크기, 조성 조절 가능한 병변 맞춤형 생체재료 분말 제조 기술

상용화를 위한 KIST 기술출자회사 ㈜비엠포트 설립완료

왼쪽부터 김유찬 책임연구원, 정호정 책임연구원, 고승환 서울대 교수

노화는 우리몸의 장기를 손상하거나 기능을 저하시킨다. 과학·의료기술의 발달로 단순 수명은 증가했지만 노화로 인한 질환, 그 중에서도 특히 근골격계 질환은 운동능력을 감소시키고 이동을 어렵게 해 삶의 질을 위협한다. 이 때문에 최근에는 수명연장 그 자체보다도 건강수명 증가에 관심이 모아지고 있으며, 골격계 질환을 극복하기 위해 신체를 대체하거나 보강해줄 수 있는 인공재료에 대한 연구도 그와 관련된 연구개발 분야 가운데 하나이다.

한국과학기술연구원(KIST) 생체재료연구센터 전호정 박사팀은 레이저를 활용해 다양한 기능성을 가진 인공뼈 분말인 아파타이트를 수십 초 만에 합성해내는 합성 공정 기술을 개발했다고 밝혔다. 기존의 열수화 인공뼈 분말 합성 기술은 200㎚(나노미터) 크기의 분말을 얻기 위해 짧게는 20시간에서 길게는 100시간 이상의 시간이 필요했다. 그런데 이번에 연구진이 개발한 레이저 수열 합성공정을 사용하면 작게는 30㎚부터 크게는 2000배에 달하는 6㎛(마이크로미터) 크기의 분말까지 10여 분 만에 합성할 수 있고, 손쉽게 칼슘의 일부를 마그네슘, 아연 등의 금속이온으로 대체한 기능성 인공뼈 분말 제조가 가능해진 것이다.

레이저 수열 합성 공정을 통한 크기조절이 자유로운 아파타이트 합성

이번에 개발된 기술은 기존 열수화 공정 대비 레이저 펄스의 시간에 해당하는 수 ㎱(나노초) 동안 1000℃ 이상의 초고온에서 합성 공정이 진행되기 때문에 마그네슘, 스트론튬, 아연과 같은 기능성 금속이온을 보다 쉽게 대체할 수 있는 장점이 있다고 연구진은 설명했다.

이를 바탕으로 하이드록시 아파타이트 뿐만 아니라 뼈를 구성하는 성분 중 재생에 중요한 인자라고 생각되는 ‘휘트록카이트’를 동일 시간동안 10배 더 큰 마이크로미터 사이즈로 합성 할 수 있었다. 휘트록카이트는 주로 어린아이들의 뼈에서 많이 관찰되는 물질로 마이크로미터 사이즈의 휘트록카이트는 인공뼈로 주로 활용중인 하이드록시 아파타이트를 대신 할 것으로 기대된다.

또한, 연구진은 레이저 수열 합성기술로 만든 인공뼈 재료가 실제 뼈세포에 어떠한 영향을 미치는지 확인하기 위하여 세포 실험을 진행한 결과 현재 상용화된 제품으로 판매되고 있는 인공뼈 분말 대비 2배 뛰어난 세포 부착 능력과 세포 증식 능력을 나타내는 것을 확인했다.

레이저 수열 합성 공정의 과정

전호정 박사는 “본 연구에서 개발한 재료가 상용화된 재료보다 뛰어난 성능을 보이는 이유는 초고온에서 반응이 일어나는 레이저 수열 합성의 과정을 고려하였을 때 합성된 분말이 자연스럽게 녹을 수 있는 ‘생분해성’을 가지기 때문”이라며, “이 기술을 기반으로 KIST 출자 연구소기업 ‘주식회사 비엠포트(대표 손진경)’를 지난 9월 13일 설립했으며, 향후 인공뼈, 피부 미용용도의 필러 등의 분야에서 상용화를 추진할 예정”이라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST, KU-KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 이번 연구결과는 나노소재 분야 국제 저널인 ‘ACS NANO’ (IF: 18.027, JCR 분야 상위 5.652%) 온라인 상에 게재되었다.논문명은 Rapid synthesis of multifunctional apatite via the laser-induced hydrothermal process이며 제 1저자는 한국과학기술연구원 송상민 학생연구원과 한국과학기술연구원 엄승훈 박사후연구원(現, Laval University)이며 교신저자는 서울대학교 기계공학부 고승환 교수, 한국과학기술연구원 김유찬 책임연구원, 한국과학기술연구원 전호정 책임연구원 등이다.

레이저 수열 합성 공정을 통한 금속이온(마그네슘)의 고함량 치환

레이저 수열 합성 공정으로 만든 분말의 세포 부착 성능 및 증식 촉진 성분 분석

▢연구개요

1. 연구배경

100세 시대에 접어들면서 노령인구의 삶의 질을 향상시키기 위하여 건강수명 증가에 사회적 관심이 모아지고 있다. 신체의 노화가 진행될수록 장기들이 손상되거나 기능을 상실하게 된다. 특히 근골격계 질환은 환자들의 운동 능력을 감소시키고, 이동에 대한 자유를 박탈하기 때문에 삶의 질과 밀접한 연관이 있다. 또한 과학기술 발전으로 인류가 많은 것을 누릴 수 있게 도와주었지만, 그와 동시에 기술을 누리면서 발생하는 다양한 사고들로 인하여 가장 중요한 신체적 건강을 앗아가기도 하였다. 이처럼 노화 및 사고로 인해 망가지는 신체를 고치기 위하여 생체재료가 끊임 없이 연구되어 왔다. 특히 인간에게서 혹은 자연에서 얻어낼 수 있는 재료의 양적인 한계와 기능적인 한계를 극복하기 위하여, 인공생체재료는 계속적으로 연구되어 왔다. 이 때, 재료 자체 뿐만 아니라 그 재료를 합성하는 공정도 여러 종류의 연구가 이어져왔으나, 원하는 성질을 가진 재료를 얻어내기 위해서는 하루 이상의 합성 시간을 필요로 하거나, 합성물의 폭 넓은 크기 조절이 어렵거나, 혹은 신체에 도움이 되는 금속 이온을 첨가하는 용량에 제한이 있었다는 한계들이 존재했다. 그러나 위와 같은 문제를 해결할 수 있는 합성 방법은 현재까지 개발되지 못했다.

2. 연구내용

본 연구에서는 나노초 펄스 레이저를 활용하여 초고속 합성이 가능한 레이저 수열 합성 공정을 개발하고, 이를 통해 합성한 다양한 기능을 가진 인공뼈 (아파타이트) 분말의 생체재료로서의 사용 가능성을 평가하였다. 레이저를 조사하는 나노초 동안의 짧은 시간동안 수백~수천도의 초고온으로 상승하게 되고 그 환경에서 인공뼈 소재가 합성이 된다. 따라서 인공뼈를 만들 수 있는 기존 합성 공정들이 평균 5시간 이상 동안의 화학 반응을 진행시켜야 하는 반면에, 레이저 수열 합성 공정은 10분 내로 합성을 끝낼 수 있다. 또한 기존 합성 공정들이 추가 후처리 공정을 거치더라도 1 마이크로미터 이상의 분말을 얻어내는 것이 어려웠던 반면 레이저 수열 합성 공정은 10분의 합성만으로 20 나노미터부터 6 마이크로미터의 다양한 크기를 가진 분말들을 합성해낼 수 있다. 이 뿐만 아니라 레이저 수열 합성 공정을 통하여 인공뼈로 사용할 시 좋은 기능을 일으킬 수 있는 다양한 금속 이온을 치환시킬 수 있다는 것을 증명하였다. 특히 제 2의 인공뼈 성분으로 알려진 ‘휘트록카이트’를 합성했을 때, 기존의 합성 방법과 비교하면 동일 합성 시간 대비 30배나 큰 휘트록카이트를 합성할 수 있음을 밝혔다. 연구진은 레이저 수열 합성 공정으로 만들어낸 인공뼈 성분들이 실제로 생체 내에서 분해되고 세포에게 골 형성 촉진 자극을 줄 수 있는지 확인했다. 그 결과 체내 유사 환경에서 생 분해 될 뿐만아니라 분해 속도를 조절할 수 있었고, 상용화된 아파타이트 분말에 비하여 약 2~5배 세포의 부착 및 증식이 촉진되어 본 기술로 합성된 분말의 기능성을 확인할 수 있었다.

3. 기대효과

본 연구는 새로운 합성 공정으로서, 세라믹 계열의 생체재료를 합성하는 데에 손쉽게 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 아파타이트를 합성할 때, 단순한 합성 공정임에도 불구하고 스스로 천천히 녹는 성질을 가질 수 있고 금속 이온을 강제 치환 시킬 수 있는 점을 보아, 현재까지 달성하기 어려웠던 성능을 목표로 할 때 레이저 수열 합성 공정이 새로운 해결책으로써 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 또한 크기와 기능의 조절이 타 공정에 비하여 신속하고 자유롭기 때문에, 특정 기능을 필요로 하는 병변에 사용될 수 있는 다품종 소량생산에 굉장히 유리한 공정으로 사용될 것으로 보인다. 이 기술을 기반으로 KIST 출자 연구소기업 설립을 추진중이며, 인공뼈, 피부 미용 용도의 필러 등에 상용화를 목표로 후속 연구를 진행 중에 있다.

▢용어설명

1. 인공뼈

인공뼈는 기존의 뼈가 기능을 하지 못하도록 손상 되었을 경우 조직이 회복 되거나 역할을 대체할 수 있도록 사용하는 대체물 의미한다. 인공뼈로 사용되는 재료는 금속, 고분자, 세라믹 등이 있으며 새로운 뼈의 형성, 뼈 부족한 부위의 보충, 뼈의 인체 지지기능 보완 등 목적에 맞도록 재료를 선택하여 사용되고 있다. 인공뼈에 사용되는 소재는 면역 반응이 일어나지 않고 조직과 결합이 잘 일어나야 한다. 본 연구에서 사용된 인공뼈는 임플란트 표면 코팅에 주로 사용되는 세라믹 소재인 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite)로 코팅소재 뿐만 아니라 골이식재(bone graft), 척추 지지체, 피부미용재료 등으로 널리 활용되고 있는 재료이다.

2. 나노초 펄스 레이저

나노초 펄스 레이저(nanosecond pulse laser) 는 나노초(10-9초) 정도의 시간 동안 지속되는 펄스형 레이저를 의미한다.

KIST 홍보실 제공