Update2024.05.10 (금)
80세 청춘, 금속 생체소재가 이룬다
■ 기술의 정의 및 분류
생체 금속소재(Biometals)는 한시적으로 또는 반영구적으로 인체 조직의 기능을 대체하거나 보완하기 위한 임플란트, 시술용 의료기구 및 용기 등의 소재로 널리 사용된다. 생체 금속소재 중 부가가치가 가장 높을 뿐만 아니라 높은 수준의 소재 기술을 요구하는 것은 의료용 임플란트다.
인체 내 이식되는 임플란트는 일반적으로 생체적합성과 적정한 기계적 특성을 가지며 나아가 질병 유발, 인체 면역체계 손상 및 DNA 변이를 초래하는 인자를 포함하지 않는 소재로 제조돼야 한다.
인체를 구성하는 골·관절·근·혈관·피부 등 각 조직은 다양한 기능을 수행하므로 생체 금속소재도 다양한 특성이 요구된다. 일반적으로 금속소재는 세라믹 및 고분자소재에 비해 기계적 특성이 우수하므로 외부 응력을 부담하는 용도로 널리 사용되는데 주로 치과·정형외과·성형외과·내과·순환계 질환 치료용으로 사용된다.
생체 금속소재는 우수한 기계적 강도 외에도 적용분야에 따라 생체적합성·저마찰·고변형률·생체흡수성·저영률 등 다양한 특성 중 일부 또는 다수의 특성이 특별히 우수한 소재가 요구되는데, 최근 들어 가장 널리 채택되고 있는 생체 금속소재의 종류와 주된 적용 영역은 아래의 표와 같다.
■ 환경변화
◇ 고령화 사회에 따른 생체 소재 및 기구의 급격한 수요 증가
생활환경 개선과 의료기술 발달로 인해 전 세계적으로 고령화가 급속히 진행되고 있다. 특히, 우리나라는 현재 세계에서 가장 빠른 속도로 고령화가 진행되고 있는데 2018년에는 고령인구가 전체인구의 14.3% 이상인 고령사회로, 2026년에는 20.8% 이상이 되면서 초고령 사회에 진입할 것으로 전망된다.
인체는 연령 증가에 따라 골·순환계 등과 같은 인체 조직의 기능이 급속히 저하되므로 향후 인체 조직의 기능을 대체하거나 보완하기 위한 생체의료용 소재 및 기구의 수요는 급격히 증가할 것으로 예상된다.
◇ 아시아 지역 생체 소재 시장의 급속한 성장
세계 인구의 절반 이상을 차지하는 아시아 지역의 경제 규모 및 생활수준이 매우 빠르게 개선되고 있다. 이에 따라 아시아 지역의 생체 소재 시장 성장속도가 미국 및 유럽 지역에 비해 매우 빨라 미래에는 가장 큰 생체 시장으로 부상할 것이다.
아시아 지역의 현재 생체 소재 시장의 성장 속도는 연 18%이상이며, 특히 정형외과용 임플란트 시장 성장 속도는 품목에 따라 연평균 약 45%를 초과하고 있다.
◇ 생체의료 핵심소재의 수입의존 여전 고령화 진행속도 높은 아시아 시장 급속 성장
지난 5~10년간 핵심소재 산업에 대한 국가적·전략적 지원을 통해 한국의 소재산업은 비약적으로 발전했다. 그 결과 많은 분야에서 핵심소재의 국산화가 이루어졌으며, 간접적으로는 미국·일본의 핵심소재 수입단가 인하를 유도함으로써 한국은 엄청난 수입량 감소 효과를 유도할 수 있었다.
하지만 생체의료 핵심소재의 경우 여전히 미국·일본 등 선진국으로부터의 수입에 의존하고 있어 무역수지 적자의 주요 요인으로 작용하고 있다.
■ 기술의 중요성
◇ 생체 금속소재는 미래 선도 기술
생체의료 산업은 대표적인 미래형 신산업이라고 볼 수 있다. 2010년 현재 생체 금속소재의 주 적용 분야인 골질환 치료용 임플란트 시장규모는 이미 60조원을 넘어섰다. 더욱이 급격한 고령화와 생활수준 개선에 따라 생체·의료산업의 성장 속도가 그 어떤 산업보다 높다. 따라서 생체 금속소재 기술 개발은 미래 산업 육성 차원에서 매우 중요하다.
◇ 집중적인 기술개발로 세계시장 선도 가능
한국은 이미 부품 및 소재 산업육성을 위한 국가적 지원사업을 통해 상당한 수준의 핵심 소재 기술을 확보하고 있다. 이를 바탕으로 높은 신뢰도와 청정도를 요구하는 생체용 소재를 생산 공급할 수 있는 기술력을 확보하고 있다.
장기적으로는 인구수가 많고 경제수준이 급격히 개선되고 있는 아시아(중국·동남아·인도 등)가 세계시장의 중심으로 자리 잡아갈 것임으로, 생체 소재를 한국의 미래 대표 전략산업으로 육성할 가치가 있다.
생체소재 수입국에서 수출국으로 변신 시급
■ 정형외과·성형외과용 생체의료용 기기
생체 금속소재가 적용되는 정형외과·성형외과 적용 제품은 매우 다양하다. 대표적으로 인공관절(고관절·슬관절·견관절), 척추 고정용 레일(Rail), 골접합용 판(plate), 나사(screw), 골고정체, 추간체 고정보형제, 두개 성형판, 두개 성형판 고정체, 악안면 성형용판, 악안면 성형용 나사 등을 들 수 있다.
이들 제품은 대부분 높은 응력부하를 감당해야 하므로 고강도 금속소재가 주로 사용되고 있으며 생체적합성이 우수한 Ti합금이 가장 일반적으로 사용되고 있다. 그러나 저마찰 내마모 특성이 요구되는 인공관절의 마멸부는 CoCr계 합금이 내마모성 고분자와 함께 사용되기도 한다.
생체 금속소재의 강도가 높아질수록 제품을 슬림(slim)하게 제조할 수 있으므로 수술시 절개량을 줄일 수 있고 심미적으로 양호해 시술 후 환자의 활동성도 개선될 수 있기 때문에 고강도 금속소재에 대한 선호가 뚜렷하다. 또 한편으로는 점점 심화되는 생체부적합 원소에 대한 규제가 강화되면서 니켈(Ni)·알루미늄(Al)·바나듐(V) 등의 원소가 첨가되지 않는 금속에 대한 수요도 증가하고 있다.
◇ 치과용 의료 기기
치과용 임플란트는 생체용 소재 응용 제품 중 가장 널리 알려져 있다. 집중적인 응력이 가해지므로 주로 고강도 소재가 사용되는데 대부분 순 Ti 또는 Ti6Al4V합금이 사용되고 있다. 또한 치열 교정용 치구로서는 고탄성 NiTi합금·스테인리스강 등이 사용되고 있으며, 충치 충진용 소재로는 금(Au)과 같은 귀금속이 사용되고 있다. 또한 골충진재를 고정하기 위한 메쉬형·플레이트형 Ti 또는 스테인리스강 멤브레인이 있다.
치과용 임플란트 소재로 가장 널리 사용되고 있는 Ti 및 Ti합금은 표면에 치밀한 Ti산화물 부동태 막이 형성돼 생체 환경하에서도 내부식 특성이 매우 우수하다. 최근에는 표면에 나노구조 모폴로지 형성, 성장 인자 담지, 골적합성 세라믹 피막이 형성된 제품이 개발 중이거나 생산되고 있다.
지속적으로 일정한 장력을 유지해야 하는 치열교정용 의료기기 소재로는 NiTi과 같은 고탄성 금속소재와 스테인리스강이 사용되기도 한다.
치골조직의 손실이 큰 경우는 골대체제·골충진재를 이용해 손실부위를 강화한 후 임플란트 시술이 진행되는데, 골충진재를 고정시키기 위한 멤브레인으로 메쉬형 또는 다공성 플레이트 형 Ti 소재가 사용된다.
◇ 순환계용 의료 기기
인체조직은 혈관·식도·소장·대장·담도 등과 같이 인체대사 물질의 흐름이 이루어지는 관(Tube)으로 이루어져 있다. 최근 식습관 및 생활습관이 서구화되면서 이러한 관조직이 고점성 물질(혈전) 또는 암조직과 같이 비정상적으로 성장한 조직에 의해 막히는 경우가 자주 발생하고 있다.
막힌 관조직을 강제로 확장하는 의료기기를 스텐트라 하며, 아래의 그림에 대표적인 스텐트 형상과 시술 모식도를 나타냈다. 스텐트는 심장혈관용 스텐트·뇌혈관용 스텐트·말초동맥용 스텐트·비혈관용 스텐트 등 적용위치에 따라 다르게 불리어지며 각각의 스텐트는 서로 다른 특성을 요구한다.
심혈관용 스텐트는 높은 협압에 대한 저항력이 있는 고탄성(최소한 4억회 이상의 피로 한도) 등과 같은 특성이 요구되는데 주로 CoCr합금·NiTi합금 등이 사용된다. 최근에는 CoCr 합금의 사용빈도가 많아지고 있다.
심혈관용 스텐트는 혈관 재협착을 방지하기 위한 구조를 갖거나 또는 약물 기능을 갖도록 제조되기도 한다. 이와는 달리 비혈관용 스텐트는 비정상 세포조직의 침투 방지, 시술의 편의성 증대, 시술 후 이동(migration) 방지 기능이 있어야 하며 주로 스테인리스강 선재로 직조(weaving)된 형태를 띠게 된다. 금속소재 스텐트는 고분자로 코팅돼 사용되기도 한다.
■ 생체 금속소재 및 제품의 성장성
세계적으로 고령인구가 급속히 증가하고 생활수준이 향상됨에 따라 의료산업의 성장률은 그 어떤 산업보다 높다. 현재 전 세계 의료장비 시장규모는 3,000억달러에 이르며, 골질환 치료용 임플란트은 500억달러, 심혈관용 생체재료 시장은 800억달러의 거대 시장규모를 형성하고 있다. 더불어 세 분야 모두 매년 평균 8%정도 성장할 것으로 예상된다.
■ 생체의료용 제품에서 소재의 역할과 위상
대부분의 생체의료용 임플란트 제품은 생체용 소재를 단순히 기계 가공해 제조하므로 최종 제품의 소재 의존성이 매우 높다. 소재의 특성이 최종 제품의 성능에 미치는 영향을 아래의 표에 정리했다.
약 100여년에 걸친 생체의료기기 산업의 역사를 보면 새로운 소재 기술의 탄생은 기존 제품과 차별적인 생체의료기기의 개발을 유도했으며, 이러한 신제품이 세계 시장을 선도해 왔다. 따라서 그 어느 산업에 비해서 최종 제품의 소재 의존성이 높다고 볼 수 있다.
■ 고강도 금속소재 기술개발동향
대부분의 정형외과·성형외과·치과용 임플란트 제품은 고강도 금속소재를 사용한다. 1960년대에 스테인리스강이 개발돼 생체 소재 분야의 비약적 발전이 있었으며, 그 이후 CoCr합금· Ti 및 Ti합금 등이 개발됐고 현재는 인공관절 골두·심혈관용 스텐트 등 일부 제품을 제외하고는 대부분 Ti 및 Ti합금을 사용하고 있다.
인체 내에 삽입되는 생체의료용 금속 부품은 기본적으로 생체조직과 반응하지 않고 장기간 체내에서 사용되더라도 구성 성분이 분해돼 체내로 유입되지 않아야 한다. 즉 체내와 유사한 부식성 분위기에서 구성원소의 이온이 용출되지 않는 것을 필요로 한다. 따라서 미국·독일·일본 등에서는 비나듐(V)·코발트(Co) 등과 같은 세포독성이 강한 원소를 배제한 생체적합성이 우수한 원소로 구성된 신합금 제조 연구가 이뤄지고 있다.
금속재료는 항복강도·피로강도 등이 우수하기 때문에 생체의료용 중에서도 생체 경조직, 특히 뼈의 기능을 대체하는 용도로 가장 많이 사용되고 있다. 그런데 뼈의 탄성계수는 약 17GPa인데 비해 금속재료의 탄성계수는 스테인리스강이 약 205GPa, 코발트 합금이 약 200∼230GPa, 타이타늄 합금이 약 100∼110GPa로 매우 높은 편이다.
이와 같은 생체적합성 및 탄성계수 관점에서 타이타늄을 근간으로 저탄성계수 합금을 개발하는 연구가 미국·일본·독일·중국 등지에서 활발히 이뤄지고 있다. 그 동안 TNZ·TMZF·TNZT·TNZTO 등 저탄성계수 타이타늄 신합금이 개발돼 왔으며, 일부 연구팀은 40∼50GPa의 낮은 탄성계수를 갖는 독자적인 타이타늄 합금 조성을 개발했으나, 아직 바이오 메디칼 소재로서 본격적으로 상용화되고 있지는 못하고 있는 실정이다.
스위스의 생체 소재 관련 회사인 Straumann에서는 RoxolidTM이라는 품명으로 고강도 임플란트 제품을 출시해 판매하고 있는데 기존 순수 타이타늄 또는 Ti6Al4V합금을 이용한 제품의 대체용으로 사용하고 있으며, 일부 파절강도 증대효과는 보이나 고강도 저탄성계수의 특성을 충분히 만족시키지는 못하고 있는 실정이다.
■ 생체 기능성 금속소재 기술개발동향 인플란트·인공관절·인공골격 등 사용처 다양
현재까지 임플란트 표면을 물리화학적으로 개질해 임플란트 표면을 활성화하려는 연구가 활발히 진행됐으나 최근에는 골형성 세포의 부착을 증진시키는 합성 펩타이드나 골형성 단백질 등을 임플란트 표면에 부착시켜 골조직 반응을 향상시키기 위한 기술개발이 시도되고 있다.
스웨덴의 Nobel Biocare사는 성장인자를 표면에 코팅하는 생화학적 표면처리기술을 개발 중에 있다. Straumann사는 세포부착성의 올리고펩타이드를 임플란트 표면에 고정화시켜 골세포의 부착과 재생력을 향상시키는 기술개발을 진행하고 있다. 그러나 골성장 인자를 표면에 물리적으로 코팅함으로써 생리활성 물질의 상온 안정성 및 식립 후 효율적인 방출효과에는 많은 제약이 있다.
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 있다. 뼈 및 연골 재생 분야에선 다공성 소재용으로는 Osteo Biologics Inc.에서 Immix를 개발해 연골재생으로 FDA허가를 진행 중에 있다. 그러나 생리활성 물질의 담지체가 고분자재료로 높은 하중의 지지가 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(Bulk) 소재에 경사 임베딩 시킴에 따라 적은 양의 생리활성 물질을 생체 내에 장기간 방출시켜 빠른 생체재생 능력을 유도할 수 있는 임플란트 소재에 관한 기초 연구가 국내 연구진에 의해 진행 중이다.
인체 친화적 금속 생체소재 개발 필요
◇ 흡수성 금속소재 기술개발동향
생체 흡수성 활성금속의 하나인 마그네슘(Mg)에 대한 연구는 1930년대 초에 시작됐으나 당시에는 Mg의 정련기술이 부족해 인체 내에서의 과도한 부식을 방지할 수 없었다. 2001년에 독일의 하노버 대학 연구진은 활성 Mg 합금의 생체 분해 특성에 착안해 Mg을 새로운 개념의 생체용 소재로 활용하기 위한 기초연구를 시작했다. 2003년도 전후에는 독일의 Biotronik사가 Mg합금 생분해성 스텐트 개발을 시작했고, 2005년을 전후로 한국·일본·중국이 연구에 참여하면서 생분해성 금속소재에 대한 본격적인 연구가 시작됐다.
2007년 독일 Biotronik 사에서 ‘Progress-AMS’라는 마그네슘 합금 관상동맥 스텐트 임상시험을 완료했으나 재협착(restenosis)률이 높아 이를 해결하기 위한 연구가 진행 중이다.
2000년대 초반부터 현재까지는 주로 유럽과 미국의 스텐트 회사를 중심으로 생분해성 스텐트 연구가 주로 진행됐으며, 최근에는 정형외과용 임플란트 소재 개발로 범위가 확장되고 있다.
■ 생체 금속소재 기술개발의 핵심 이슈
◇ 고강도 소재의 저영률화
대부분의 금속재료는 인체 뼈의 탄성계수인 약 17GPa에 비해 매우 높다. 이와 같은 고영률 금속소재를 이용해 임플란트를 제조할 경우 외부 응력이 임플란트에 집중돼 주변 골조직으로는 응력 부담이 제대로 되지 않는 응력차폐 현상이 발생한다. 이러한 현상에 의해 일부 시술 환자에게서 골 소실이 발생하는 문제점이 나타나고 있다.
일반적으로 금속소재는 영률이 저하되면 기계적 강도도 동시에 저하되는 경향이 있다. 따라서 고강도 소재의 저영률화 기술 개발의 핵심은 강도 저하 없이 영률을 40∼50GPa 수준으로 낮추는 것이다.
◇ 고연신 생체 흡수성 소재 개발
체내에서 흡수되는 생체적합성 금속소재로는 Mg 및 Mg 합금이 대표적이다. Mg합금은 분해 시 국부적으로 주변의 pH를 상승시키고, 합금 구성 원소의 이온 농도를 증가시키게 된다. 아울러 수소 가스 발생을 피할 수 없다.
대부분의 흡수성 금속소재 연구는 과도한 수소발생 방지, 최소한도의 기계적 강도 유지 시간 확보, 응력 부담능력 확보를 위해 고강도 내식성 Mg합금을 개발하는 데 초점을 맞추고 있다. 현재까지 진행된 생체용 Mg합금은 알루미늄(Al) 등 알츠하이머병 유발 의심 원소를 포함하거나 인체 적합성이 검증되지 않은 가도리늄(Gd), 이트륨(Y) 등의 희토류 금속을 포함하고 있다.
최근에는 인체 구성 원소를 주 구성 원소로 하는 생체적합성 합금이 KIST에서 개발됐으나, 연신율이 산업용 Mg합금 수준에 미치지 못해 이를 해결하기 위한 연구가 진행되고 있다.
◇ 생체기능성 소재 개발
골조직의 활성도가 낮은 노인 환자, 선천적으로 골밀도가 낮은 환자 또는 급속한 치료 효과가 필요한 환자의 치료를 위해 금속소재에 생체활성 물질을 결합한 생체기능성 소재가 필요하다.
그러나 생체활성 물질은 가격이 비싸고 방출 기간이 짧아 생체활성 기능 유지 시간이 한정되는 문제가 있다. 따라서 생체 활성 물질의 균일 담지, 장기간 방출을 위한 담지체 구조 설계, 표면처리 방법 등이 연구돼야 한다.
◇ 내마모·저마찰 소재 개발
한편, 인공관절의 마멸부는 ‘금속 on 금속’, ‘세라믹 on 세라믹’, ‘금속 on 고분자’등 다양한 소재 조합으로 구성된다. 현재 사용 중인 인공관절 마멸부의 양쪽 또는 한쪽은 저마찰 내마모성 CoCr합금으로 이루어져 있다. 그러나 종종 마멸부의 또 다른 상대재인 고분자의 미세한 마모조각(Debris) 또는 용출 이온에 의해 주변 조직이 괴사하는 경우가 생기고 있다. 인간 수명 연장에 의해 장기적으로는 인공관절의 수명이 더욱 길어져야 하는 의료 분야의 요구가 있다. 따라서 마모속도를 더욱 낮춘 내마모성 저마찰 금속소재 개발이 필요하다.
한편, 단기적으로는 주조성을 개선하기 위해 소량 첨가되는 Ni이 제거된 생체 적합성 CoCr합금 개발이 필요하다.
