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  • 기사등록 2020-10-06 12:00:02
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▲ 한국과학기술연구원(KIST) 생체재료연구센터 전호정 박사팀이 생체 이식용 재료 표면에 기존보다 세 배 이상 우수한 결합강도를 갖는 세라믹 인공뼈 코팅 기술을 개발했다.



[기계신문] 인구 노령화와 함께 현대 사회로 발전하면서 골질환이 급증하고 있으며, 골질환 치료를 위한 치과용·정형외과용 임플란트의 사용이 증가하고 있다.


A.D. 1세기경 로마시대에 철을 치아 대용으로 사용했을 정도로 임플란트의 역사는 오래되었다. 하지만 오랜 역사에도 불구하고 체내 뼈조직과 결합이 빨리 이루어지지 않아 헐거워지거나 염증이 생겨 2차 수술을 해야 하는 등의 문제가 발생한다.


뼈와 동일한 성분으로 이루어진 인공뼈를 임플란트 소재에 코팅하여 이러한 문제를 해결하기 위한 방법이 시도되고 있다. 기존의 인공뼈 코팅 방법들은 인공뼈 물질을 제작하기 위한 별도의 합성 공정 과정과 장시간의 코팅 공정 시간이 필요하다.


또한, 모재와 인공뼈 코팅층 간의 결합력이 약하여 쉽게 손상되거나 뜯겨 나가는 경우가 많아 실제 임상에서 환자에게 사용될 수 있을 만큼 강한 코팅 방법은 부족한 상황이었다.


이런 가운데 한국과학기술연구원(KIST) 생체재료연구센터 전호정 박사팀이 생체 이식용 재료 표면에 기존보다 세 배 이상 우수한 결합강도를 갖는 세라믹 인공뼈 코팅 기술을 개발했다.



▲ KIST 연구진이 레이저를 이용하여 인공뼈를 세계 최고속 수준으로 구현한 방법과 이로 인해 형성된 코팅층의 구조를 보여주는 모식도



KIST 연구팀은 하루 이상의 시간과 수십 단계의 공정이 필요했던 기존 인공뼈 코팅을 단 하나의 공정만으로 한 시간 이내에 구현 가능한 기술을 개발했다.


이 공정 기법을 이용하면 인공뼈 코팅을 위한 원료 물질을 합성하는 별도의 과정도 필요하지 않고, 고가의 장비와 부수적인 열처리 과정 없이 나노초 레이저(nanosecond laser) 장비 하나만으로 코팅할 수 있다.


뿐만 아니라 현재 임상에서 사용되고 있는 소수의 인공뼈 코팅 기법들보다 더 강한 결합력을 갖는 코팅층을 형성할 수 있다. 또한, 이 공정을 사용할 경우에 금속 표면뿐만 아니라 기존의 공정으로는 구현하지 못하였던 정형외과용 플라스틱 임플란트 등 고분자 소재 표면에도 강한 코팅을 구현할 수 있다.



▲ 레이저를 이용한 인공뼈의 합성과 코팅이 동시에 일어나는 원리를 나타낸 모식도



연구팀은 공정 단계와 시간을 단축하면서도 강력한 코팅을 구현하기 위해, 뼈의 주 성분인 칼슘과 인으로 이루어진 용액 속에 코팅하고자 하는 재료를 위치시키고 레이저를 조사하는 방법을 사용했다. 이때 레이저의 초점 영역에 국소적으로 온도가 증가하면서 칼슘과 인 성분이 반응하여 세라믹 인공뼈(하이드록시아파타이트)가 합성되고 동시에 코팅층이 형성되었다.


이 방법은 기존의 코팅법들이 재료 표면에 코팅하고자 하는 성분을 쌓아 올리는 방식과 달리, 레이저에 의해 인공뼈 성분의 합성이 일어나면서 동시에 재료의 표면이 녹는점 이상으로 가열되어 녹은 후 합성된 채로 다시 굳기 때문에 코팅 결합력을 극도로 증가시킬 수 있었다.


KIST 전호정 박사는 “나노초레이저를 이용한 하이드록시아파타이트 코팅 기법은 현재 생체재료로 많이 사용되고 있는 티타늄, PEEK와 같은 생체비활성 소재의 표면을 간단한 방법으로 생체 활성화시킬 수 있는 기술로, 골융합을 필요로 하는 다양한 의료기기로 확대 적용이 가능하게 하는 게임 체인저 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.



▲ 코팅 방법에 따른 인공뼈 코팅 강도 비교표



레이저를 이용한 세라믹 인공뼈 코팅 기법은 치과용 임플란트, 정형외과용 골절 고정용 임플란트, 척추 고정용 의료기기 등 뼈에 직접 적으로 접촉하며 뼈와 결합이 필요한 모든 의료용 재료 표면에 적용이 가능할 뿐 아니라, 기존 인공뼈 코팅 방법보다 코팅 공정 스텝, 소요 시간을 대폭 줄일 수 있어 제품 가격을 낮춰 환자의 비용 부담을 줄일 수 있을 것으로 기대된다.


특히, 고분자 표면에 세라믹 인공뼈를 안정적으로 코팅할 수 있는 기술은 세계적으로도 개발된 사례가 없는 만큼, 국내 의료기기업체와 협력하여 세라믹 인공뼈 코팅 기술의 상용화를 통해 원천기술을 선점할 수 있을 것으로 기대된다.


한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 중견연구자지원사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 기능성 재료 분야 국제 저널 ‘Advanced Functional Materials’ 최신 호에 게재되었다.


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한음표 기자 hup@mtnews.net

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