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신소재/부품 생체 재료(바이오 소재) 분야의 나노 기술/소재 개발동향

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2019-08-05 11:46:00
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○ 생체 조직이나 체액과 접하여 이용되는 재료의 연구 개발을 목적으로 하는 연구 영역임. 다른 일반적인 공업 재료와 마찬가지로 크게 무기재료(세라믹), 유기재료(고분자 재료)로 분류되어 각각 독립적인 형태로 연구 개발이 이루어졌음. 하지만 최근에는 의료가 고도화되고 복잡해짐에 따라 재료에 다양한 기능이 요구되게 되어 재료를 하이브리드화(化)하여 기능을 향상시키는 연구 개발이 주로 이루어지고 있음.

 

○ 의료용 재료 중에서도 살아있는 생체 조직과 접하여 사용되는 것은 생체 재료(바이오 소재)임. 수술 기구나 진단용 재료와 같이 짧은 시간 동안 생체 조직, 체액과 접하는 재료 그리고 체내에 매식(埋植)하여 장기간에 걸쳐 생체 조직과 접해 있는 상태에서 사용되는 재료가 있음. 최근에는 구조나 기능을 잃게 된 조직이나 장기를 대체하는 인공 장기, DDS(Drug Delivery System) 그리고 재생 의료 등의 선진 의학을 실현하기 위해 사용되는 재료에 관한 연구 개발이 진행되고 있음.

 

- 예를 들어, 인공 장기로는 실리콘이나 아크릴폴리머 소재의 안내(眼内) 렌즈(콘택트렌즈), 세그먼트화 폴리우레탄으로 된 인공 심장, 파이로라이트 카본(PYROLIGHT CARBON) 으로 된 인공 심장변, 고어텍스(연신(延伸) 폴리테트라 플루오로에틸렌)이나 데이크론(폴리에틸렌 테레프타레이트 섬유)으로 된 동맥계 인공 혈관, 초산 셀룰로오스, 폴리아크릴로나이트릴, 폴리메타크릴산메틸 등을 사용한 유공 섬유로 된 인공 신장(인공 투석), 폴리프로필렌을 사용한 다공성 유공 섬유로 된 인공 폐, 투과성 실리콘이나 아크릴산계 폴리머 등으로 만든 인공 유리체, 폴리에틸렌, 스테인레스, 티탄으로 된 인공 관절, 티탄이나 세라믹으로 된 인공 치근(임플란트) 등 지금까지 다양한 재료가 개발되어 실제로 사용되고 있음.

 

○ 위와 같은 인공장기를 통해 볼 수 있듯이 고분자 재료는 가볍고 유연하며 가공성이 뛰어나 광범위한 용도로 사용되고 있음. 강도, 내구성이 뛰어난 금속 재료나 세라믹은 주로 뼈나 치아 등에 사용됨.

 

○ 금속 재료는 강도와 유연성이 균형을 이루고 있어서 높은 파괴인성, 즉, 돌발적인 충격에 의한 물리적인 파괴에 대한 역학적 신뢰성이 뛰어나기 때문에, 인공 관절, 골절 고정재, 스텐트, 치과 임플란트, 교정용 와이어 등 생체 내에서 장기간 하중이 가해지는 경우에 기본적으로 사용됨.

- 또한, 고분자 재료나 세라믹 등으로 대체하기 힘든 경우에도 사용됨.

 

○ 원래 금속은 인체에 기본적으로 존재하는 것이 아니라서 생체 조직에서는 이를 이물질로서 인식하기 때문에, 처음 의료용 금속 재료를 개발할 때에는 오로지 ‘생체 반응을 저해하지 않을 것’이 요구되었음. 하지만 티탄이나 다양한 표면 처리법이 개발됨에 따라 생체 적합성이 크게 개선되어, 지금은 치료 과정에서 원하던 생체 반응을 가속시키는 기능을 가진 금속 재료가 만들어질 것으로 기대할 수 있게 되었음.

 

○ 고분자 재료와 하이브리드화 함으로써 고도의 기능을 가진 재료도 개발되고 있음. 최근에는 인공 고관절의 접합부에 해당하는 금속제의 골두부 표면에 세포막을 모방한 분자 구조를 가진 폴리머를 도입함으로써 관절 부분의 마모를 줄이고, 쉽게 느슨해지지 않는 수명이 긴 고기능성 인공 고관절이 개발ㆍ제품화되고 있음.

 

○ 세라믹을 사용한 바이오 소재는 주로 뼈나 치아의 대체 재료로서 개발이 진행됐음. 특히 뼈나 치아의 주성분인 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite, HA) 세라믹은 뼈에 대한 조직 친화력이 매우 높아, 오래전부터 인공 뼈로서 연구 개발되어 실용화되어 왔음.

 

○ 예전에는 세라믹 인공 뼈는 매식(埋植)하게 되면 콜라겐 섬유막으로 둘러싸여 뼈 섬유에서 격리되어 버리기 때문에 장기간 안정적으로 고정하기가 어려웠지만, 1970년에 미국의 Hench가 뼈와 강력하게 결합하는 유리를 발견하였고, 그 후 하이드록시아파타이트(Hydroxyapatite, HA) 소결체도 뼈와 결합된다는 사실이 보고됨으로써, 세라믹제 인공 뼈의 연구 개발이 성행하게 되었음.

 

○ 일본에서도 하이드록시아파타이트나 인산삼칼슘, 결정화유리를 사용하여 뼈와 결합하는 인공 재료의 개발이 진행ㆍ실용화됨. 단, 세라믹은 뼈 조직보다 영률이 높고 취성파괴를 일으킬 수 있어 이용할 수 있는 부위가 제한되기 때문에, 고분자 재료와 하이브리드화 한 재료를 연구 개발하고 있음.

 

- 예를 들어, 뼈와 결합하는 세라믹 분말과 고분자 재료를 하이브리드화 한 재료를 통한 뼈 회복 재료를 개발하는 것임.

 

○ 고분자 바이오 소재는 합성 고분자와 함께 지금까지는 생체 유래의 다당(多糖)이나 폴리아미노산이 활용되어, 그러한 화학수식에 의해 다양한 기능성 바이오 소재가 개발되어 왔음. 최근에는 항체, 사이토카인, 핵산 의약 등의 바이오 의약품(바이오 로직)의 발전이 두드러지고 있으며, 기존의 저분자 의약품과는 다른 전략을 가진 딜리버리 시스템이나 재생의료 재료설계의 필요성이 생겨나 그와 관련된 바이오 소재가 개발되고 있음. 단백질 의약품에서 하이브리드하게 사용되어 온 폴리에틸렌글리콜(PEG)은 여러 차례 투여되면 면역 유도가 생긴다고 보고되어, PEG로 변하는 하이브리드 재료(예: 옥사졸린 유도체 등)의 연구도 진행되고 있음.

○ 지금까지 바이오 소재의 연구 개발을 주도해 온 것은 미국, 유럽, 그리고 일본이었음. 특히 기초연구 면에서 주요국들 사이에 기술적인 차이는 거의 없다고 할 수 있었음. 하지만 응용 연구부터 동물을 이용한 전임상 연구, 사람을 이용한 임상 연구를 거쳐 실용화되기까지의 과정에는 유럽 국가들에 비해 크게 앞서고 있음.

 

○ 또한, 중국의 바이오 소재 연구에 대한 집중은 날로 발전하여 연구자 수는 증가하였고 논문을 게재한 횟수 역시 미국에 이어 세계 2위로까지 성장하였음.

 

 

[2019 나노테크놀로지나노융합산업 기술개발 전략과 시장 동향] 보고서 상세 보기

http://www.irsglobal.com/shop_goods/goods_view.htm?category=03000000&goods_idx=82991&goods_bu_id=

 

 

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