저온 복합화 코팅에 의한 지능형 생체세라믹 소재기술

치료 및 진단용 또는 생체 대체용으로 인체 내에 이식 되어 사용되는 생체대체 산업은 의료기술이 발달할수록 그리고 인류의 고령화가 가속화될수록 사회의 의료복지 수요의 폭발적 증가에 따라 그 중요성이 더욱 크게 부각 되고 있다. 2000년대 초반부터 참살이(Well-being) 및 삶의 질(Quality of Life) 향상에 대한 사회적 니즈(needs) 가 확산됨에 따라 바이오산업은 미래 산업의 근간으로서 과학계는 물론 일반인들에게까지도 큰 주목을 받고 있다.

특히, 2005년부터 불기 시작한 LOHAS(Lifestyles of Health and Sustainability) 바람에 편승하여 신기능을 갖 는 생체소재 개발만이 미래 고부가가치 산업을 선점할 수 있는 기회로 인식됨에 따라 생체소재개발은 큰 이슈 가 되고 있다. 현재까지의 생체소재 개발은 고분자 중심 으로 발전을 해왔지만, 2000년도부터는 생체적합성과 높 은 반응표면적을 갖는 신기능 생체세라믹 관련 소재를 중심으로 선진국에서 대대적인 투자를 바탕으로한 다양 한 연구개발이 진행되고 있다.

생체세라믹 관련 산업은 인체의 골격을 유지하는 경조 직 관련 소재산업과 바이오 마커(Bio Marker)및 핵산 등 의 고효율/고감도 생체분자 분리 및 진단 관련 소재산업 으로 양분되는데, Merck, Biomet, Kyocera, Roche 등의 주요 글로벌 대기업 등에서 전 세계시장을 석권하고 있 는 상황이다. 일반적으로 바이오 관련 산업은 투자대비 회수기간이 길 뿐만 아니라 시장이 작고 위험도가 높다

는 인식을 갖고 있지만, 매년 성장률은 타 산업에 비해 월등하게 높은 수준을 보이고 있다. 특히, 몇 개의 대기 업(Invitrogen, Promega)들은 불과 10년 전에는 작은 벤 처기업 수준이었으나, 신기능 세라믹을 과감하게 도입하 여 연구개발에 전력을 경주한 결과 오늘날의 그와 같은 대기업으로 성장한 대표적인 경우이다. 이는 생체소재 관련 바이오산업이 고부가가치 미래 산업의 핵심으로 대 두될 것임을 잘 나타내 주는 실제적인 사례라 할 수 있 다.

저온 복합화 코팅에 의한 지능형 생체세라믹 소재 기 술은 생체이식형 소재와 생체 비이식형 소재(분리/진단 용 소재)로 구분된다. 생체이식 소재의 경우, 기공률, 기 공 크기, 기공 연결도, 기공 형상 및 배열도 등의 물성제 어를 통하여 상온에서 생체 모방형 기공구조를 구현하는 기술이다. 이 기술을 적용하면 우수한 압축강도(70 MPa) 와 파괴인성(3 MPa·m

^1/2

라믹 소재 표면에서의 고효율 바이오 인터페이싱 기술을 부여하여 고감도 검출/진단이 가능한 신기능 소재기술 개발을 통하여 고부가가치의 미래시장을 창출하는 핵심 원천기술이다.

세부적으로 소재적인 측면에서는 골형성 단백질 유도/

방출 제어가 가능한 임플란트 표면 활성화 기술, 고속/고 효율 분리/진단을 위한 신기능소재 개발이 핵심기술이며, 복합화를 위한 핵심기술로는 골형성 유도체와 세라믹 소 재간의 복합화 코팅기술, 생체용 임플란트 소재의 표면 개질기술, 생체활성 세라믹 소재의 저온 코팅기술, 유/무 기 소재간의 복합체 제조 기술 등이 있다. 한편, 제품의 제조 공정상의 핵심기술로는 실형상 성형기법을 통한 임 플란트 및 인공관절과 같은 3차원 소재의 미세설계 및 가공기술, 소재 표면의 생체활성 기능부여 기술, 타겟 분

자와 선택적 감응소재의 진단 키트화 기술 등이 있다. 이 러한 기술은 기존의 방법과는 달리 상기한 공학/의학/생 물학의 접목을 통해 이루어진 것으로서, 성공적인 수행 을 위해서는 각 분야의 기존 방법을 개선하는 것 뿐만 아 니라 새로운 기법도 창출해야만 현재로부터의 도약이 이 루어 질 수 있다. 본 기술개발 사업은 신기능 소재기술 개발을 통하여 고부가가치의 미래시장을 창출하는 핵심 원천기술로 구성되어 있으며, 각 세부과제에 대한 요약 을 다음과 같이 기술하였다.

사회의 노령화에 따른 고령인구 비율의 급속한 증가 및 고속성장 산업에 기인한 산업재해의 증가로 인체 뼈

Fig. 1.

및 치아 등 경조직 관련 질환 및 골절로 인한 골 손실이 급격히 증가하므로, 손상된 뼈 및 치아를 대체 또는 재생 시킬 수 있는 임플란트용 생체활성 세라믹 소재의 확보 는 무엇보다도 중요하다. 바이오 산업의 국가경쟁력을 확보하기 위한 핵심소재 개발 기술로서, 본 연구에서는 저온 복합화 코팅을 통해 생체분자의 성능을 유지하며 생체세라믹 소재에 접목하여 생체세라믹 소재의 기능 최 적화를 목표로 하고 있다. 이는 기존의 passive coating 기술과는 차별되는 기술이며, 원천적인 세라믹 소재 기 술 및 소재-바이오분자 interfacing의 최적화를 위한 원천 소재를 설계하고 기능을 향상시키기 위한 연구를 수행하 고 있다. 본 세부과제의 최종 목표는, 저가의 안정한“저 온 복합화 코팅 공정”개발을 통해, 자연 모방구조를 갖 는 고강도, 기능성 세라믹 임플란트 뿐만 아니라 금속, 폴리머, 또는 복합체의 표면을 생체활성 나노세라믹, 성 장인자 및 약물로 기능화 하여 예측 가능하며 빠른 조직 재생을 유도할 수 있는 지능형 임플란트 소재 개발을 위 한“임플란트용 생체활성 코팅 세라믹 소재기술”확립이 다. 특히, 본 연구에서는 생체활성 나노세라믹, 성장인자, 약물이 함유된 복합체를 각 성분의 저하 없이“저온”에

서 복합 코팅할 수 있는 신기술을 개발하여, 임플란트 표 면을 생체활성이 뛰어난 나노세라믹 입자나 성장인자를 고정화시켜 빠른 골 재생 및 치유를 유도하고, 약물의 표 면 고정화를 통해 임플란트 표면으로부터의 제어된 방출 특성을 갖는 고기능성, 지능형 성장인자/약물 방출형 임 플란트 소재를 개발하고자 한다. 이를 위해, 저온에서 나 노세라믹과 성장인자/약물을 복합화/코팅할 수 있는 원 천 기술 및 관련 제반 기술을 개발하고자 한다.

다양한 임상시료로부터 생체분자를 분리/추출하는 과 정은 매우 중요한 공정이다. 이때 분리/추출 시 순도, 수 율, 안정성, 방해요소 제거, 민감도, 시료간의 교차오염 등이 고려되어야 하는데, 현재 대표적으로 사용되는 실 리카 멤브레인 소재는 단순 물리흡착에 의한 분리/추출 을 하는 것으로서, 부가적으로 원심분리 및 진공장치가 필요하기 때문에, 새로운 대안으로서 자성비드(magnetic bead)를 이용한 고속 분리/정제 상용화가 진행되고 있다.

Fig. 2.

이는 기존의 실리카 소재 기반의 컬럼 크로마토그래피 공정에 의한 분리/정제 기술을 자성을 이용한 자성 크로 마토그래피 공정으로 전환시키는 획기적인 방법으로 향 후 분리/정제 산업의 공정 패러다임의 변화를 가져올 것 으로 전망된다. 많은 분리/추출 방법들이 이미 개발되어 상품화되기 시작하였고, 자성비드나 실리카기질을 이용 한 핵산포획 기술이 발전하면서 고속처리(high-through- put) 방식의 분리/추출 및 자동화 시스템의 개발에 대한 요구가 점차 확대되고 있는 실정이다. 자동화 분리/정제 시스템은 생물정보학, 컴퓨터과학, 분석법의 소형화 (miniaturization) 기술 등이 통합되면서 빠른 속도로 발 전하고 있으며, 생체분자의 추출, 증폭, 확인의 전 과정을 자동화 방식으로 수행할 수 있어 향후 세라믹 소재산업 발전에 있어 중요한 시장이 될 것으로 기대를 모으고 있 다.

본 세부과제에서는 세라믹 소재의 큰 장점인 분리 기 능을 생체시료에 접목시킨 고속/고효율 생체분자 분리소 재는 기존 컬럼방식을 탈피한 무컬럼 실시간 다중시료 분리를 위해 신규 자성나노다공성 세라믹 입자 및 세라 믹 자성 나노바 소재를 개발한 후 생체분자와 저온 복합

화 코팅을 한 후 dark-field 또는 fluorescence를 이용한 실 시간 선별분리가 가능한 패키징화 기술 및 제품을 개발 하고자 한다.

현재 우리 사회의 가장 큰 화두 중 하나가 건강인 만큼 많은 사람들이 건강한 삶을 누리기 위해 노력하고 있다.

이런 흐름에 맞추어 평소에 간편하게 질병의 진단결과를 확인할 수 있는 진단기술에 대한 관심이 증폭되고 있다.

특히, 최근 BT, IT, NT 융합기술을 기반으로 한 고감도 바이오 진단 및 분석 기술은 생명공학연구, 신약개발, 질 병진단 등의 다양한 분야에 크게 기여할 것으로 예상이 되고 있으며, 국내외적으로 진단 및 의료산업 시장의 확 대로 진단 및 분석을 위한 새로운 차원의 플랫폼 기술 개 발에 대한 필요성이 고조되고 있는 시점이다. 특히, 의료 및 질병진단 분야에 있어서 국내 중소기업의 경우 원천 소재 및 원천 기술의 부재로 미국, 유럽, 일본 등의 선진 국 시장진입에 매우 큰 어려움을 겪고 있기 때문에 이에 만족하는 차세대용 바이오센서/칩에 대한 원천소재 및

Fig. 3.

원천기술 확보가 가능한 바이오센서/칩용 소재 및 공정 기술 개발의 필요성이 크게 대두되고 있다. 따라서, 독창 적이며 새로운 개념의 바이오 진단 및 분석을 위한 시스 템이 개발될 경우 수입 대체효과 및 해외시장 개척에 적 극적으로 나설 수 있으며, 궁극적으로는 질병진단 분야 에 활용함으로써 관련 산업분야에 커다란 파급효과를 가 져올 수 있다.

본 연구과제에서는 다양한 세라믹 소재를 이용한 바이 오진단 및 분석을 위한 소재의 개발을 목표로 하고 있고, 이의 달성을 통해 기존의 바이오칩/센서 및 디바이스용 재료를 이용했을 때 보다 비용에 있어서 저가이며 생체 분자의 열적, 환경적 안정성뿐만 아니라 민감도, 재현성 등에서도 뛰어난 특성을 나타내는 세라믹 소재를 바이오 센서 및 소자에 응용하는 것을 목표로 하고 있다.

원천소재의 중요성은 어느 분야에서나 강조되지만, 바 이오세라믹은 특히 제품의 성능이 원천소재에 따라 크게

좌우된다. 바이오분야의 특성상 원천소재의 개발은 부가 가치가 다른 사업보다 상당히 크며, 한번 기술 우위에 접 한 제품은 쉽게 수요자(병원의 임상의 및 연구소)가 다른 제품으로 바꾸지 않는다. 이는 진입장벽이 높지만 일단 장벽을 넘고 나면 그 이후부터는 굉장히 안정적으로 수 입을 창출할 수 있는 분야라 할 수 있다. 소재자체가 곧 제품인 바이오세라믹 분야는 인간의 평균수명이 증가되 고 있고 건강에 대한 관심도가 점점 높아지는 추세를 감 안할 때 매우 중요한 국가의 미래 먹거리가 될 것이다.

또한, 바이오세라믹 소재 다변화에 의한 미래 신산업 창출 및 기업간 상생형 가치 사슬(Value chain) 형성을 통해 국내 시장 확대 및 국가 경쟁력을 강화하며, 소재부 터 시스템까지 산업간 연계를 통한 제품개발 스펙트럼을 다양화하여 미래 신시장을 확보할 수 있을 것이다. 뿐만 아니라 중소기업에서부터 대기업에 이르기까지 바이오 산업 주체들의 유기적 연계성을 통한 동반 상승효과와 제품의 가치 증대를 통한 국내 바이오 산업의 경쟁력 강 화를 도모할 것으로 전망된다.

Fig. 4.

본 연구는 지식경제부 소재원천기술개발사업으로 진 행중이며, 이에 감사 드립니다.

Fig. 5.

2001년 충북대학교 화학과 (박사) 1999년-2002년 미국 Pacific Northwest National Laboratory

2002년 현재 한국세라믹기술원 미래융합세

라믹본부 바이오IT융합센터장