임플란트 식립 주변의 골조직을 강화시키는 치료와 시술을 받아야 한다. 특히 골질의 강화를 위해서는 외과적 시술이 동반되므로 임플란트 시술과 유사한 과정이 반복돼야 하고 치유기간이 증가할 수밖에 없다. 이에 비해 생체 융합소재는 한 번의 시술로 골조직 강화와 골융합을 유도하므로 치유기간을 감소시킬 수 있을 것이다.
◇ 생체 융합소재 원천기술의 확보 시급
선진국의 기술개발에 뒤떨어지지 않는 기능성 생체 융합소재의 원천기술을 보유하는 것이 고가의 많은 수요가 있는 세계 시장에서의 경쟁력을 높이는 중요한 지표라 할 수 있다. 또한 고부가가치 원자재의 수입 의존도를 줄이고 해외로 수출할 수 있는 계기를 마련해야 한다.
임플란트 생체적합성 높이려 전 세계 경쟁 치열
■ 생체소재의 개요
생체소재는 의학·생물학·공학의 분야를 모두 포함하며 생체 내에 삽입돼 사용되는 모든 인공 또는 천연소재로서 생물체에 위해를 가하지 않으면서 생체 경조직 및 기관의 기능을 회복시키거나 대체하는데 사용하는 소재를 말한다. 일반적으로는 골조직과 같은 생체 경조직을 대체하는 정형외과용과 치과용 임플란트 소재를 일컫는다.
생체소재는 자가골·동종골·이종골과 같은 천연재료와 금속·세라믹·고분자·복합소재와 같은 인공재료로 분류할 수 있으며 목적에 따라 구조용 소재와 기능성 소재로도 분류할 수 있다.
생체소재의 가장 기본적이 요구조건은 생체 적합성이다. 독성이나 염증반응을 일으키지 않아야 하며 면역성 체계를 거스르지 말아야 한다. 그 다음으로는 화학적으로도 안정해야 하며 기계적 특성도 생체와 유사해야 한다.
■ 임플란트의 종류와 적용영역
생체 내 삽입되는 경조직 임플란트의 적용 영역을 크게 구분하면 정형외과용 임플란트(Orthopaedic Implant)와 치과용 임플란트(Dental Implant)가 있다. 성형외과 또는 이비인후과 그리고 안과에서도 사용되지만 그 양은 두 영역에 비해 많지 않다. 인공장기와 인공혈관 그리고 연조직 등에는 고분자계 생체소재가 주로 사용된다.
◇ 정형외과용 임플란트 고강도·저탄성 소재 개발 관건
정형외과용 임플란트는 생체내 경조직을 대체 또는 보완하는 장치로 인공척추체, 인공장골 등 사용범위가 다양하지만 가장 많이 사용되는 임플란트는 인공고관절이다. 인공관절 생산 관련 주요 기업으로는 Depuy·Zimmer·Stryker 등의 다국적 기업 3개사가 전체 시장의 약 70%를 차지하고 있다.
정형외과용 임플란트에서 중요시되는 것은 생체적합성과 고강도·저탄성계수의 기계적 특성이다. 생체적합성은 세라믹소재가 가장 우수하지만 기계적 특성의 차이 때문에 주로 금속소재가 이용되고 있다.
그러나 금속 또한 10배가량 차이나는 탄성계수로 인해 응력차폐(Stress Shielding)현상이 발생하고 식립된 임플란트의 주변 골조직이 흡수 사멸되는 문제점을 가지고 있다. 식립된 금속은 평생 체내에 남아있으므로 제거 수술이 필요할 수도 있다.
이에 따라 최근에는 티타늄 분말소결법으로 임플란트체에 다공성을 부여하고 기공율을 조절해 탄성계수를 감소시키거나 생체흡수성 금속소재를 개발하려는 시도가 이뤄지고 있다.
◇ 치과용 임플란트
치과용 임플란트는 인공치아 보철물의 유지 또는 지지를 얻기 위해 악골 내에 식립되는 장치로 골막하 임플란트, 골내 임플란트 그리고 골관통 임플란트로 분류하기도 한다. 하중이 전달되는 크기나 전치부 또는 구치부에 따라 그 크기와 형태는 다양하다. 치과용 임플란트 생산 관련 주요 기업으로는 오스템임플란트·덴티움·디에스아이·메가젠·바이오칸·신흥·네오바이오텍·디오 등으로 오스템이 국내의 50%정도의 시장을 점유하고 있다.
치과용 임플란트는 정형외과용 임플란트와는 달리 매식체의 치유가 이루어진 후에 상부 보철물이 올라가기 때문에 빠른 골융합을 필요로 한다. 뿐만아니라 골융합이 잘 이루어지지 않으면 인공치아 보철물을 장착할 수 없으며 장시간의 치료와 여러번의 시술을 통해 환자에게 크나 큰 고통을 안겨줄 수 있다.
이러한 이유로 치과용 임플란트에서는 표면적을 증가시키거나 표면처리를 통해 골유착에 유리한 환경을 부여하고 있다. 현재까지는 기계가공, 표면처리, 복합 또는 이중 표면처리 등의 기술을 이용해 치유기간을 단축시켜왔다. 앞으로는 골유착에 유리한 환경 제공뿐만 아니라 직접적으로 신생골을 빠르게 성장시킬 수 있는 골전도성 생리활성물질을 적용해 자체적으로 치유가 가능한 생체 융합소재 기술의 개발이 필요하다.
■ 생체 융합소재의 성장성
지금까지 생체소재에 대한 성장이 지속적으로 이루어져 왔다. 이는 바이오기술과 소재기술의 융합이라고도 할 수 있다. 그러나 소재 자체의 생체적합성에 기반을 두고 있어 융합기술이라고 하기에 부족함이 있다. 이에 비해 생체소재에 기능성을 추가한 바이오메디컬소재는 융합소재 영역에서 급부상하고 있다. 더욱 중요한 것은 시간이 지날수록 이러한 융합기술의 영역이 점점 더 넓어질 것이라는 사실이다. 생체금속, 생체세라믹, 생체고분자 등의 생체소재와 이들의 융합소재 그리고 바이오 메디컬소재의 융합기술은 결국 바이오산업의 경쟁력으로 나타나게 될 것이다. 현재까지는 생체 융합소재에 대한 뚜렷한 결과물들이 없는 실정이지만 기업과 연구기관에서 적극적으로 융합기술을 개발하고 임상실험과 그에 대한 평가기술을 확립한다면 생체소재 산업의 강자로 떠오를 것으로 판단된다.
■ 생체 융합소재 기술개발동향
◇ 해외 기술개발 동향
현대 사회는 끊임없이 신기술 개발에 도전하고 있다. 치과용 임플란트 제조업체만 전 세계적으로 150여 업체(2009년 기준)가 넘는 것으로 파악되며 여기에 정형외과용과 성형외과용 임플란트 제조업체까지 합하면 상당히 규모가 크다.
대표적인 해외업체로는 Nobel Biocare·3i·Zimmer·ITI·Straumann·Lifecore Biomedical·Dentsply Friadent·ACE 등의 해외 제조사가 존재한다. 치과용 임플란트의 세계시장 점유율 1위는 Nobel Biocare 임플란트로 시술받은 환자만 약 50만명(2009년 기준)에 이르고 미국의 정형외과 협회에 의하면 2002년에 76만6,100명의 환자들이 엉덩이·무릎과 어깨 부분을 인공 임플란트로 대체했다고 한다.
현재 치과용 임플란트 매식체로 사용되는 티타늄은 인체 조직 내에서 불활성의 특성을 갖는 금속으로 골유착의 과정을 통해 인체의 골에 결합된다. 특히, 공기 중 또는 수중에서 자발적으로 형성되는 산화막 층의 생체친화성이 우수해 임플란트 소재를 위한 우수한 특성을 지닌 소재다.
인체 내에 삽입되는 생체의료용 의료기기는 기본적으로 생체조직과 반응하지 않고 장기간 체내에서 사용되더라도 구성 성분이 분해돼 체내로 유입되지 않아야 하므로 체내와 유사한 부식성 분위기에서 구성원소의 이온이 용출되지 않는 것을 필요로 한다. 따라서 미국·독일·일본 등에서는 바나듐(V)·코발트(Co) 등과 같은 세포독성이 강한 원소를 배제한 생체적합성이 우수한 원소로 구성된 신합금 제조 연구가 이뤄지고 있다.
금속소재는 항복강도·피로강도 등이 우수하기 때문에 생체의료용 중에서도 생체 경조직, 특히 뼈의 기능을 대체하는 용도로 가장 많이 사용되고 있다. 뼈의 탄성계수는 약 17GPa인데 비해 금속소재의 탄성계수는 스테인리스강이 약 205GPa, 코발트 합금이 약 200∼230GPa, 티타늄 합금이 약 100∼110GPa이다.
이와 같은 생체적합성 및 탄성계수 관점에서 티타늄을 근간으로 저탄성계수 합금을 개발하는 연구가 미국·일본·독일·중국 등지에서 활발히 이루어지고 있다. 그 동안 TNZ·TMZF·TNZT·TNZTO 등 저탄성계수 티타늄 신합금이 개발되고 있고, 일부 연구팀은 실험실적으로 40∼50GPa의 낮은 탄성계수를 갖는 티타늄 합금 조성을 개발한 적도 있으나 아직 바이오 메디칼 소재로서 본격적으로 상용화되고 있지는 못하고 있는 실정이다.
스위스의 생체소재 관련 회사인 Straumann에서는 RoxolidTM이라는 품명으로 고강도 임플란트 제품을 출시해 판매하고 있는데 기존 순수 티타늄 또는 Ti-6Al-4V합금을 이용한 제품의 대체용으로 사용하고 있으며, 일부 파절강도 증대효과는 보이나 고강도 저탄성계수의 특성을 충분히 만족시키지는 못하고 있다.
선진기업들은 다양한 표면처리와 디자인 변화를 통해 티타늄 임플란트와 골조직과의 융합을 추진하고 있다. 매끈하게 기계가공된 티타늄 재질의 임플란트에 표면거칠기를 증가시키거나 하이드록시 아파타이트 또는 티타늄 플라즈마 분사 코팅 등의 기술을 접목시켜 임플란트의 성공률과 골융합 기간을 단축시키고 있다. 최근에는 표면활성화를 유도해 골조직 반응을 향상시키기 위해 골전도성 유도물질이나 단백질 등을 임플란트 표면에 적용하려는 시도가 이루어지고 있다.
세계 1위 임플란트 회사 Nobel Biocare 에서는 BMP2 코팅 임플란트를 미국에서 임상실험 중이며, 2위 회사 Straumann은 합성펩타이드 코팅 임플란트를 개발 중에 있다(2009년 기준). 이런 임플란트가 출시 될 경우 생체조직과의 적응력 측면에서 일대 혁신을 가져올 것이다.
미국·유럽·일본 등지에서 조직공학 분야 연구가 활발히 진행됨에 따라 생리활성 물질과 소재와의 융합화 연구가 진척을 보이고 있어 Genezyme Tissue Repair, Advanced Tissue Science, Organogenesis 등의 회사가 융합소재를 연골 및 피부 등으로 상품화하고 있고, 뼈 및 연골 재생 분야에선 다공성 소재용으로는 Osteo Biologics Inc.에서 Immix를 개발해 연골재생으로 FDA허가를 진행 중에 있다.
노팅엄 대학과 러시아 학술원의 네스메야노프 유기 화합물 연구소는 인체의 뼈와 거의 흡사한 소재를 개발하기 위해 공동으로 합성성분을 개발해 특수 폴리머로 임플란트를 제작하기도 했는데 생리활성 물질의 담지체가 고분자소재이므로 높은 하중의 지지를 필요로 하는 임플란트 소재로는 사용에 제한이 있다.
약물방출의 지속성을 유지하기 위해 블록공중합 고분자로 마이셀 및 입자, 캡슐을 만들어 상용화된 제품들이 선보이고 있으나 이러한 제품들은 미립구 형태로 사용돼 임플란트 소재로는 사용에 한계가 있다.
생리활성 물질을 고강도 벌크 소재와 경사 임베딩시킴에 따라 적은 양의 생리활성 물질을 생체내에 장기간 방출시켜 빠른 생체재생 능력을 유도할 수 있는 임플란트 소재에 관한 연구는 해외에서도 전무하다.
생리활성물질 담지·방출 제어연구 활발
◇ 국내 기술개발 동향
국내에서는 2005년에 KIST와 충남대가 생분해성 금속소재 연구를 독자적으로 시작했으며, 현재에는 가톨릭의대·아산 병원·성균관대·국민대·중국 연변 과기대·유앤아이 등 다수의 대학과 기업이 함께 정형외과용 임플란트 연구에 참여하고 있다. 이 연구그룹은 세계 최초로 생체 대사에 관여하는 생체적합성 원소로 구성된 마그네슘(Mg)합금을 개발해 특허 등록했으나 연성이 부족해 응용 분야를 확대하기 위한 고연성 Mg 소재 개발을 추진 중에 있다.
또한 일진그룹과 서울대에서는 흡수성 금속과 생리활성 물질을 융합해 맞춤형기능성을 갖는 융합형 임플란트 소재 개발 연구를 2008년 이후 진행해 오고 있다.
국내 1위 임플란트 회사 오스템임플란트에서는 BMP2와 동등 수준의 효과를 보이는 합성 펩타이드 PEP7을 개발해 물질특허를 보유하고 있으며 임플란트 적용을 시도하고 있다.
이와 같이 임플란트의 표면 거칠기 조절이나 바이오 그라스 나노분말의 도포 등을 통한 표면개질 연구들은 이미 국내에 상용화 단계에 와있다.
최근에는 일부 대학 및 연구소에서 생리활성 물질과 임플란트와의 융합을 위해 생리활성 물질을 임플란트 표면에 코팅해 표면과 골세포와의 상호작용을 촉진시켜 초기 골 재생을 증가시키는 연구를 진행하고 있다.
이와 같이 생리활성 물질과 임플란트와의 융합은 소재표면에만 국한이 돼서 비교적 많은 양의 생리활성 물질이 필요로 하며 일정한 방출속도를 제어하는데 한계가 있다. 또한 생리활성 물질을 담지한 표면코팅층과 모재와의 약한 결합력으로 인해 식립 시 쉽게 박리되는 한계점이 나타난다.
■ 생체 융합소재 기술개발의 핵심 이슈
◇ 고강도 저탄성계수
임플란트에 사용되는 생체적합성 소재에서 가장 이슈가 되고 있는 분야중의 하나는 고강도 저탄성계수 이다. 임플란트에 스트레스가 가해졌을 때 주변의 골질에 비해 금속소재 임플란트의 경우 탄성계수가 10배 가량 크기 때문에 응력차폐(Stress Shielding)가 발생한다. 살아있는 뼈에서는 조골세포와 파골세포가 오래된 뼈조직을 파괴하고 새로 만들어가는 과정을 반복하게 되는데, 임플란트가 식립된 골 주변에서는 모든 스트레스가 임플란트에만 집중되므로 주변의 골이 필요 없는 것으로 인식돼 파골세포에 의해 흡수되고 약해지게 된다. 이러한 문제를 극복하기 위한 가장 좋은 방법으로는 다공성 담지체를 형성하는 것이다. 다공성 구조의 기공율을 조절함으로써 탄성계수를 감소시키고 내부의 빈 공간에는 생리활성물질을 임베딩할 수 있게 된다.
◇ 생리활성물질의 담지/방출 제어 기술
또 하나의 이슈는 생리활성물질의 담지기술과 방출을 제어하는 기술이다. 기존의 임플란트 표면에 코팅된 하이드록시 아파타이트(HA) 또는 β-TCP 등의 무기질 골 활성 촉진제들은 표면에 부착돼 있으므로 임플란트 식립시에 박리되기도 하고 생체내로 흡수가 빨라 지속적인 효과를 보기 어렵다. 또한 플라즈마 스프레이법 등의 코팅기술을 이용한 경우에는 1만℃ 이상의 고온을 사용하기 때문에 코팅물질의 상이 변해 본래의 효과를 기대하기 어렵다.
최근에는 하이드록시 아파타이트 또는 β-TCP 등의 무기질 골 활성 촉진제 보다 BMP-2 등의 직접적으로 골형성을 촉진시키는 생리활성물질에 대한 연구가 활발하다. 이러한 생리활성물질을 적셔서 시술하거나 임플란트에 담지해 서서히 방출함으로써 생리활성물질을 체내로 전달하려는 시도가 이루어지고 있다.
