▲ 직접기록 리소그래피로 제작한 나노격자, 나노기둥, 나노기공의 모식도와 전자현미경 이미지.

위에서 말한 생체 적합성의 정의는 포괄적인 의미에서의 정의이다. 예를 들어, 생체 대체용 소재를 인체에 삽입했을 때, 부작용 없이 소재의 기능을 수행할 수 있는 특성을 말한다. 따라서 생체 대체용 소재의 활용 목적에 따라 나노구조를 다르게 활용하여야 한다.

골 이식 소재의 경우 골계세포의 부착을 유도하여 골융합 및 골형성을 촉진시킬 수 있어야 한다. 반면, 혈관 내 삽입 소재의 경우 혈액세포 특히 혈소판이 재료 표면에 부착하게 되면 혈액 응고 반응이 일어날 수 있다. 또한 혈관 스텐트를 삽입하여 혈관확장시술 시 평활근세포가 스텐트 내부에서 증식하게 된다면 혈관 재협착을 유도하게 되기 때문에 세포의 부착을 비활성화 시키는 표면개질이 필요하다.

나노구조를 만들기 위한 방법은 나노입자를 코팅하거나 화학적 식각을 통하여 표면조도를 개질하는 방법과 초정밀 미세가공기술을 이용하여 나노구조의 표면형상을 개질하는 방법으로 구분할 수 있다. 임플란트의 골접합부 소재로 기계적 특성과 생체 적합성이 우수한 티타늄과 티타늄 합금을 주로 사용하는데, 이러한 소재 역시 세라믹 소재나 골유사 소재에 비해 생체 적합성이 상대적으로 낮고, 생체활성이 낮아 골유착이 잘 되지 않는 단점이 있다. 이에 생체 적합성이 우수한 재료를 소재 표면에 코팅하여 생체활성을 높이는 동시에 표면조도를 개질하여 골접합 영역을 증가시키는 방법이 쓰이고 있다.

대표적인 생체 적합성 소재로 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite)가 사용되고 있으며, 금속 모재에 코팅하기 위하여 플라즈마 용사(plasma spray), 졸겔(sol-gel)법, 스퍼터링(sputtering), 펄스레이저디파지션(pulsed laser deposition) 등 다양한 증착 기술이 사용되고 있다. 코팅에 의한 방법은 넓은 영역에 쉽게 적용이 가능하고, 재료의 형상에 구애받지 않는 장점을 가지고 있지만, 나노구조 및 패턴의 형상이 제한된다는 단점이 있다.

나노구조의 크기, 형상 및 패턴 제어가 가능한 초정밀 미세가공으로 나노구조의 표면형상을 제어하는 리소그래피(lithography) 방법이 있다. 리소그래피 기술은 보통 반도체 공정에서 미세 패턴을 제작하기 위해서 주로 사용된다. 일반적으로 가장 많이 사용되는 포토리소그래피(photolithography) 기법은 자외선(UV) 광소스와 패턴이 그려진 마스크를 이용하여 마이크로미터 크기의 패턴 제작에 주로 이용된다. 그러나 광물리학적인 특성으로 인하여 2㎛ 미만의 정밀한 구조를 만드는 데에는 제약이 따르며 나노구조를 만들기 위해서는 특수한 기법들이 사용된다.

나노구조 가공을 위해서는 전자빔 리소그래피(e-beam lithography), 스캐닝 프루브 리소그래피(scanning probe lithography), 레이저 어블레이션 리소그래피(laser ablation lithography) 등이 사용된다. 이들은 소재 위에 선택적으로 전자빔, 레이저 등을 조사하는 것으로, 마스크가 필요없는 직접 기록 리소그래피 공정들이다. 전자빔 리소그래피와 스캐닝 프루브 리소그래피는 약 20nm 정도의 아주 정밀한 구조 제작이 가능하지만, 제작 시간이 길고 넓은 영역에 적용하기가 어려우며, 작업 비용을 상당히 많이 요구한다. 레이저를 이용한 나노가공은 위 공정에 비하여 정밀도는 떨어지지만, 상대적으로 가공 비용과 시간이 적고, 진공과 같은 특수한 가공 환경을 요구하지 않는 장점을 가지고 있다.

가공 시간 및 비용 문제를 해결하기 위한 방법으로 콜로이달 리소그래피(colloidal lithography)와 블록공중합체 리소그래피(block copolymer lithography)와 같은 네추럴 리소그래피(natural lithography) 기법이 있다. 이 기법들은 응용력이 뛰어나고 사용하기에 쉬우면서 공정 비용이 저렴한 패터닝 기술로 넓은 영역의 공정에 유리하여 나노구조 표면을 만드는데 중요한 부분을 차지한다. 하지만, 패턴의 형상을 사각․육각 배열 등 규칙적인 배열 밖에 만들지 못한다는 단점을 가지고 있다. 이와 같은 리소그래피 기법을 이용하여 나노격자·나노기둥·나노기공과 같은 구조의 패턴을 만들 수 있다.

▲ 생체 적합성 나노구조 표면개질 기술 분류.

■ 환경변화

◇ 생체재료 패러다임 전환

생체재료의 개발 초기에는 질병 또는 손상된 조직을 치유하기 위한 목적으로 연구가 이루어졌다. 당시에는 환자의 생체 이식 부위에 적합한 물리적 특성을 가지고 조직을 대신할 수 있는 재료를 개발하는 것이 주된 이슈였다. 과학기술이 발전하면서 생체활성 기능을 하거나 생분해 특성을 가지는 생체재료가 개발되었다. 2000년대 이후 분자 단위에서 세포의 부착 및 거동을 조절하고 조직 재생을 도와 상처 치유 기능을 개선하는 기능을 가진 생체재료에 대한 연구가 시작되었다.

인공 소재가 생체 내에 삽입되면 조직과 생체재료간의 상호 작용이 일어난다. 이때, 세포가 재료 표면에 접촉하여 환경의 변화가 일어나며 생물학적 반응을 결정하게 된다. 재료 표면의 화학적 특성과 물리적인 나노구조에 의해 세포 및 조직에 영향을 주게 된다. 특히, 세포의 초점접착역(focal adhesion)이 50~200nm 정도의 크기이기 때문에 나노구조 패턴을 이용하여 세포를 제어하는 방법에 대한 연구가 최근 활성화 되는 추세이다.

◇ 나노측정기술과 나노가공기술의 발전

나노구조에 의한 표면 개질은 화학적인 방법에 비해 상대적으로 공정이 단순하고, 한번의 공정으로 장기간 세포 및 조직에 동일한 자극을 지속적으로 줄 수 있다. 최근 화학물질 없이 나노구조만으로 줄기세포의 분화에 영향을 줄 수 있다는 논문 발표와 더불어 나노구조 표면개질에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 나노구조 표면개질에 대한 관심이 커진 데에는 나노측정기술과 나노가공기술의 발전이 큰 역할을 했다. 나노측정기술의 발전으로 세포 및 세포외기질의 정밀한 이미지를 얻을 수 있었고, 생체는 다양한 나노 크기의 구조물로 이루어져 있음을 알게 되었다. 더불어 반도체 산업의 발전과 함께 다양한 나노가공기술이 발전하였고, 생체를 모사하는 나노구조 가공이 가능해졌다.

◇ 의료용 장비 적용 및 상용화 난제

최근 나노구조 표면개질을 이용한 생체 적합성 관련 연구에 대한 관심이 높아져 많은 논문이 발표되고 있다. 그러나 그 기술이 상용화되어 의료용 장치에 쓰이거나 의료현장에 적용되는 경우는 많지 않다. 나노코팅의 경우 생체 실험에도 수행되지만, 리소그래피를 이용한 나노구조 관련 연구의 경우 생체 실험보다는 실험실에서 세포 배양으로 그 영향을 테스트한 결과가 더 많다.

지금까지의 나노가공기술은 반도체 공정을 위한 기술로서 발전해 왔기 때문에 주로 2차원인 실리콘 웨이퍼의 나노구조를 제작하는데 유리했다. 그러나 치료용 생체재료는 실리콘 웨이퍼와는 특성이 다르며, 3차원 표면형상을 가지는 경우도 많다. 따라서 나노구조 표면개질이 의료용 장치에 상용화되기 위해서는 나노가공기술에 대한 연구가 더 필요하다.

■ 기술의 중요성

재료의 표면에 나노구조 패턴을 가공하여 여러 가지 특성을 가진 표면을 제작할 수 있다는 논문 발표가 이어지고 있다. 주목받고 있는 표면 기능은 다음과 같다.

• 세포가 붙지 않는 표면
• 성체줄기세포의 분화조절인자 없이 골계세포로의 분화를 유도하는 표면
• 성체줄기세포의 세포원성(stemness)를 유지하며 세포증식을 유도하는 표면 등

세포의 기능을 조절하고자 하는 과학자들 사이에서 나노구조 표면개질을 이용하는 방법이 최근 각광을 받고 있다. 기존에는 약물을 탑재해 재료의 생체 적합성을 조절했다. 이와 달리 나노구조를 이용하게 되면 불필요한 공정을 줄일 수 있고, 새로운 외부 물질에 의한 생체의 부작용 등을 최소화할 수 있다.

하지만, 나노구조를 이용한 표면개질을 조직의 수복 및 치료용으로 활용하는데 대한 연구결과는 아직 부족하다. 나노구조 표면개질을 통해 생체재료의 생체 적합성을 조절하기 위해서는 새로운 나노공정기술의 개발, 생체 적합성 물질의 개발, 세포 연구 및 생체 실험 등 다양한 분야의 융합 연구를 필요로 한다.

■ 기술분야별 동향

◇ 표면조도개질

○ 임플란트 표면거칠기와 생체 적합성

티타늄은 우수한 기계적 특성과 부식저항성, 생체 불활성(bioinert)을 갖고 있기 때문에 골접합 임플란트로 주로 사용된다. 티타늄의 생체 활성이 낮으므로 표면의 생체 활성도를 증진하는 방향으로 다양한 방법이 시도되고 있다. 특허청 생명공학심사과에 따르면 치과용 임플란트 표면처리 기술에 관한 특허출원은 2001년 처음으로 4건이 출시된 이후, 2010년까지 모두 90여 건이 특허 출원되었으며, 2011년에 모두 26건의 특허가 등록되었다. 특히, 생체 적합성을 높이려는 임플란트 특허가 상당수를 차지하고 있다.

생체 적합성 및 생체 활성도를 높이기 위한 방법으로 티타늄의 표면 거칠기를 조절하는 방법이 주로 사용된다. 10㎛ 미만 수준의 표면 거칠기는 조골세포의 부착과 분화를 촉진시키고, 세포외기질의 형성과 광화를 촉진시켜 골융합 반응을 활성화시키는 것으로 알려져 있다. 또한 거친 표면은 골과 임플란트 표면 사이의 결합력을 증대시키는 역할도 한다.

임플란트 표면에 마이크로수준의 거칠기를 주는 방법으로 티타늄 플라즈마 용사, 세라믹 입자 블라스팅, 화학적 식각(etching), 양극 산화법 등이 이용된다. 가장 보편적으로 사용되는 기법은 세라믹 입자 블라스팅 기법으로 알루미나 입자를 센 압력으로 불어서 임플란트 몸체를 깎은 뒤 산으로 식각 처리를 하는 것이다. 다양한 크기의 거칠기를 구현할 수 있는 장점이 있으나 알루미나 입자가 임플란트 표면에 남아서 골융합을 방해할 가능성이 있고 강한 산을 사용하여 표면 거칠기의 불균일성을 초래할 수 있는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 최근에는 RBM(Resorbable Blast Media) 방법이 주로 사용되며, 하이드록시아파타이트와 같은 골전도성 특성이 있는 입자를 이용하여 블라스팅하는 방법이 개발되고 있다.

▲ 티타늄 임플란트 표면조도 개질(자료 : 대한치과의사협회지, 2010).

○ 나노크기의 표면조도

최근 나노구조가 단백질 흡착 및 세포의 부착에 영향을 주는 것이 알려지면서 임플란트 표면도 나노미터 수준에서 표면 거칠기를 조절하려는 시도를 하고 있다. 대표적인 방법으로는 TiO2 블라스팅 처리 후 플루오르화 수소산 처리, 졸-겔 코팅, 이온빔보조증착(ion beam-assisted depostion)을 이용한 나노입자 코팅, 전기화학적 방법에 의한 티타늄 나노튜브제조 등의 방법이 있다. 그러나 나노 거칠기의 균일성 및 재현성 문제가 남아 있어서 추가 연구가 필요한 실정이다.

◇ 표면형상개질

○ 직접기록 리소그래피 기술

미세공정에서 가장 많이 사용되는 포토리소그래피 공정은 모재 위에 감광 성질이 있는 포토레지스트(photoresist)를 얇게 바른 후, 원하는 패턴이 그려진 필름 혹은 금속 마스크를 올려놓고 빛(UV)를 가하여 사진을 찍는 것과 같은 방법으로 패턴을 형성하는 방식이다. 이때, 빛을 이용하기 때문에 마스크를 지날 때 발생하는 빛의 회절현상에 의해 제작 가능한 패턴 크기에 제약이 따른다. 따라서 마이크로미터 미만의 크기의 패턴을 만들기 위해서는 직접기록 리소그래피를 주로 이용하고 있다. 나노구조를 만들기 위한 대표적인 방법은 전자빔 리소그래피와 스캐닝 프루브 리소그래피이며 최근에 레이저를 이용한 나노 공정 기술도 개발되고 있다.

• 전자빔 리소그래피

전자빔 리소그래피 기술은 전자선 감광제를 도포한 시료면에 전자빔을 조사하여 감광제재를 구성하는 고분자를 결합 또는 절단하고 시료 면상에 감광제 패턴을 형성하는 기술이다. 패턴의 해상한계가 빛을 이용하는 경우에는 빛의 파장에 의해 결정되지만, 전자빔의 경우에는 빔의 파장이 아주 작기 때문에(약 10만분의 1) 렌즈와 편향계의 수차로 결정된다. 최소 10nm의 분해능을 가지지만, 생산성과 렌즈의 균형 때문에 보통 100nm 정도의 해상도를 가지는 장비들이 주로 사용된다.

전자빔 리소그래피는 현재 사용가능한 나노공정기술 중 정밀도 및 신뢰도 측면에서 가장 확실한 방법이다. 전자빔 리소그래피는 재료 표면의 전하 특성을 바꿀 수 있고, 고분자 어블레이션이 가능하다. 또한, 생체 재료에 적용하여 화학적으로 기능화된 표면개질·나노구조 표면개질·감광제를 이용한 모재 개질 등이 가능하다. 하지만, 전자빔 리소그래피는 초고진공 상태에서 공정이 이루어지며, 가공 비용이 비싸다는 단점이 있다. 따라서, 현재는 패턴을 복제하는 방식인 나노임프린팅(nanoimprinting)을 위한 마스터 또는 스템프 제작에 전자빔 리소그래피가 주로 활용되고 있다.

▲ 전자빔 리소그래피 경통부 형상(좌), 딥펜(Dip-pen) 리소그래피(자료 : LEO사, Gemini Column(좌), Lawrence Livermore National Lab.).

• 스캐닝 프루브 리소그래피

스캐닝 프루브 리소그래피 기술은 기계적인 패턴 방식과, 딥펜(dip-pen) 방식으로 나눌 수 있다. 기계적인 패턴 방식은 탐침형 원자 현미경(scanning probe microscope)에 사용되는 나노스케일 반경의 미세탐침에 힘을 가하여 직접 시료의 표면형상을 변형시키는 방식이다. 딥펜 리소그래피는 탐침을 펜처럼 사용하여 원하는 물질의 패턴을 소재 위에 직접 쓰는 방식이 있다.

딥펜 리소그래피는 1999년 미국 Northwestern 대학교의 Chad A. Mirkin 교수 그룹이 발명했다. 10nm 미만의 직경을 가지는 미세탐침을 이용하면 10nm 미만의 좁은 선폭의 패턴을 그리는 것이 가능하다. 탐침을 펜처럼 사용하고 패턴을 제작하고자 하는 물질을 잉크처럼 사용하기 때문에 사용하는 물질의 제약이 거의 없다. 특히 기능성 유기분자나 생체분자의 기능을 손상시키지 않고 직접 패터닝할 수 있는 장점이 있다.

딥펜 리소그래피는 탐침형 원자 현미경을 이용하여 가공할 수 있기 때문에 전자빔 리소그래피에 비해서 가격이 저렴하고 공정 방법이 쉽다. 또한 패턴을 제작한 후 바로 탐침형 원자 현미경을 이용하여 패턴의 형성 여부를 확인할 수 있는 등 다양한 장점을 갖는다. 반면, 탐침이 패터닝할 수 있는 전체 영역의 넓이가 다른 공정 기법들에 비해서 좁다는 단점을 가지고 있다.

• 레이저 어블레이션 리소그래피

펄스 레이저 어블레이션(pulsed laser ablation)을 이용하는 패터닝 공정은 위 두가지 방법에 비해서 상대적으로 빠른 공정 속도, 비교적 저렴한 비용, 특수한 공정 환경이 필요하지 않다는 장점을 가지고 있다. 하지만 패턴의 크기가 상대적으로 크다는 단점이 있다. 기존에는 주로 마이크로미터 크기 이상의 패턴을 가공할 수 있었는데, 최근 펨토초(femtosecond) 레이저가 상용화되면서 수백 나노미터 스케일을 가지는 패턴 제작이 가능해졌다.

펨토초 레이저란 레이저 빔의 펄스폭이 10-15~10-12초 사이의 레이저를 의미한다. 펨토초 레이저는 아주 짧은 펄스폭으로 인하여 나노초(nanosecond) 혹은 연속파(continuous) 레이저와 비교하여 가공 시 열과 쇼크로 인한 시료의 손상을 최소화할 수 있다. 따라서 가공 시 발생하는 잔재물과 시료의 형상 변화가 적다.

또한 아주 짧은 펄스폭으로 인해 단일 펄스는 아주 높은 에너지 밀도를 갖게 된다. 이는 물질의 비선형 광학 특성 중 하나인 다광자 흡수(multiphoton absorption)를 유발하여, 선형 광 흡수가 거의 없는 투명한 물체에서도 레이저 빔의 흡수를 유발한다. 이에 레이저가 집속된 매우 국부적인 영역에서만 영구적인 손상을 가할 수 있다. 이때 해당 영역은 실제 레이저 빔의 직경보다도 작기 때문에 나노미터 스케일의 패터닝이 가능하며, 레이저 빔이 집속된 부분에서만 나타나는 현상이기 때문에 3차원 패터닝 또한 가능하다.

▲ 펨토초 레이저를 이용한 패터닝 방법.

○ 내추럴 리소그래피

직접기록 리소그래피 기술은 사용자가 원하는 패턴을 자유자재로 만들 수 있지만, 시리얼(serial) 공정 기법이기 때문에 넓은 영역을 가공하기 위해서는 공정 시간이 오래 걸리고, 비용이 많이 드는 단점이 있다. 반면에, 콜로이드 혹은 블록공중합체의 자기조립을 이용하는 리소그래피 공정은 패턴 디자인의 다양성을 포기하는 대신 저렴한 비용으로 넓은 영역에 나노스케일의 패턴을 제작할 수 있다.

자기조립은 원자간 공유결합 혹은 분자 상호인력에 의하여 자발적으로 나노구조를 형성하여 이들이 새로운 물성을 발휘하는 현상이다. 이 현상을 이용하여 마이크로/나노 크기 입자의 규칙적인 패턴을 만들어 구조를 형성하거나, 식각 공정과 접목하여 모재의 표면 형상을 변형시킬 수도 있다.

콜로이드의 자가조립을 이용한 나노구조 패터닝 기술은 공정의 편리성으로 인하여 많은 과학자들이 이 기술을 이용하여 나노구조 혹은 나노 크기의 세포접착분자와 세포와의 연관성에 관한 연구, 바이오 센서 및 물질 분리에 관한 연구 등에 활용하고 있다. 하지만, 산업 현장에서 사용하기에는 아직 해결해야 할 문제점이 많이 존재하고 있다.

▲ 자가조립된 콜로이드의 주사전자현미경 이미지(좌), 콜로이드 단층을 이용한 삼각형 나노구조패턴 결과의 원자간력 현미경(AFM)이미지(자료 : Taubert et al., New Journal of Physics, 2007).

■ 기술개발 주요이슈

◇ 나노 코팅의 단점 극복

플라즈마 용사법을 이용하여 하이드록시아파타이트를 코팅하면 플라즈마의 고온에 노출되었다가 급격히 냉각된 비정질 구조를 갖게 된다. 따라서, 체내에서 분해속도가 빨라지며 계면에서 코팅층이 탈락(intra-interfacial failure)하는 문제가 발생한다. 플라즈마 용사된 하이드록시아파타이트 층은 코팅층의 밀도가 비교적 낮고 모재와의 결합력이 좋지 않으며 수백 마이크로미터에 달하는 두꺼운 코팅 때문에 임플란트 시술 도중 파괴 및 탈락하는 경우가 발생한다. 따라서 코팅 두께를 낮추고 모재와의 결합력을 높이기 위한 새로운 코팅 방법을 찾고 있다. 한 예로 모재와 하이드록시아파타이트의 열팽창계수 및 기계적 물성차로 인한 코팅층 파괴를 막기 위해 모재와 물성이 비슷한 금속재료와 하이드록시아파타이트를 혼합하여 계면으로부터 표면까지 그 조성이 완만하게 변화하는 경사코팅을 들 수 있다.

◇ 리소그래피 공정의 실용화

직접기록 리소그래피를 이용하여 나노구조 패터닝을 하는 기술은 상당한 수준에 올라섰다. 그동안 리소그래피를 이용한 패터닝에 적합한 재료를 사용하여 가공 정밀도를 높이는 연구가 주를 이루었다. 가공한 시료를 이용하여 세포 및 조직과의 연관성을 확인하는 것은 실험실 세포 배양 조건에서 대부분 진행되었다. 초기에는 실리콘 웨이퍼 등 반도체 나노가공을 위한 재료를 이용하여 실험을 하였다. 최근에는 생체 대체용으로 쓰이는 임플란트 소재를 이용하여 나노구조와 생체간의 연관성을 연구하고 있다.

하지만 공정 조건의 제약으로 인해 인체 조직의 수복 및 치료용으로 사용되는 대체 소재에 나노구조 표면 가공을 하는 데에는 많은 어려움이 따른다. 대부분의 생체 대체 재료는 3차원 형태이기 때문에 현재의 2차원 웨이퍼에 최적화되어 있는 공정 기술로는 나노 가공이 힘들다. 내추럴 리소그래피를 이용한 공정이 3차원 표면에 적용되고 있으나 패턴의 단조로움으로 인해 응용 분야에 제약이 따른다. 따라서 3차원 형태의 임플란트 소재에 적용 가능한 나노 공정 기술 개발이 시급하다.

◇ 직접기록 리소그래피 공정의 효율 개선

직접기록 리소그래피를 이용하면 구조의 크기 및 형상, 패턴 모양 제어가 쉽다. 하지만, 시리얼(serial) 직접 가공이기 때문에 가공 시간이 오래 걸리고, 가공비용이 증가할 수 밖에 없다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 여러 개의 탐침을 병렬 연결하는 방법, 다중전자빔을 사용하는 프로젝션 형태의 리소그래피 방법이 개발되고 있다. 레이저 가공의 경우 마이크로렌즈 어레이를 이용하는 방법이 개발되고 있다.

美·日·유럽, 표면개질 기술·소재 ‘선도’ 중

韓, 고부가 ‘의료기기·생체재료’ 수입 의존도↑

■ 해외 동향

◇ 미국

○ 연구개발 현황

미국은 의료기기 시장 규모면에서 전세계의 약 40%를 차지하는 의료분야 강대국이다. 미국 내 의료기기 관련 기업도 많고, 정부의 연구 지원액의 규모도 상당하여 대학 및 연구기관에서 선도적인 연구를 수행하고 있다.

기초연구 분야에서는 하버드 대학교의 D. Ingber 그룹이 공학·물리학·생물학 다양한 관점에서 세포와 나노구조형상과의 연계성에 대해 연구를 진행하고 있다. MIT의 R. Langer 그룹 또한 마이크로, 나노구조 표면형상을 이용하여 세포의 기능을 조절하는 연구 분야에서 선두 그룹이라 할 수 있다. 위스콘신 메디슨 대학교의 P. Nealey 그룹은 초정밀 미세가공기법을 이용하여 생체를 모사하는 나노구조형상을 만들고 세포와의 연관성을 연구하고 있다.

소재기술 분야에서는 미국국립표준기술원(NIST)의 G. Simmon 그룹에서 뼈대체 생체소재로 나노 실리카와 휘스커(whisker)를 분산시킨 고강도 및 생체 활성 복합체 개발을 추진하고 있다. 펜실베니아 주립대학교에서는 투광성 하이드록시아파타이트를 이용하여 육방정 프리즘 형태의 분말을 얻어내는데 성공했다. 캐나다 브리티시 콜롬비아 대학교의 D.M. Brunette 그룹에서는 다년간 표면형상을 이용해 세포의 거동을 제어하고, 그 결과를 치과용 임플란트에 적용하는 연구를 수행하고 있다.

의료기기회사인 Biomet은 산 식각을 이용하여 임플란트 표면의 거칠기를 조절하고 표면적을 넓히는 방법을 제품에 적용하고 있다. Astra사는 블라스팅 기법을 임플란트 표면에 적용하여 제품을 생산하고 있다.

○ 선도 기관

▲ 생체 적합성 나노구조 표면개질 - 미국의 선도 기관.

◇ 유럽

○ 연구개발 현황

1952년 스웨덴의 Branemark 교수가 나사산 가공을 한 티타늄 임플란트를 최초로 개발하였으며, 임플란트와 골 간의 융합을 처음 발견하여 골융합(osseointegration)이라는 용어를 사용하기 시작하였다. 이후 Nobel Biocare사를 설립하여 치과용 임플란트 기술을 선도하고 있다. 스위스의 Straumann사는 Nobel Biocare에 이어 세계 시장 점유율 2위의 기업이다. Straumann사는 블라스팅 및 산 식각을 이용하여 표면조도를 개질한 제품을 생산하고 있다. 독일의 Ceram Tech사는 Al2O3-ZrO2 복합제를 개발하여 고관절 골두 재료로 활용하기 위한 임상 실험을 하고 있다.

나노공정의 활용연구 분야에서는 영국 글래스고 대학교의 C.D.W. Wilkinson, A.S.G. Curtis, M.J, Dalby 그룹이 유명하다. 이 그룹에서는 전자빔 리소그래피, 콜로이달 리소그래피 등 다양한 초정밀 미세가공기법을 활용하여 나노구조 형상을 만들고 세포의 부착·증식·분화 등의 기능을 조절하는 연구를 진행 중이다.

○ 선도 기관

▲ 생체 적합성 나노구조 표면개질 – 유럽의 선도 기관.

◇ 일본

○ 연구개발 현황

일본은 미국에 이어 세계 의료기기 시장에서 두 번째로 큰 규모의 시장으로 재생의료용 재료 가공 기술에 있어서는 미국와 유럽에 버금가는 기술 수준을 보유하고 있다. 2005년 이후 도쿄의과치과대학(Tokyo Medical and Dental University)의 Hanawa 그룹에서는 티타늄 합금 임플란트 표면에 쌍성이온인 poly(ethylene glycol)(NH2-PEG-COON)을 고정화시켜 골형성을 촉진하는 생체분자 고정화에 대한 연구를 하고 있다. 동북대학(Tohoko Univ.)의 Narushima 그룹에서는 티타늄 임플란트 표면에 물리증착법(physical vapor deposition)을 이용하여 하이드록시아파타이트와 인산삼칼슘(tricalcium phosphate)을 수 마이크로미터 이하로 코팅하여 금속기질과 코팅층 사이의 밀착력을 높이고 골전도가 뛰어난 표면개질에 성공했다. 최근 오사카 대학(Osaka Univ.)의 Nakano 그룹에서는 티타늄 단결정의 미끄러짐(slip) 현상을 이용하여 특정방향으로 나노구조를 형성하고, 조골세포의 세포형상과 이동방향을 제어하는데 성공하였다. 또한, 일본 물질재료연구기구(NIMS)의 Tanaka 그룹에서는 천연뼈와 같은 하이드록시아파타이트/콜라겐 나노 복합재료를 개발하고 있다.

○ 선도 기관

▲ 생체 적합성 나노구조 표면개질 – 일본의 선도 기관.

◇ 국내 동향

○ 연구개발 현황

현재 국내 의료산업의 기술 수준은 낮은편으로, 주로 중소업체에서 부가가치가 작은 의료기기와 치료용품을 개발·생산하고 있다. 생체 적합성 나노구조 표면개질 기술은 연구소와 대학 중심으로 활발하게 연구되고 있으며 일부 기업이 치과용 임플란트 표면개질에 관하여 연구하고 있다.

한국과학기술연구원(KIST) 생체재료연구단과 계산과학연구단의 연구진은 고분자 코팅을 이용한 혈액적합성 재료와 다이아몬드상 카본필름을 이용한 생체재료 기능성 코팅 기술을 개발하였다. 광주과기원 신소재공학부에서는 플라즈마 코팅기술 및 인공생체막을 이용한 생체 적합성 코팅 기술을 개발하였다. 서울대학교 치과대학원에서는 생체활성 증진 뼈 대체재를 개발하였으며, 서울대학교와 포항공과대학 기계공학과에서는 초정밀 미세가공기법을 이용하여 미세구조 표면형상 패턴을 만들고 세포의 부착, 거동, 분화를 연구하였다.

정부의 연구지원과 관련하여 ‘지능형 생체계면공학 연구센터’는 교육과학기술부로부터 2000년부터 2009년까지 9년 동안 매년 약 10억원의 연구개발비를 지원받았다. 이 과정에서 치료용 약물전달시스템, 조직재생 유도소재 펩타이드 공학 기술 등을 상용화하였으며, 2004년 ㈜나이벡이 설립되었다. 또한, 생체재료의 나노구조 표면개질을 포함하여 나노소재기술 선진강국을 실현하기 위하여 2002년부터 2012년까지 ‘나노소재기술개발사업단’이 설립되어 운영되었다.

○ 선도 기관

▲ 생체 적합성 나노구조 표면개질 - 국내의 선도 기관.

■ 기술경쟁력분석

국내 미세가공 기술의 기술수준은 반도체 및 메모리 등 전자산업의 발전에 힘입어 세계적인 수준에 도달해 있다. 다만, 의료기기산업 전반에 걸쳐 산업화가 더디게 진행되고 있다. 대부분의 고부가가치 의료기기 및 생체재료는 주로 수입에 의존하고 있는 실정이며, 의공학 분야 연구 또한 해외 연구소나 대학에 비해 뒤늦게 관심을 가지게 되었다. 하지만, 탄탄한 나노기술을 바탕으로 새로운 미세공정기술과 임플란트 표면 적용 기술의 개발에 지속적인 연구와 투자가 산학연 합동으로 이루어진다면 세계적인 기술 수준과의 격차를 단시간 내에 좁힐 수 있을 것으로 예상된다.

▲ 생체 적합성 나노구조 표면개질–기술격차 및 기술수준.

2010년 글로벌 의료산업 韓 점유율, 14위

韓, 학·연·병원 공동 연구 개발 必

■ 산업 및 시장 동향

◇ 산업동향

21세기의 핵심 키워드인 장수 및 삶의 질 증진에 바탕이 되는 보건산업·제약산업·의료산업이 최근 활성화되고 있다. 특히, 의료산업 내에서도 생체 삽입 임플란트 소재시장이 MRI·CT 등 고부가 의료장비 산업에 비해 그 규모가 작지 않은 편이며, 매년 시장 규모가 증가하고 있다. 그러나 의료산업의 세계 시장 점유율은 미미한 실정이다. 2010년 기준 세계의료산업에서 미국의 점유율이 39%, 일본이 11.3%로 1, 2위를 차지했으며, 중국이 3.0%로 7위, 우리나라는 1.3%로 14위에 그치고 있다. 의료산업 분야 중에서도 진단영상기기, 대체용 임플란트, 심혈관용 생체재료 등 고부가가치 산업을 집중 육성할 필요가 있다.

▲ 산업 분야별 시장 규모 및 국내 기업 시장 점유율(자료 : 지식경제부, 'WPM 바이오메디컬 소재 기획보고서', 2010).

의료산업 내에서 생체 적합성 나노구조를 이용하여 표면개질을 적용할 수 있는 분야는 치아, 골질환 치료용 임플란트와 스텐트가 대표적이다. 임플란트 표면개질을 위하여 모재의 표면조도를 개질하는 방법과 생체적합성 소재를 코팅하는 기술들은 이미 사용되고 있다. 그러나 나노가공을 이용하여 표면을 개질하는 기술은 연구단계에 머무르고 있다. 스텐트의 경우 고분자 코팅 등의 방법을 사용하여 약물을 탑재하는 제품은 있지만, 상용화 제품에 나노구조 가공을 적용한 예는 아직 없다.

▲ 국내외 생체 대체용 임플란트, 심혈관용 생체재료, 주요 기업의 생산활동.

◇ 시장규모 및 전망

세계 의료기기 시장은 2010년 2,584억달러로 추정된다. 국내 의료기기 시장은 2005~2010년 동안 연평균 9%의 고성장을 보였으며, 이는 국내 총생산(GDP) 성장률 6.2%에 비해 높은 수치이다. 국내 의료기기 시장의 규모는 2010년 매출액 기준 약 6조 8천억원 수준이다. 정부는 ‘의료기기산업육성방안’, 의료기기법 개정, FTA 대응방안 등을 추진하여 미래성장동력으로서 의료기기 산업을 발전, 육성시키고자 노력하고 있다.

나노-바이오 융합기술은 현재 정형화되지 않은 상태로, 산업화에 이르지 못해 경제적인 효과가 미미하다. 그러나 최근 학계에서는 새로운 패러다임을 제시하고 있으며, 나노-바이오 융합기술의 무한한 가능성은 앞으로 새로운 개념의 제품, 새로운 산업의 원천기술을 확보하는데 이어져 우리나라의 고부가가치 산업을 이끌어갈 수 있는 중요한 기술로 자리매김할 것이다.

▲ 치과용 임플란트 세계시장 규모 전망(자료 : 한국보건산업진흥원, 치과용 임플란트 표면처리 기술의 시장분석, 2012).

■ 미래의 연구방향 및 제언

◇ 미래의 연구방향

지금까지 생체 적합성 나노구조 표면개질 기술은 임플란트 표면에 제한적으로 적용되었다. 주로 표면에 거칠기나 다공성 박막을 입히는 물리적 처리 방법, 생체 친화성을 높이고 골전도성을 향상시키기 위한 생화학적 처리 방법이 개발되었다. 이러한 기술을 적용한 치과용 티타늄 임플란트 제품은 현재 시판되고 있으며 성공적이라고 평가받고 있다.

최근 나노구조와 세포간의 연관성이 밝혀지면서 나노기술을 이용한 새로운 제품의 개발 가능성이 커지고 있다. 특히 골융합을 촉진시키고, 표피세포의 접근을 막으며, 환자 개개인의 질병에 맞추어 설계된 지능형 기능성 임플란트에 대한 연구로 확장할 수 있다. 지능형 임플란트를 개발하기 위해서는 표면 거칠기를 조절하는 표면개질의 수준을 넘어서야 한다. 현재까지 개발된 초정밀 미세가공기술을 임플란트 표면에 적용하여 표면조도와 함께 표면형상도 나노스케일에서 조절하기 위한 연구가 진행되어야 한다.

동시에 나노구조와 세포와의 연관성에 관한 연구도 진행되어야 한다. 많은 연구 결과들이 나오고 있지만, 새로운 나노구조나 크기에 따른 세포의 새로운 기능을 찾는 수준에 그치고 있다. 세포가 나노구조를 감지하고 새포내 신호를 전달하여 새로운 기능을 수행하는 정확한 메커니즘은 밝혀지지 않았다.

◇ 제언

의공학은 새로운 융합분야의 학문이다. 생체 적합성 나노구조 표면개질을 연구하기 위해서는 재료·기계·물리·화학·생물·의학 등 다양한 분야의 전문가의 공동 연구를 필요로 한다. 따라서 대학·연구소·병원 등이 긴밀하게 협력하여 연구개발을 진행해야 한다. 또한, 미래 고부가가치 산업의 하나인 의료기기 산업을 우리나라 핵심 산업 분야로 육성하기 위하여 정부의 규정 제정, 연구비 지원 등 차세대 성장산업으로 유도하기 위한 노력이 필요하다.