▲ 생체 소재의 종류 및 특성.

◇ 생체 소재 세대별 분류

생체 소재는 1890년경 Lane에 의해 뼈의 골절에 대한 고정으로 금속제스크류(Screw)와 플레이트(Plate) 등이 사용된 이후 약 100여년이 지났으며 이들 인공장기의 개발역사를 살펴보면 크게 4세대로 나뉠 수 있는데 다음과 같다.

제1세대로는 아주 초창기의 임플란트로서 원시적인 공업용 소재로 인체의 일부를 지지 또는 보철하는 것으로 1940년도의 것을 일컫는다. 이러한 소재는 생체 소재의 어떠한 실용성이나 효과보다는 초보적인 호기심에서 시작하였다.

제2세대로는 생체공학전문가(Bioengineer)들이 고안한 일반 공업소재로 의사들이 고장나고 손상된 장기의 일부분을 대체하는 것으로 시작되었는데, 인체와 접촉하는 조직등과의 이상현상 즉 생체적합성(Biocompatibility)이라는 정확한 정의가 없이 우연하게 적용이 되었던 시기였다. 대표적인 예로는 Charnley 경이 인공고관절을, Voohgees가 한국전쟁 시 인공혈관을 시술한 것이다. 본격적으로 수술이 시행된 1950년 후반부터 현재까지 수많은 환자들에게 성공적으로 적용되었다.

제3세대는 1, 2세대에서 강조되었던 생체와 어떤 작용이 없는 ‘Inert’한 상태보다는 인체와 ‘Bioactive’한 즉, 아주 정교하게 디자인이 되고 응용된 생체 소재로 주위의 조직세포를 자극하여 임플란트가 더 빨리 효과적으로 생체와 일체화되도록 하는 생체 소재의 개발세대이다. 대표적인 것으로는 하이드로 아파타이트(Hydroxy Apatite)가 도포된 인공고관절, 콜라겐(Collagen) 등이 도포된 인공혈관 등을 들 수 있다.

제 4세대로 조직공학(Tissue Engineering)을 응용한 즉, 인체에서 추출된 조직세포와 합성소재가 동시에 사용되는 혼합형 인공장기의 개발이다. 이들은 인체의 장기 재건(Reconstruction)과 완전 교체(Replacement)를 통해 생체조직을 시술하기보다는 손상된 조직의 봉합(Repair)과 회복(Regeneration)에 초점이 맞추어지고 있다.

■ 생체 소재 성장성

앞서 환경변화에서 언급한 바와 같이 국내의 장기이식 대기자는 2009년 기준 1만7,055명으로 그 중에서 각막, 골수 이식 대기자를 제외하면 전체 1만2,532건에 달한다. 이 중에서 장기이식 수술을 받은 경우는 총 834건인데 이것은 장기 이식 대기자의 5%에도 미치지 못하는 수준이다. 따라서 장기이식을 원하는 많은 환자들의 수요를 충족시키기 위하여 인공관절을 비롯한 의료용구를 수입에 의존하고 있으며, 그 전체규모는 적어도 700억원이상으로 알려져 있다. 생체 소재는 장기이식 수급의 불균형을 해소하고, 외국으로부터 수입되고 있는 생체 소재의 수입대체효과는 물론이고 새로운 시장의 창출도 가능하여 그 성장성은 무궁무진하다고 할 수 있다.

■ 생체 고분자소재 역할과 위상

종래의 재료과학 연구의 목적은 고도로 안정된 물질의 발견 및 이를 향상시키는 것에만 집중되어왔다. 고분자소재의 경우 금속소재의 기계적 성질과 유사하고 생체 내에서는 어떠한 물성변화도 초래하지 않는 소재 개발이 이루어졌다. 1960년경에 일련의 과학자들이 폴리유산(PLA), 폴리글리콜산(PGA)의 생분해성 고분자를 합성하였으나 가공이 어렵고, 가공 중에 또는 사용 중에 물성이 변하는 생분해성 단점으로 한동안 등한시되었다. 최근 생체 소재로서 여러 가지 가능성이 있음을 알게 되어 이들을 비롯한 새로운 생분해성 고분자의 합성에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

이들 생분해성 고분자는 비분해성 고분자보다 생체적합성이라는 면에서 더 엄격한 조건이 적용된다. 식물에서 추출돼 나오는 독성오염물질 (미반응 모노머·안정제·유화제·개시제 등)의 잠재적 문제를 비롯해 분해 후 분해산물의 인체 내 독성 등을 반드시 고려돼야 한다.
지난 십 수 년간 10종류 이상의 분해성 고분자가 새로 합성됐고 이들 대부분이 폴리에스터 계통이며 또 다른 것은 폴리안하이드라이드·폴리포스파젠·폴리포스포네이트·폴리아미드·폴리카보네이트류 등이다. 이들 중에 미국 식품의약청(FDA)에서 승인받은 고분자는 폴리유산(PLA)·폴리글리콜산(PGA)·폴리락틱글리콜릭산(PLGA)·폴리다이옥산 등이다.

이중 생체 소재로 널리 사용되는 생분해성 고분자는 PLA·PGA 및 이들의 공중합체인 PLGA이며, 이들은 생체내에서 가수분해에 의해 젖산과 글리콜산으로 전환돼 결국에는 이산화탄소와 물로 분해돼 체외로 배출된다.

이들이 사용되는 분야를 보면 초기에는 흡수성봉합사나 단순한 보강 및 형상유지의 용도가 주를 이루었으나 최근에는 각종 의약과 사이토카인·유전자나 안티센스 DNA, siDNA류의 서방용 담체, 골절의 고정에 사용되는 보철판과 나사못, 인대와 힘줄의 치료를 위한 디바이스, 그리고 연골·뼈 및 기타장기들의 재생에 사용되는 지지체까지 다양한 의료분야에서 활용되고 있다.

앞으로는 PLA·PGA 등의 폴리에스테르계 고분자를 필두로 폴리아미드·폴리사카라이드·폴리에스테르카보네이트·폴리에스테르아미드 등 여러가지 화학구조를 가지는 생체내 분해성 고분자가 생겨날 것으로 예상된다. 아울러 합성고분자 뿐만 아니라 단백질을 비롯한 생체적합성을 가지는 생분해성 천연고분자의 분해거동을 제어함으로써 유전자 전달이나 조직공학 및 재생의학에의 응용 또한 매우 중요한 과제라고 할 수 있다. 아울러 21세기는 생체 소재로서 뿐만 아니라, 자동차 등 모든 분야에서 폴리유산 등 환경에 친숙한 소재가 대활약하는 시대가 될 것으로 예측 되고 있다.

■ 생체 고분자소재 분야별 기술개발동향 및 핵심이슈

◇ 경조직 대체용 고분자소재

◯ 뼈 시멘트

정형외과 소재로서 대표적인 고분자소재로는 인공고관절 및 슬관절에 사용되는 상온 경화형 PMMA (Polymethyl metacrylate) 뼈 시멘트와 초고분자량체 폴리에틸렌(Ultra High Molecular Weight Polyethylene, UHMWPE)을 들 수 있다. 상온경화용 뼈 시멘트는 1974년도에 Charnley경이 처음 시술에 사용하여 성공한 이후로 널리 쓰이게 되었다.

인공관골구 접합부(Acetabulum Cup)에 사용되는 UHMWPE는 시간이 경과할수록 스템 임플란트(Stem Implant) 부분의 베어링(Bearing)면으로부터 마모파편이 생성된다. 이는 인공고관절 주위에 골용해 현상을 야기시켜 골절·동통·대퇴골이나 비구골의 심한 구조적 변화를 초래하므로 UHMWPE의 마찰파편의 양을 감소시키기 위한 연구가 진행되고 있다. 이러한 문제에 대한 해결책으로는 다른 물질을 대체하는 방법, 기존의 UHMWPE를 개질하는 방법, 대퇴골두(Femoral Head) 크기의 변형, 새로운 UHMWPE의 개발 등으로 연구가 진행되고 있다.

◯ 치과용 고분자소재

치아는 본질적으로 조직이 한번 상하면 재생할 수 있는 능력을 상실하므로 치료와 이를 수복하는 인공소재가 필수적으로 필요하다. 이 때문에 예로부터 소재와 기구의 개발이 많이 진행되어 왔다. 최근 PMMA제 레진치아와 치관부에 가교결합을 도입하여 내마모성을 개량하였고 기저부와 접착이 잘 이루어질 수 있도록 PMMA를 사용한 타입의 인공치아가 개발되고 있다.

최근에는 PMMA 대신에 유기질 복합충진재와 가교제를 혼합하여 열로 중합하거나 UV(자외선)광을 조사하여 상온중합하는 형태로 대부분 사용되고 있다. 이때 요구되는 물성으로 경도·압축강도·흡수량 및 평균마모도 등이 생체의 치아와 유사한 방향으로 연구가 진행되어야 한다.

◇ 혈액정화용 고분자소재

혈액정화용 고분자소재가 쓰이는 분야는 혈액정화를 필요로 하는 임상분야로 인공신장·인공간장 등이 있으며 이들의 응용범위는 점차 확대되어 약물요법과 치료요법을 병용한 치료분야에까지 확대되고 있다.

혈액정화용 고분자소재는 투석막·여과막·혈장분리막·혈장성분 분리막·흡착제 등에 사용되는 소재를 총칭하며, 사용되는 소재로는 셀룰로오스 또는 재생셀룰로오스가 대부분을 이루고 있고 Polyacrylonitrile (PAN)·PMMA·PVA·Polyamide·Polysulfone 등이 사용되고 있다. 고분자소재를 혈액정화에 사용했을 때의 문제점으로는 혈전생성, 백혈구(Leukocyte)의 흡착, 감염, 소재로부터의 불순물 등의 이행(Leaching), 알레르기 발생, 투석액(Dialysate) 등이다.

최근 급성간부전증 환자의 치료는 환자의 혈장을 분리하여 신선한 혈장과 교환함으로써 유독 물질을 제거하는 혈장교환요법이 널리 쓰이고 있다. 또한 수혈을 할 때에도 필요한 성분, 예를 들면 적혈구·백혈구·혈소판·알부민 등의 성분수혈 또는 성분제제요법이 널리 쓰이고 있다. 이 경우 신선한 혈장으로부터 혈장성분 분리막 및 혈장분리막을 사용하여 원하는 성분을 분리한다. 혈장분리막은 일반적으로 소수성 고분자가 사용되는데 초산셀룰로오스·PMMA·PVA·PP·Polysulfone·PE가 사용되고 있다.

◇ 인공폐용 고분자소재

인공폐는 혈액에 산소를 공급해 주고 이산화탄소를 배설해주는 폐를 대신 하는 인공장기로서 사용목적으로는 수술 시에 폐를 대신하거나 급성폐부전환자의 호흡보조장치로 사용된다.
인공폐의 작동형태로는 첫째 혈액 중에 산소가스를 직접 기포형태로 불어넣는 기포형과 둘째로 미세다공구조로 되어있는 막형으로 두 가지가 있다. 기포형태는 혈액에 대한 손상이 크고 혈액 중에 미세기포가 남아있다는 결점이 있어서 막형을 최근에 많이 사용하고 있다.
막형 인공폐에 대표적으로 사용되는 고분자소재로는 다공질의 PP 및 실리콘 고무이며 대표적인 형태로는 적층형, 코일형 및 중공사 형태로 구분한다. 인공폐용 막은 균질막·다공질막·복합막 등이 있다. 균질막은 O2 및 CO2 가스투과계수가 큰 실리콘 고무를 평막 또는 중공사막의 형태로 제조한 것으로 실용화가 되었지만 강도가 낮은 것이 단점으로 나타중공사형태가 많이 사용된다.

◇ 안과용 고분자소재

안과에 사용되는 고분자소재로는 안경·하드콘택트렌즈(HCL)·소프트콘택트렌즈(SCL)·안내렌즈 등으로 나뉜다. 안경소재로는 주로 유리가 쓰이고 있으나 가볍고 두께를 얇게 하며 고굴절율을 갖는 고분자소재가 개발되고 있으며 상용화도 이루어지고 있다. HCL은 안경을 대신하여 널리 쓰이고 있다. 초기에 PMMA로 만들어진 제품은 딱딱하고 표면성질이 좋지 않으며 산소투과율이 낮았으나 연속착용 SCL용 하이드로젤(Hydrogel)이 개발 되어 이러한 문제점을 개선하고 있다. 특히 산소투과율을 향상시키기 위하여 렌즈의 두께를 얇게 하고 고함수율을 적용하여 산소의 투과성이 좋은 단량체들을 사용하는 연구가 진행되고 있다.

◇ 인공혈관용 고분자 소재

동맥경화, 협심증 및 정맥류와 같은 혈관 순환기 질병의 발병률이 증가하는 추세이고 이들은 대체적으로 수술이나 약리적 치유가 불가능한 경우가 대부분이다. 따라서 이들 손상된 혈관들의 근본적인 치료를 위하여 PET(Dacron)·Teflon(PTFE, Gore Tex)의 두 가지 고분자소재가 주로 쓰이고 있다.

인공혈관용 고분자소재는 인체에 이식시 생체거부반응이 없어야 한다. 혈관내벽에서 혈전·색전이 생기지 말아야 하며 끊임없는 수축·팽창작용을 통해 혈관 내에서 상당한 압력을 받으며 흐르는 혈류에 견딜 수 있는 유연성과 기계적 물리적 특성을 지녀야 한다. 현재 상품화되어 있는 것은 직경 6mm 이상의 제품으로서 대구경 위주로 산업화가 이루어져 있다.

고분자소재, 생화학·의학 등 복합적 협력 필요

생체 요소 흉내 내는 하이브리드화 추구 해야

◇ 인공심장 및 판막용 고분자소재

인공심장은 심장의 기능이 완전하지 못하여 이식할 때까지 기능을 대신하여 주는 보조형과 이식을 전혀 할 수 없는 경우에 반영구적으로 치환하는 경우로 나뉜다. 인공심장은 혈액펌프·구동부·에너지원·계측부·제어부 등으로 구성되고 일반적으로 하루에 십만회 정도의 박동이 필요하며 횡경막(Diaphragm)을 이용하여 공기압을 구동하는 방식이 대부분이다.

사용되는 고분자소재로는 혈액접촉 부분에는 PVC·천연고무·실리콘·PMMA·PU·열가소성 Elastomer·Segment화 PU 등이다. 이들의 설계에 있어서 유의할 점은 혈액에 대한 손상이 없고, 색전(Emboli)이 생성되지 말아야 하며 동력이 적게 들어야 됨은 물론, 체내로 100% 착상(Implant)이 되어야 한다는 점이다. 인공심장판막 연구에 있어 주의해야 될 점은 생체적합성이 좋아야 되고, 혈액에 손상이 없어야 되고, 혈압의 저하가 없어야 되고, 소음이 없어야 되며 혈액 역류를 최소화하여야 한다는 점이다.

◇ 조직세포 배양공학을 이용한 인공장기의 개발

최근 범용 합성 고분자소재로 제작된 인공장기의 근본적인 문제는 이들 소재가 가진 근본적인 생체적합성의 한계와 생체기능성이 결여되어 있다는 것이다. 이에 따라서 장기의 특정기능을 담당하는 세포나 단백질 등을 분해 또는 비분해성 고분자 소재에 결합·고정화 및 배양하여 원하는 조직으로 만들거나 장기의 성능을 좀 더 고급화하여 생체요소를 흉내내는 하이브리(Hybrid)화를 추구하고 있다.

현재 뼈·타액선(침샘)·심장판막·요로·치아·유방·유두·방광·간장·췌장·피부·연골·손상된 신경세포 및 혈관 등의 인공 장기가 활발하게 연구되고 있다. 이들의 조직공학적 인공장기의 개발에 있어서 필수적인 요소가 생분해성 고분자를 다공성 지지체(Porous Scaffold)의 장기형태로 제조하는 것이다. 그 대표적인 예는 유화동결건조법에 의한 poly(Lactide-co-glycolide)(PLGA) 공중합체를 튜브형태로 제조한 것을 들 수 있으며, 혈관·요도관·식도·소장·대장 등과 같은 튜브형태의 장기에 적용할 수 있다.

현재 조직세포배양공학을 이용한 인공장기의 연구에 있어서의 문제점은 이식시 우리가 원하지 않는 과민면역반응(Immune Response), 건강할 때 채취된 각 개인의 조직세포가 문제가 발생하였을 때 다시 꺼내어 쓸 수 있도록 장기적으로 보관할 수 있는 저장법, 체외(In vitro)상태에서 복잡한 세포들 간의 연락체계 복원, 화학 및 단백질 화학을 이용한 분자수준에서 가까운 시일 내에 각 세포들의 기능을 과연 장기의 기능과 어떻게 일치시킬 것인가 등이다.

◇ 약물전달시스템용 고분자소재

약물의 체내투여는 주사를 비롯하여 경구·경피·코·눈·직장을 통하여 이루어지고 있으나 종래의 약품투여방법의 효율성 결여 등을 개선할 목적으로 서방성 제제(Drug Delivery System, DDS)라는 약물치료 수단이 고안되었다.

서방성제제에 있어서의 장점으로는 환자에게 복용횟수를 줄여주게 되어 편리함을 제공하고, 적은 양의 약물을 투여하여 장기간 투여시 체내에 약물의 축적 및 국소 또는 전신에서의 부작용을 최소화하며, 최적의 치료효과 제공과 경제성을 들 수 있다. 이들 서방성의약제제의 연구방향은 경구투여용·경피투여용·생체내 임플란트·지능성 DDS 및 고분자의약(Polymeric Prodrug) 등으로 대별할 수 있다.

경구투여용 서방성제제의 방출제어 기구는 친수성 또는 불용성 고분자 매트릭스 내의 확산, 투과에 의한 약물의 방출, 고분자 매트릭스의 분해에 의한 방출, 이온교환수지와의 결합 또는 해리에 의한 방출, 삼투압을 이용한 약물의 방출 등으로 분류된다. 최근에는 이러한 약물효과의 발현을 전신적으로 또는 서방성 제제화하는 이른바 경피 치료시스템(Transdermal Therapeutic System, TTS)이 개발·상업화되고 있다. 이들의 투약은 피부뿐만 아니라 눈·구강점막·코점막·자궁·질점막 등에 부착하여 시도되고 있다.

최근에 유전자공학 기법에 의한 고순도의 Peptide·Polypeptide·Protein 약물이 다량으로 생산될 수 있어서 AIDS·암·고혈압과 같은 난치병의 근본 치료 및 예방에 한걸음 다가설 수 있게 되었다. 그러나 유전자공학 기법에 의해 합성된 Peptide성 약물은 체내 조건에서 불안정하고, 분해되며, 소수성 고분자인 특성상 체내 흡수에 어려움이 있어 기존의 제형 (즉, 정제·캡슐제·연고·주사제 등)으로는 원하는 치료효과를 얻을 수 없다. 이런 약물에 대해서는 표적부위에 선택적으로 약물을 전달하고 필요시 약물을 일정 속도로 일정량 방출하는 서방성제제(DDS)가 연구개발되고 있다.

▲ 생체 고분자소재 및 인공장기를 이용한 분야.

◇ 봉합사, 수술용 테이프와 접착제

봉합사는 흡수성과 비흡수성, 천연과 합성, 그리고 단섬유 또는 복합사 등으로 구분된다. 흡수성 봉합사는 Catgut·PGA·PLA 등이 있으며 비흡수성으로는 인견·Polyester·Nylon·PAN이 쓰이고 있다.

테이프와 접착제는 간단한 상처를 치유하는 방법으로 상처의 양 끝에 적당한 인장력을 부여하여 봉합을 용이하게 하고 상처부위를 청결히 유지할 수 있으며 상처치료를 촉진하고 병원균 등의 침입을 억제하는데 도움을 주는 의료용품이다. 상처 부위별로 여러 가지 형태가 있다. 초기에는 인조고무와 산화아연을 사용하였고 1960년대에는 아크릴 계통의 고분자 물질로 대체되어 의료용 접착제로 사용되었다. 최근에는 DDS 접착테이프와 같은 접착제가 개발되고 있다. 그리고 Cyanoacrylate와 Fibrinogen 계통의 접착제가 최근 임상에서 사용되기 시작하였다.