인공장기 시대를 여는 신소재

나날이 새로와진다

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소재혁명은 인간이 생명을 유지하는데 필수적인 장기(臟器)를 인공적으로 만들어 대체시키는데까지 진전되고 있다.

인공장기시대가 활짝 열리고 있다. 인공심장 인공폐 인공관절 인공신장에서 인공피부에 이르기까지, 손상된 생체조직을 복원하려는 인간의 노력은 이제 결실을 맺어가고 있다. 아직 ‘6백만불의 사나이’ 수준은 아닐지라도 생체내애서 거부감을 일으키지 않고 생명을 유지하는데 최소한의 역할을 할 수 있는, 사람이 만든 장기들이 속속 모습을 드러내고 있다.

생체에 이용되는 재료는 금속, 요업재료, 고분자 및 복합재(고분자와 요업재료를 섞어 만든 재료)로 분류될 수 있다. 이러한 재료가 생체에 이식 또는 적용될 때에는 적용되는 생체부위, 필요로 하는 생체기능 및 사용기간에 따라 요구되는 물성이 다양하다. 생체재료에 요구되는 물성은 생체적합성 생체기능 기계적 물성이다.

생체는 다른 물질이 체내로 들어오면 고유의 보호기능으로서 이에 대항하는 거부반응을 일으킨다. 혈관이 손상되거나 혈액이 인공물질과 접촉하면 응고된다.

이는 상처를 입었을 때 출혈을 방지하는 필수적인 보호기능이지만, 인공혈관 인공신장 인공심장 등의 순환계 인공장기 사용시에 응혈(혈전)로 인한 혈관막힘 등 치명적인 결과를 초래한다. 또한 조직세포가 다른 물질과 접촉하면 세포가 이상증식되며, 이식물을 둘러싸는 피막이 형성되어 결과적으로 이식물은 세포로부터 유리된다. 이러한 현상은 인공관절 또는 인공치아가 세포에 부착되지 못하여 실패하는 결과를 초래한다. 이외에도 재료의 독성이나 세포와의 상호작용으로 염증 발암 세포의 죽음을 일으키기도 한다.

따라서 생체재료는 생체에 적용시에 혈액 및 조직과 상호작용으로 거부작용을 일으키지 않고 생체에 친화력을 가지는 생체적합성(生体適合性)이 필수적이다. 재료의 화학적 물리적 구조와 생체적합성의 관계는 아직 완전히 규명되고 있지 못하지만 많은 연구가 활발히 진행되고 있다.

생체적합성이 필수조건
 

(그림1) 의료용 재료의 응용(그림1) 의료용 재료의 응용
 

생체재료는 사용되는 부위와 목적에 따라 요구되는 기능이 다르다. 즉 인공뼈 인공관절 인공치아 등과 같이 인공조직으로서 특수한 기능보다는 구성체로서 지지기능만을 요구할 때에는 상대적으로 간단하다. 그러나 피를 순환시켜야 하는 인공심장, 혈액속의 요소를 제거시켜야 하는 인공신장, 혈액에 산소를 공급해야 하는 인공심폐기 등은 각각 고유한 생체기능이 요구된다. 따라서 간 폐 혈액 등 기능이 오묘하고 복잡한 분야는 아직 기초연구에 머물고 있다.

또한 생체재료는 목적하는 바에 따라 적당한 기계적물성을 가져야 한다. 기계적물성이란 강도(압축강도 굴곡강도 인장강도) 경도 유연성 내마모성 등이다. 특히 재료가 체내에 장기간 이식될 경우에 재료의 부식 또는 분해로 인하여 기계적물성이 감소되지 않아야 한다.

금속재료는 체내에서 부식되어 손상될 위험이 있고, 고분자는 가수분해 또는 효소에 의한 분해로서 물성이 떨어지는 경우가 많다. 그러나 요업재료는 상대적으로 체내에서 안정한 이점이 있다. 위와 같이 생체재료의 요건인 생체적합성 생체기능 기계적물성이 우수한 재료를 개발하기 위하여서는 재료와 생체의 상호작용 및 재료에의 생체기능 부여에 관한 많은 기초연구가 필요하고, 생명과학 재료공학 전자공학 및 화학공학의 여러학문이 복합적으로 연구되어야 한다. 초기에 생체재료는 적당한 천연재료나 다른 동물의 재료를 이용하였으나, 근래에는 목적에 맞는 설계를 통하여 인공재료의 합성 응용이 확대되고 있으며, 보다 좋은 기능과 물성을 갖는 재료 개발에 많은 노력이 경주되고 있다.
 

(그림2)인공장기의 실용화(그림2)인공장기의 실용화
 

금니(Gold Tooth)가 시초

금속은 수술기구나 정형외과용 뼈접합재(bore plate, 부러진 뼈를 지지하여 접합시키는 판)로 옛날부터 사용되어 왔다. 특히 금 은 백금 등 귀금속은 부식되지 않고 생체적합성이 좋으므로 체내 전극이나 치과용재료로서 널리 사용되고 있으며, 금─필라듐합금 은―아말감합금 등은 대표적인 충치 치료용 또는 의치재료로 쓰이고 있다.

스텐레스철은 종류에 따라 크롬 니켈 망간 몰리브덴 바나듐 등의 조성이 다양하고 혼합된 저렴한 합금으로서 뼈접합재 인공뼈 인공관절 치과용재료로 넓게 사용되고 있으나, 종류에 따라서는 내부식성(부식에 견디는 성질)이 완전하지 못하다는 지적을 받고 있다. 이러한 금속재료의 문제점은 부식되어 용출되는 금속이온이 조직세포에 위해하며(독성 발암성 알레르기성 마모된 가루의 해독)또한 체내에 고정시키기 어렵다는 점을 들 수 있다.

생체내에 사용되는 금속재료중 가장 중요한 분야는 인공관절 특히 대퇴부관절(hip joint)이다. 이 인공관절은 골반과 대퇴골을 연결시키는 관절로서, 사고로 손상을 입거나 또는 골공증(노년기에 뼈가 약화되는 병으로서 백인 여자노인에 많음)환자에게 넣어 준다.

인공관절은 지주 관절골구 관절골컵으로 구성되어 있고, 지주는 금속제로서 스텐레스철 코발트─크롬합금 티타늄이 쓰이고, 관절골구는 금속 특히 근래에는 요업재료가 사용되고 있으며, 관절골컵은 요업재료 초고분자량폴리에틸렌이 쓰이고 있다. 이러한 인공관절은 1백만원이 넘는 고가로서 미국에서만 연 11만회이상 시술되고 있다. 인공관절의 문제점은 구성 재질의 강도가 뼈와 차이가 크므로 오랫동안 사용되는 동안 하중의 영향으로 접착이 나빠져서 분리되는 경우가 많다는 것. 금속기구는 종래에 스텐레스철에서, 보다 부식이 적은 코발트─크롬합금이 개발되었으나 코발트 과민증확자의 경우가 간혹 보고되어 근래에는 생체적합성이 보다 뛰어나고 강도가 우월한 티타늄합금이 새로 개발 사용되고 있다. 또한 표면을 다공성화(多孔性化)하여 뼈세포가 성장 침투하여 접착력을 강화하는 시도가 이루어지고 있다. 티타늄합금은 이외에도 인공치아와 인공심장판막재료로 이용된다. 선천성 이상구조의 심장은 출생아의 0.8%로 매우 크며, 더욱이 질병으로 심장판막이 정상 기능을 하지 못하는 경우에는 인공심장판막으로 대치하여 준다. 심장판막재료는 동물 심장근육으로 제조된 근육판막과 금속으로 된 기계판막이 같이 쓰인다. 기계판막은 다양한 구조가 개발 사용되고 있으며, 가장 대표적인 것은 티타늄몸체와 티타늄에 탄소로 코팅된 열검판으로 구성되어 있다. 티타늄은 강하고 부식되지 않는 장점이 있으며, 탄소는 우수한 항응혈성(피의 응혈을 억제)을 나타내고 있다.


형상기억합금의 원리도 활용
 

(그림3) 인공관절(hip joint)(그림3) 인공관절(hip joint)
 

니켈─티타늄계 합금은 일정한 온도에서 과거의 형태로 돌아가는 형상기억효과를 나타낸다. 따라서 이러한 성질을 이용하여 구부러진 허리를 교정하는 정형재료, 골절치료용 금속판, 치열교정용 금속성 등 새로운 용도가 개발되고 있다. 특히 새로운 예로 인공힘줄을 뼈에 고정시키는 기구가 성공리에 이용되고 있다. 신체의 뼈와 치아는 실제로 콜라젠(단백질 섬유)과 아파타이트라는 칼슘염 성분의 요업재로 구성되어 있다. 따라서 옛부터 요업재료를 뼈나 치아라 이용하려 시도하였으나, 강도 특히 충격에 약한 치명적 결점때문에 뜻을 이루지 못했다. 그 후 기계적강도가 강한 알루미나 결정체가 등장하여 파인세라믹스로 각광을 받았고, 고강도 절식공구나 내고온성 세라믹엔진 등 개발에 많은 연구가 이루어지고 있다. 이러한 파인세라믹스는 생체에 대하여 전혀 자극이 없는 생체불활성소재로서 뼈 및 치아 대용재로 활용돼 바이오세라믹스로 불리어지고 있다. 알루미나 지르코니아 티탄은 금속에 비하여 가볍고 경도가 높으며 부식되지 않고 생체적합성이 우월하여 세포와 접착성이 좋다. 특히 알루미나는 색상이 아름다워 뼈 치아 관절골구 또는 관절골컵으로 많은 실적을 보인다. 단결정 알루미나는 강도가 높으나 가공하기 어렵다. 다 결정은 다소 약하나 가공성이 좋다. 그러나 알루미나는 충격에 약하므로 힘이 집중되는 부위에는 금속 또는 고분자와 함께 사용되는것이 효과적이다.

근래에는 생체세포와 친화력이 커서 세포가 재료표면에 성장 접촉되는 수산화아파타이트와 바이오글라스가 생체용 세라믹스로 많은 각광을 받고 있다. 수산화아파타이트는 생체뼈의 무기성분과 매우 유사하여 뼈세포와 직접 화학결합을 형성하여 단기간에 뼈세포가 재료 표면에 성장 피복되며 부착된다. 기계적 강도가 나쁘나 손상된 뼈부위의 충진재, 금속 및 알루미나의 표면코팅재로 사용시 우수한 접착성을 나타내고 있어 많은 이용이 기대되고 있다.

바이오글라스는 인삼칼슘계 유리로서 역시 강도는 약하지만 표면에 인산이 용출되어 세포가 부착 생성될 수 있는 재료이다. 근래에는 앞에서 이야기한 인공관절 금속지주에 수산화아파타이트나 바이오글라스를 코팅하여 조직과 접착력을 증가시키는 연구가 실용화 되고 있다.

카본재질은 탄화수소를 1천5백℃에서 열분해하여 얻어지는데, 가볍고 강도가 우수하면서도 항응혈성과 조직친화성이 우수하여 금속 또는 고분자표면에 코팅재로 활용되고 있다. 앞에서 이야기한 인공심장판막 이외에도 인공치근 인공뼈 인공심장재료로 개발된다.

이 밖에 활성탄소는 혈액여과재료 및 혈액투석액중 유해성분을 흡착 제거시킴으로서 인공신장에 활용되고 있다.

인공혈관도 등장
 

(그림4)형상기억합금을 이용한 힘줄고정방법(그림4)형상기억합금을 이용한 힘줄고정방법
 

고분자는 열에 비교적 약하고 강도가 높지 않은 재료이나 가공성이 뛰어나 섬유모양을 비롯하여 모든 형태로 쉽게 가공될 수 있는 장점이 있다. 따라서 생체적합성과 물성을 보완하여 인공장기재료로 쓰려는 연구가 가장 활발하다. 일찍부터 천연 고분자는 의료용재료로 활용되고 있다. 고무는 혈액회로, 셀룰로즈는 인공신장투석망으로, 단백질인 견사는 수출용봉합사로 쓰여지고 있다.

그러나 고분자는 생체내에서 가수분해 또는 효소에 의한 분해로 시간이 경과함에 따라 기계적물성이 저하되는 경우가 있으므로 주의하여야 한다. 근래에 다양한 고분자재료가 합성되어 선택의 폭이 훨씬 넓어졌으며, 용도에 맞는 물성을 나타낼 수 있는 고분자의 구조를 설계 합성할 수 있게됨으로써 그 용도가 확대되고 있다. 혈액은 인공재료와 접촉되면 응고되어 치명적인 결과를 초래한다. 이러한 현상은 혈류속도가 느리거나 정체되는 곳에서 특히 심하게 일어나며, 혈액과 접촉되는 순환계 인공장기 개발에 가장 큰 문제점이다.

현재 인공혈관은 내경 4mm 이상에만 이용이 가능하다. 재료는 폴리에스터섬유(의류용 폴리에스터와 동일한 재료임)를 특수한 형태로 직조한 것과 불소수지(테플론)를 늘려서 가공한 것이 쓰인다. 이러한 인공혈관은 피가 응혈되지 않는 것이 아니라 최초에 형성된 응혈층이 유사 혈관내벽으로서 작용하여 응혈이 더 이상 진행되지 않는 것이다. 따라서 구경이 4mm보다 작으면 내부가 막혀버려 적용할 수 없다.

고분자의 표면구조를 변화시켜 항응혈성을 개선하려는 연구가 세계적으로 활발히 진행되고 있으나, 응혈의 과정이 완전히 규명되지 않고 있어 완벽한 성과를 내지는 못하고 있다. 현재까지 표면을 친수(親水)화하는 방법, 소화하여 불활성화하는 방법, 친수·소수성의 불균일구조를 갖게 하는 방법, 또는 생리적으로 항응혈성이 있는 헤파린과 같은 약품을 이용하는 방법이 제안되고 있다. 앞으로 항응혈성이 우월한 재료가 개발되면 소구경혈관 인공신장 인공심장 및 인공심폐기에 활용되어 그 파급효과가 막대할 것으로 기대되는 분야이다.

인공유방 등 미용 성형재료도

실리콘고무는 탄성이 좋으면서 생체내에서 화학적 생리적으로 안전하여 중요한 의료용 고무로 사용되며, 특히 인공유방 등의 미용성형재료로 중요한 위치를 차지한다. 이외에 인공관 인공피부로 활용되고 있다. 다른 또 하나의 중요한 고무재료는 폴리우레탄(롤러스케이트 바퀴재료용 고분자)으로서, 탄성이 좋으면서도 강인하고 내마모성이 우수하므로 탄력을 필요로 하는 분야에 이용되고 있으며, 특히 항응혈성과 생체적합성이 우수하여 많은 인공장기재료로 쓰이고 있다. 이러한 의료용 폴리우레탄은 친수성·소수성 불균일구조로서 통상의 폴리우레탄보다 원료 및 제조방법이 특수하게 설계된 것들이다.

수년전 미국 유타대에서 개발되어 임상실험에 성공한 인공심장도 폴리우레탄 재질로 제조되었는데, 즉 하부 심실은 알루미늄에 폴리우레탄(상품명 Biomer)을 코팅하였고 상부 심방은 폴리에스터직포/폴리우레탄 재질이다. 그 사이의 다이어프람은 탄소로 코팅된 폴리우레탄 다층막으로 제조되어 외부 압축 공기의 힘으로 이완 수축되면서 혈액을 펌핑한다. 근래에는 (그림5)과 같은 완전인공심장 이외에도 기존심장을 보조하는 보조심장의 개발에 많은 연구를 기울이고 있어 2~3년내에 실용화가 예상된다. 또한 내부에 전기모터를 내장한 내부구동형 인공심장의 개발도 활발하다. 우리나라에서도 고유한 모델 개발에 성공한 바 있다.
 

(그림5) 인공심장(그림5) 인공심장
 

고분자막을 이용한 인공신장

고분자막을 이용한 인공장기의 효시는 인공신장이다. 신장병환자는 혈액속의 효소가 제거되지 못하여, 이를 치료하기 위하여 여러자지 형태의 인공신장을 사용한다. 혈액투석기는 가장 보편화된 방법으로서 혈액중의 요소가 투석막을 통하여 투석액으로 빠져나오는 방법이고, 혈액여과기는 여과막을 통하여 요소뿐만 아니라 입자가 더큰 찌꺼기도 걸러내는 방법이다. 혈장분리기는 아예 더러운 혈장(혈액의 액체부분)을 걸러내고 고형성분(적혈구 백혈구 단백질)만 체내로 다시 넣어주는 방법이다.
 

(그림6) 인공 신장기(그림6) 인공 신장기
 

이러한 인공신장용 고분자막은 필름형태의 평막보다 속이 빈 섬유형태의 중공사막이 훨씬 효과적이다. 중공사막 벽에는 1μm보다 작은 구멍(pore)이 많이 있어 요소와 찌꺼기들만이 통과되어 빠져나올 수 있다. 구멍(pore)의 크기는 혈액투석 혈액여과 혈장분리막의 순서로 증가한다. 이러한 중공사의 굵기는 2백~3백μm로서 수천가닥이 들어있다. 인공신장을 필요로 하는 신장병환자는 우리나라에도 2만명이 넘으며 1주일에 2~3번 치료를 계속적으로 받아야 한다. 앞으로 보다 성능이 좋은 고분자막의 개발과 간편한 휴대용 또는 가정치료용 인공신장기 개발에 대한 노력이 계속될 것이다. 고분자막을 이용한 다른 중요한 인공장기는 인공심폐기이다. 인공심폐기는 심장수술동안 혈액을 체외로 순환시키며 산소를 공급하여 다시 체내로 순환시킨다. 여러 재질이 사용되지만 역시 다공성 폴리프로필렌막이 대표적이다. 우리나라에도 연간 1천여회의 심장수술이 진행되고 있고, 인공신장 및 인공심폐기가 국산화되고 있다.

실리콘 콘택트렌즈

안경 착용 안구가 증가하면서 여성 및 청소년의 콘택트렌즈선호도는 계속 높아지고 있다. 콘택트렌즈의 요건은 착용해서 편안해야 하고 산소투과성이 높아야 한다. 초기의 딱딱한(하드)렌즈는 폴리메틸 메타크릴레이트로서 불편하고 산소투과성이 낮다. 현재의 소프트렌즈는 폴리수산화에틸메타크릴레이트로서(함수율 40%) 편안하나 산소투과량은 높지 못하다. 산소투과량은 재질의 함수율이 높거나 재질 자체의 산소투과성이 높아야 한다. 함수율이 높으면 반대로 강도가 약해지므로 한계가 있다. 근래에는 실리콘을 함유하는 고분자가 산소투과성이 아주 높은 새로운 콘택트렌즈소재로서 각광을 받고 있다.

백내장 등의 병으로 수정체가 투명성을 잃게 되면 시력을 상실한다. 이 경우에 폴리메틸크릴레이트로된 인공수정체로 대치하면 광명을 되찾을 수 있다. 인공수정체를 고정시키기 위한 구조 고안과 자외선차단을 위한 연구가 계속되고 있다. 일반적으로 고분자는 분해되지 않는 것이 특성이지만 어떤 고분자는 체내에서 완전히 분해하여 무해한 화합물로 흡수 배설된다. 이러한 것을 이용하여 흡수성 봉합사(수술후 실을 뽑을 필요 없음)와 기타 접합재로 활용되고 있다. 대표적인 것으로는 폴리글리콜산으로서 체내 강도유지기간이 약 4주이고 6개월내에 완전 분해되므로 봉합사와 봉합핀으로 상품화되어 있다. 또 다른 하나는 폴리젖산으로서 체내 강도유지기간이 1년에 가까워 뼈접합재로 개발되고 있다. 현재와 같이 금속 뼈접합재를 완치 후 수술로서 제거해야 되는 불편함을 해소할 수 있으므로 매우 기대되고 있다. 또한 박테리아에 의하여 합성되는 폴리수산화부틸산(상품명 Biopol)도 생체분해성 의료용 재료로 개발되고 있다.

이상 생체용 신소재에 대하여 간단히 실용현황과 개발방향을 이야기했다. 앞으로는 인공장기의 실용화가 더욱 진행되어 장기를 자동차부속품과 같이 교환하여 인간의 생명을 구하고 의료복지를 향상시킬 것이다. 또한 이러한 의료용재료는 첨단 기술에 의한 미래산업으로서 경제적인 면에서도 매우 중요하므로 많은 관심과 지원이 필요 하다.
 

인공장기 국산화/실용화 활발히 진행중

국내의 인공장기 개발은 어느 정도 진척되고 있을까.

인공장기의 개발은 소재분야와 의학분야의 공동연구가 필요하며, 특히 이를 실용화하기 위해서는 동물실험 등 오랜기간의 임상실험 결과가 쌓여야 한다.

우리나라 인공장기의 선두주자는 인공심장이다. 서울대 의공학과 민병구박사팀은 88년초 우리 체형에 맞는 전기구동식 인공심장을 개발했다. 이를 생후 4개월 된 송아지에 이식수술한 결과 나흘간 양호한 상태를 보이며 생존했다. 미국의 특허를 획득한 이 한국형 인공심장은 기존 인공심장이 모터고정식인데 비해, 한단계 발전한 모터이동식. 크기는 기존 것의 약 3분의 1이다.

민박사팀은 모터의 전기제어장치를 IC화해, 피부 속이나 박동펌프옆에 넣어 완전히 몸밖과 분리시키는 작업을 진행중이다. 또한 수술후 심장의 기능이 완전히 회복될 때까지 기존 심장의 역할을 대신해주는 보조인공심장의 연구도 진행중이다.

인공심장과 같이 완전한 장기는 아니지만 심장의 팽창·수축과정에서 피를 한쪽 방향으로 흐르게 해주는 심장판막은 실수요자가 많은 유효한 인공장기 중의 하나. 현재 국내에서도 심장판막에 이상이 있는 환자들은 값비싼 수입품을 들여와 수술하고 있다. 한국과학기술연구원(KIST) 이재영박사팀은 3년 전에 티타늄에 탄소막을 입혀 생체접합기능을 강화시킨 인공판막을 개발했으나, 동물실험 결과 피의 소용돌이 현상을 막지 못하는 결함이 발견되었다. 현재 이박사팀은 이를 개선하기 위해 링도 탄소로 하고 막도 2개로 늘려 소용돌이를 방지할 수 있는 인공판막을 개발하고 있다.

인공무릎관절 또한 실수요자가 많은 인공장기. 연간 수술건수는 약4백건에 이르고 있는데 모두 외국에 수입한 인공무릎관절을 사용하고 있는 실정. 이러한 실정을 감안, 경희대 배대경교수팀은 고농도폴리에틸렌을 사용한 인공무릎관절 개발에 박차를 가하고 있다. 금년말에는 동물실험을 할 예정이다.

무릎관절과 더불어 인체의 보행에 중요한 역할을 하는 고(股)관절분야도 인공장기의 주요 대상. 우리나라에서는 경희대 정형외과팀과 과학기술연구원팀이 공동으로 인공고관절연구를 진행중인 것으로 알려졌다.

화상에 의한 피부손실을 해결하기 위한 인공피부도 활발히 개발되고 있다. 한양대 공업화학과 김계용교수팀은 최근 젤라틴과 키틴을 합성, 사람의 피부와 유사한 인공피부를 만들어내는 데 성공했다고 발표했다. 이 인공피부는 화상이나 상처로 손상된 피부에 얹혀, 외부로부터 세균침투를 막는 이른바 보조용인 셈이다. 결국 새 피부가 자라면 인공피부는 자연히 떨어져 나간다.

이밖에도 심장수술시 1회용으로 사용되는 인공폐, 백내장 환자에게 수술 뒤 시력을 회복시켜주기 위해 사용하는 인공수정체, 인공신장기, 인공혈관 등도 현재 개발중이거나 동물실험 중이다.

글 : 김영하 연구실장
과학동아 1989년 08호


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