의료용 고분자의 현황과 미래 - CHERIC · 2016-11-09 · 544 Polymer Science and...

544 Polymer Science and Technology Vol. 27, No. 5, October 2016

의료용 고분자의 현황과 미래Present and Future of Biomedical Polymers

강인규1ㆍ이진호2ㆍ박기동3ㆍ김수현4ㆍ나재운5ㆍ한동근4ㆍ노인섭6

| Inn-Kyu KangㆍJin Ho LeeㆍKi Dong ParkㆍSoo Hyun KimㆍJae-Woon NahㆍDong Keun HanㆍInsup Noh

1Department of Polymer Science and Engineering, Kyungpook National University, 80, Daehak-ro, Buk-gu, Daegu 41566, Korea

2Department of Advanced Materials, Hannam University, 1646 Yuseong Daero, Yuseong Gu, Daejeon 34054, Korea3Department of Molecular Science and Technology, Ajou University, 206, Worldcup-ro, Yeongtong-gu, Suwon 16499, Korea

4Center for Biomaterials, Korea Institute of Science and Technology, 5, Hwarangro 14-gil 5, Seongbuk-gu, Seoul 02792, Korea

5Department of Polymer Science and Engineering, Sunchon National University, 255 Jungang-ro, Suncheon, Jeollanam-do 57922, Korea

6Department of Chemical and Biomolecular Engineering Seoul National University of Science and Technology, Gongneung-ro 232, Nowon-gu, Seoul 01811, Korea

E-mail: [email protected]

강인규1980 경북대학교 고분자공학과 (학사)1982 경북대학교 고분자공학과 (석사)1987 일본 교토대학교 고분자화학과

(박사)1987–1988 Kyoto University 박사후 연구원2004–2009 대구나노부품실용화센터 실장1988–현재 경북대학교 고분자공학과 교수

이진호1979 한양대학교 화학공학과 (학사)1981 서울대학교 화학공학과 (석사)1982-1984 한국과학기술연구원 (KIST)

고분자재료연구실 연구원1988 유타대학교 재료공학과 (박사)1988-1993 한국화학연구원

생체의료고분자연구실 선임연구원

1993-현재 한남대학교 화공신소재공학과 조교수/부교수/교수

박기동1981 한양대학교 공업화학과 (학사)1983 한양대학교 고분자화학과 (석사)1990 유타대학교 약제/약제화학과

(박사)1990-1991 Pharmaceutics/Center for

Controlled Chemical Delivery, University of Utah (Post-Doc.)

1991-2000 한국과학기술연구원(KIST), 고분자연구부/생체재료연구센터 선임/책임연구원

2000-현재 아주대학교 분자과학기술학과/ 응용화학생명공학과 교수

김수현1984 서울대학교 섬유고분자공학과

(학사)1992 서울대학교 섬유고분자공학과

(박사)1994–1995 미국 Univ. of Connecticut,

Visiting Scientist2006-현재 Adjunct Prof., North Carolina

State Univ.2012-현재 KU-KIST Graduate School,

교수2011-현재 한국과학기술연구원

영년직연구원

나재운1996-현재 순천대학교 교수2010-현재 한국엔지니어클럽 정회원2011-현재 국가미래연구원 과학기술 ICT

위원2012-현재 한국연구재단 전문위원(RB)

한동근1983 한양대학교 섬유공학과 (학사)1985 한양대학교 섬유공학과 (석사)1993 서울대학교 의공학과 (박사)1995-1996 미국 Caltech (Post-Doc.)2008-현재 과학기술연합대학원대학교(UST)

교수1985-현재 한국과학기술연구원(KIST)

책임연구원

노인섭1989 건국대학교 섬유공학과 (학사)1995 University of Texas at Austin 화학공학과 (석사)1997 University of Texas at Austin 화학공학과 (박사)1995-1997 California Institute of Tech. 화학공학과 (Special Grad. Student)1997-1999 Harvard-MIT Health Science and Technology (Post-Doc.)1999-현재 서울과학기술대학교 화공생명공학과 조교수/부교수/교수2014-현재 서울과학기술대학교 의공학-바이오소재융합 협동과정 교수

1. 서론

의료용 고분자는 질병을 진단 및 치료하는데 사용되고 또한 질병이나 사고로 손상된 신체의 부위를 대체하

는 목적으로 사용되는 재료이며, 인체 내에서 면역거부반응 없이 반영구적으로 그 기능을 유지할 수 있어야 한

다. 또한 최종 제품으로 응용성 및 활용성 측면을 고려할 때 구성성분이 다양하고 물리화학적 개질이 용이하여

여러 가지 기능을 도입할 수 있는 고분자 소재가 각광을 받고 있다. 고분자가 의료용 재료로 사용됨에 있어, 재

료는 생체적합성과 생분해성, 멸균성, 기계적․물리적 성질과 성형가공성 등을 갖추어야 한다.1 의료용고분자는

특별기고

강인규ㆍ이진호ㆍ박기동ㆍ김수현ㆍ나재운ㆍ한동근ㆍ노인섭

고분자 과학과 기술 제27권 5호 2016년 10월 545

그림 1. 의료용 고분자의 역사.

레진, 섬유, 탄성고분자 및 생분해성 플라스틱으로 구성되어

장비, 의료기기, 패키징, 조직공학, 약물전달 등과 같은 다양

한 헬스케어에 적용되고 있다.

의료용고분자의 역사는 1860년대 무균수술과 함께 시작

되었으며, 1900년대 초기에는 금속이 골절환자에게 적용되

기 시작했으나, 1940년대 폴리메틸메타아크릴레이트가 인

체의 조직과 장기를 대체하면서 본격적으로 활용되었다.

1950-1960년대에는 인공심장과 신장투석기에 고분자를 적

용하기 시작했으며, 이후에 안경과 콘택트렌즈에 적용하였

으며, 1990년대에는 고분자가 생체재료의 50% 이상이 적용되

었고, 2000년대부터는 인공피부, 신장투석막으로의 적용과

함께 생분해성 고분자를 조직공학 및 약물전달체 등으로 적용

함으로써 기능성 의료용고분자 시대로 전개되고 있다(그림 1).

한국고분자학회의 의료용고분자개발의 역사는 1990년대

부터 시대적 연구개발 동향(그림 1)에 따라 비분해성 의료용

고분자, 합성/천연고분자, 세라믹-금속과의 하이브리드 고

분자, 약물전달용 고분자, 조직공학용 고분자, 생체모방고분

자, 3D 바이오프린팅고분자, 나노특성의 고분자 등을 포함

한 다양한 의료용 고분자들을 다루었다. 의료용 고분자분과

는 1993년 김은영 박사 외 50인의 발기인(위원장/1994년 1대

부문위원장 성용길 박사)으로 구성하여 한국화학연구원에서

“International Symposium on Biomaterials and Drug Delivery

(ISBD)” 제 1회 국제심포지엄을 개최하였으며, 1995년에는

재미과학자 아이와대학의 박준부 박사, 유타대학의 김성완

박사와 외국과학자 알란 호프만 박사, 제임스 앤더슨 박사,

조셉 로빈슨 박사, 조셉 안드레이드 박사 등을 모시고 제 3회

ISBD 국제학회를 개최함으로써 분과로서의 면모를 갖추게

되었다. 1995년 이래로 이해방 박사(2대), 김영하 박사(3대),

조종수 박사(4대), 강인규 박사(5대), 이진호 박사(6대), 박태관

박사(7대), 박기동 박사(8대), 김수현 박사(9대), 나재운 박사

(10대), 한동근 박사(11대)가 2년 임기로 의료용분과위원장

을 역임하였으며, 2016년 현재 노인섭 박사(12대)가 의료용

분과위원장의 업무를 수행하고 있다.

의료용고분자는 폴리바이닐클로라이드, 폴리프로필렌,

폴리스타이렌, 폴리에틸렌 등이 일반적으로 섬유와 레진형

태로 산업적으로 적용되고 있다. 열가소성 탄성고분자와 고

무 라텍스가 의료용고분자 시장의 탄성체를 구성하고 있으

며, 폴리에틸렌은 의료용 패키징에 적용되고 있으며, 폴리락

타이드, 폴리글라이콜라이드와 같은 생분해성 고분자들은

식품의약품안전처와 같은 당국에 의해 강력한 규제를 받으

면서도 급격히 산업적인 적용범위가 확대되고 있다. 최근에

는 아시아태평양 국가에서 의료용 고분자시장의 증가가 두

드러지고 있다.

나노마켓(NanoMarkets) 산업분석회사의 “Worldwide

Medical Polymer Markets 2013-2020” 자료에 따르면, 세계

고분자시장은 Bayer Material Science, Celanese, Dow Corning,

Dow Chemical(미국), DSM, DuPont(미국), Eastman Chemical,

Evonik(독일), Solvay(PEEK, 폴리술폰 등 고강도 의료용 고

분자 판매) 등의 회사를 포함하고 있다. 산업적 측면에서는

2011년 20억 달러의 판매시장을 형성했으며(Frost & Sullivan),

2013년 23억 달러에서 2018년 35억 달러의 시장을 형성할 것

으로 예측하고 있다. 임플란트 고분자는 의료용 재료 중에서

금속에 비해서 가격이 저렴하고 가볍기 때문에 티타늄과 같

은 금속재료를 대체하고 있으며, 현재 생산된 의료용 고분자

의 50% 정도가 임플란트에 적용되고 있으며, 2018년 16억

달러에 이를 것으로 예상되고 있다. 또한 의료용 고분자는

2013년 현재 폴리비닐클로라이드, 초고분자량 폴리에틸렌,

폴리메틸메타아크릴레이트, 폴리스타이렌, 폴리프로필렌 등

의 고분자가 의료용 고분자로 약 26%를 차지하고 있고, 카테

터, 고무장갑, 주사기 등과 같은 소프트 상업용 탄성고분자들

이 주로 사용되고 있으나, 최근에는 약물전달시스템, 심혈관

시스템, 혈액채취기구에 의료용고분자의 사용이 증가하고

있고, 생분해성 고분자와 의료용 이미징 산업으로 그 적용범

위가 점차 확대되고 있으며, 2018년에는 진단시스템에 고분

자의 시장이 14억400만 달러로 확대될 것으로 예측하고 있

다(그림 2).

특별기고 | 의료용 고분자의 현황과 미래


그림 2. 의료용고분자의 시장예측(NanoMarkets, 2013). 그림 3. 혈액성분과 재료표면의 상호작용.

의료용고분자는 기술개발측면에서 과거에는 비분해성의

고분자들에 대한 연구가 활발히 진행되고 산업적으로 실용

화가 성공적으로 진행되었으나, 최근에는 조직의 구성성분

인 세포와 세포외기질의 상관관계, 상호작용, 생체활성물질

의 영향 등에 대한 메커니즘을 기반으로 의료용고분자를 디

자인 하고 있으며, 이러한 의료용고분자를 조직공학재생의

학, 약물전달체 등으로 적용하는 생분해성 고분자에 대한 연

구가 활발히 진행되고 있다. 특히 인체의 생물학적 기능모방

을 위하여 세포와의 상호작용을 조절하려는 의료용 고분자

연구가 나노/마이크로 레벨(마이크로패턴, 나노입자)에서

진행됨과 동시에 고분자 크기(나노 탄소고분자 및 나노탄소

고분자 복합재료)를 나노레벨에서 이해하려는 연구와 함께,

생체조직 및 장기형상을 동일한 모습으로 재현할 수 있는 기

술로서 3D(바이오)프린팅에 적용할 수 있는 의료용고분자

소재개발 연구가 활발히 진행되고 있다.

의료용 고분자의 특성과 연구개발 및 실용화 현황을 기반

으로, 본 논고에서는 의료용 고분자-생체시스템과 계면현상

에 대한 기초지식에 대한 이해를 바탕으로, 의료용 고분자의

종류(천연고분자, 합성고분자, 분해성 고분자, 비분해성 고

분자, 하이브리드 고분자) 및 응용(의료기기, 조직공학과 약

물전달) 등에 대하여 고찰하고자 한다.

2. 의료용 적용을 위한 고분자와 생체시스템의 기초와 계면현상

2.1 혈액성분과 고분자의 계면현상

의료용 고분자재료를 생체에 이식하고자 할 경우 이식된

재료는 생체부위에 관계없이 혈액과 접촉하게 된다. 이 경우

혈액은 본능적으로 외부에서 들어온 재료와 접촉하게 되고,

단백질 흡착 및 변형, 혈소판 점착 및 활성화 등을 동반하며

혈액응고 반응을 일으키어 혈전을 형성한다(그림 3). 이렇게

생긴 혈전은 모세혈관을 막기도 하고 신경을 압박하는 등 여

러 가지 부작용을 유발한다. 따라서 체내에서 고분자재료가

혈액과 만났을 때 혈액에 자극을 적게 주는 소재를 찾는 소

위 혈액적합성 고분자 연구가 1980년경부터 활발히 이루어

져 왔다. 특히 혈장단백질이 잘 흡착되지 않는 재료표면, 혈

소판 점착이 적거나 점착혈소판이 크게 활성화되지 않는 고

분자표면을 찾는 연구가 많이 진행되었다. 동경여자의과대

학의 Okano 등은 히드록시에틸메타크릴레이트(HEMA)와

스타이렌(St)으로 구성되는 양친매성 블록 공중합체가 높은

혈액적합성을 나타낸다고 보고하였다.2 동경대학의 Ishihara

등은 포스포릴코린 구조를 측쇄에 갖는 공중합체(MPC)가

높은 혈액적합성을 나타낸다고 보고하였다.3

Kim 등은 폴리우레탄 표면에 술폰화 폴리에틸렌옥시드

(PEO-SO3-)를 고정화하여 우수한 항혈전성을 나타낸다는

“negative cilia concept”을 보고하였다.4 또한 Imanishi 등

은 항응고 물질인 헤파린을 직접 또는 폴리에틸렌옥시드

(PEO) 사슬을 고분자 표면에 고정화 시키는 연구를 수행하

여 왔다.5 또한 최근에는 혈관 내부구조와 유사한 구조를 만

들고자 혈관 내피세포를 고분자튜브 내부에 배양시켜 인공

혈관으로 이용하고자 하는 연구가 진행되었다.6

2.2 세포와 고분자의 계면현상

세포는 인지질 2중막으로 둘러싸여져 있고, 여러 종류의

단백질 및 당단백질 들이 2중막 사이에 끼어져 있다(그림 4).

이러한 세포막은 유연성을 가지고 있으며 필요에 따라 수축-

팽창을 자유롭게 하고 전체적으로 막 표면은 음전하를 띠고

있다. 세포는 기질의 변형이 적은 쪽으로 뻗어나가는데 이것

은 기질변형이 적은 쪽이 axon elongation에 대한 저항이 적

기 때문이다.

세포가 성장하기 위해서는 일정한 고정기점이 필요한데

이것을 anchorage dependence라 한다. 폴리스타이렌 petri

dish는 친수성이 낮아서 그 자체로는 세포가 잘 붙지 않지만,

화학적 etching이나 코로나 처리 등을 하게 되면 친수성이

향상되어 조직배양용 기질로서 이용할 수 있다. Baier 등은

세포접착에 있어서 기질의 젖음성 역할이 중요하다고 보고



그림 4. 세포막의 구조.

그림 5. 세포접착용 매트릭스의 설계 방법(출처: 생체기능재료학, 자유아카데미, 2007).

하였다.7

단백질을 함유하는 용액에 고분자 지지체를 접촉시키면,

단백질은 빠르게 지지체 표면에 흡착한다. 이 경우 지지체의

친수성 정도에 따라 흡착단백질의 양, 구조, 선택성 등이 영

향을 받게 되며, 세포접착은 흡착된 단백질의 성질과 밀접한

관계를 갖게 된다. 지지체 표면의 물 접촉각이 아주 크거나

작은 경우를 제외한 중간 정도의 물 접촉각을 나타내는 재료

표면에서 세포접착율이 높게 나타난다는 보고가 있다8. 이와

같이 중간정도의 물 접촉각을 나타내는 표면에서 세포접착

이 극대화 된다는 보고는 다른 연구팀에 의해서도 확인되었

다. 즉 폴리펩타이드 측쇄에 불소, 실리콘, 수산기 등을 도입

하면 넓은 범위의 친수성을 갖는 표면이 얻어진다. 이들 중

70-80o의 물 접촉각을 나타내는 표면에서 세포가 대량 부착

하는 것이 밝혀졌다. 또한 시판되는 필름을 플라즈마 처리하

여 얻은 다양한 친수성의 기질을 이용한 세포접착실험에서

도 비슷한 결과가 나왔다.

2.3 조직/세포적합성 고분자의 설계

생체 내에 존재하는 세포들은 주위의 자극에 매우 민감하

며, 그 응답 기능 또한 매우 정교하다. 따라서 합성고분자만

으로 조직세포를 만족시킬 수 있는 재료를 설계하기란 거의

불가능하므로 합성고분자에 생리활성물질을 도입하여 세포

적합성을 높이려는 연구가 등장하게 되었다(그림 5). 콜라겐

은 생체 내에서 가장 많이 존재하는 단백질로서 세포의 접착

성을 크게 촉진시킨다. 피브로넥틴은 생체 내에 존재하는 양

은 적지만 콜라겐과 마찬가지로 세포접착을 가속화 시키는

혈청단백질이다. 따라서 콜라겐이나 피브로넥틴이 어떻게

세포의 접착과 뻗음을 촉진시키는지에 대해 연구하여 Arg-

Gly-Asp(RGD)의 아미노산 배열을 갖는 부위가 활성지점

임을 밝혔다9. 그 이후 RGD 또는 이들 배열을 포함한 올리고

펩타이드를 재료표면에 고정화하여 세포접착을 높이려는 연

구가 많이 진행되었다.

포유동물의 간세포는 탄수화물 배열(sequence)의 미묘한

변화를 인식한다. 순환혈액중의 당단백질의 말단에서 sialic

acid가 제거되고 갈락토오스가 새로운 당단백질의 말단으로

되면, 이들은 간세포에 의해 특이적으로 인식된다는 사실이

밝혀졌다. 이를 힌트로 하여 Kobayashi 등은 락토오스를 측

쇄의 치환기로 한 폴리스타이렌 유도체(PVLA)를 합성하고

이들과 간(liver)세포와의 상호작용에 대해 많은 연구를 하

였다. 일반적으로 간세포(hepatocytes)는 합성고분자 표면

에는 접착을 하지 않으나, PVLA를 코팅한 표면에는 간세포

가 잘 접착하여 생인공간 연구에 새로운 전기를 마련해 주고

있다. 세포 내외의 미세환경을 제어하고, 세포의 증식, 분화,

프로그램화 된 세포사멸, 조직화 등의 기능을 자유로이 조절

할 수 있다면, 인간의 조직이나 장기를 재구축 ․기능 발현시

키는 것을 최종목표로 하는 생체재료 응용분야, 예를 들면 인

공장기, 재생의료, 조직공학은 상당히 진전하게 될 것이다.



그림 6. 폴리올레핀의 구조식 및 PE의 hip 조인트 내 적용 예(출처 : http://www.hipandkneesurgery.ie/hips-conditions.html).

재료 응용

Fluorocarbons 인공혈관, 케테터, 구강약물투여제재

Polyacetal 인공심장판막골격

Polyamides 봉합사, 카테터

Polystyrene 채혈용 분리기구, 인공 신장, 검사용 플레이트

Polypropylene 채혈용 분리기구, 인공 신장, 수혈 관련 세트, 침

Polyacrylonitrile 인공신장

Poly(methymethacrylate) 골 시멘트, 인공수정체, 인공각막, 콘텍트렌즈

Polyolefins 카테터, angioplasty balloons

High crystallinity polyolefine films Angioplasty balloons

Polysulfones 골격성형, 외과 성형제재

Polyurethanes 카테터, 인공심장, 창상드레싱, 창상보호제

Poly(vinyl chloride) 혈액백, 채혈, 수혈관련 세트

Silicons 인공심장판막의 poppets, 인공가슴, 창상드레싱

Ultra high molecular weight polyethylene 관골구 정합부, 고강도 섬유

표 1. 의료용 비분해성 고분자 재료 제품별 용도13

현재 간세포, 취장, 혈관세포, 신경세포 등의 조직공학

chip, 인공장기 제조, 줄기세포, 배아줄기세포로부터 필요한

기능세포를 만들어 내는 다양한 연구가 국제적 규모로 전개

되고 있다. 그렇지만 세포배양이나 세포조직화 시스템이 공

통으로 갖고 있는 난점은 생체외 환경에서는 세포의 기능제

어가 가능하지만 현상유지는 충분히 될 수 없다. 예를 들면

지금까지의 연구로부터 간장에서 취해진 초대간세포의 간

기능이 단리 직후부터 급속히 저하되어 버려, 단백질 합성능,

약물대사능 등을 필두로 그 능력은 체내에서와는 현저하게

달리 감소하는 것이 명료하다.

상기에서 언급한 바와 같이 이상적인 생체적합성 재료를

설계하기 위해서는 천연고분자, 합성 분자, 생리활성분자, 줄

기세포를 이용하여 얻은 생체분자 및 세포를 적절히 활용하

는 것이 필요하다. 이러한 연구는 고분자화학이 생화학, 세포

생물학, 분자생물학 등과 잘 융합이 될 때 그 결실을 맺게 될

것이다. 이러한 기초지식을 바탕으로 의료용 고분자로 이용

되고 있는 비분해성 합성고분자, 분해성 천연고분자와 고분

자 기반의 하이브리드 고분자들의 특성을 알아보고, 이들의

다양한 응용의 예로서 하이드로젤 및 조직공학에 적용되는

고분자들에 대한 최신 동향을 고찰하고자 한다.

3. 비분해성 의료용 고분자

3.1 비분해성 고분자 소개

비분해성 합성고분자의 대표적인 특징은 생체 내 비활성

특성이며, 궁극적인 목표는 생체와 재료간의 반응을 최소화

하는 것이다. 1936년 폴리메틸메타아크릴레이드(poly(methyl

methacrylate))를 이용하여 콘택트렌즈를 개발하였으며, 1941

년 강인한 고분자인 나일론을 이용하여 수술용 봉합사를 개

발한 것이 시초가 되었다. 1960년대 말부터 본격적으로 비분

해성 합성 고분자의 의료용 적용에 대한 연구가 본격적으로

수행되었으며, 대체하고자 하는 조직의 물리적 특성을 재현

하고, 독성을 최소화 하는 것에 초점을 두어 연구를 수행하였

다. 이와 같은 추세에 힘입어 1980년대에는 40여 종의 고분

자소재를 이용하여 50여 종의 이식용 생체재료가 개발되었

다. 1980년대 초 생분해성 고분자의 연구가 시작되면서 체내

이식용 비분해성 고분자의 비율이 줄어들었지만, 현재까지

도 인공혈관, 콘택트렌즈 등을 비롯하여 카테터, 의료기구 등

에 다양하게 사용되고 있다(표 1).

3.2 비분해성 고분자의 종류와 응용

3.2.1 폴리올레핀(Polyethylene, Polypropylene)

폴리에틸렌(polyethylene, PE)과 폴리프로필렌(poly-

propylene, PP)은 상업적으로 가장 많이 쓰이는 고분자이다.

PE는 높은 경도와 소수성을 가지고 있으며, 고분자의 밀도에

따라 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)

으로 구별된다. LDPE는 카테터를 만드는 재료로 사용되며,

HDPE는 강인한 특성으로 인해 힙조인트(hip joint)의 골

두를 지지하는 재료로 사용된다(그림 6). PP는 생체재료에

가장 많이 사용되는 재료 중의 하나로서, 대표적으로 주사

기 몸체를 만드는데 사용된다. PE와 비닐아세테이트의 공

중합체인 poly(ethylene-co-vinyl acetate)(PEVAc)는 FDA

승인을 받은 재료로서 약물전달용 재료로 사용되고 있다.



그림 7. 폴리테트라플로로에틸렌의 구조식 및 인공혈관 적용 예(출처 : https://biotextiles2014.wordpress.com/).

그림 8. 폴리에틸렌텔레프탈레이트의 구조식.

그림 9. 아크릴계 고분자 구조식과 PMMA 안내렌즈 적용 예(출처 : http://www.dahlgren.in/intraocular-lens.html).

그림 10. 폴리실록산 구조식 및 가슴 보형물 적용 예(출처: http://laradevganmd.com).

그림 11. 폴리우레탄 구조식 및 카테터 적용 예(출처: https://www.esutures.com/).

3.2.2 폴리테트라플루오로에틸렌(Polytetrafluoroethylene, PTFE)

테플론(Teflon)으로 알려진 PTFE는 화학물질에 대한 저

항성이 가장 크고, 열안정성을 갖기 때문에 소독이 간편하며,

생체 내에서 혈액과의 생체적합성이 우수하여 혈액과 접촉

하는 재료로 많이 사용된다. 특히, 뛰어난 소수성을 가지고

있기 때문에 인공혈관용 재료로서 사용되며, GORE-TEX라

는 상품명으로 인공혈관으로 상용화되어 있다(그림 7).

3.2.3 폴리에틸렌테레프탈레이트(Poly(ethylene terephthalate),

PET)

PET는 주로 섬유구조물의 형태로 사용되고 있으며, 인공

혈관이 대표적인 예이다. Dacron이라는 PET 인공혈관은

1957년 상품화 되었는데, 현재까지 직경 5 mm 이상의 혈관

대체제로 성공적으로 임상 적용되어 실용화되고 있다(그림

8). 이 외에 강인한 특성으로 인해 다양한 의료용구를 보강하

는데 사용되고 있다.

3.2.4 아크릴계 고분자 [Poly(methyl methacrylate)(PMMA),

Poly(2-hydroxyethyl methacrylate)(PHEMA),

Poly(N-isopropylacrylamide)(PNiPAAm)]

메틸메타아크릴산중합체(PMMA)는 소수성(hydrophobicity)

으로서 뛰어난 광 투과성, 경도(hardness) 및 광택 때문에

안내렌즈(intraocular lens)와 경성 콘텍트렌즈로 사용되어

지고 있으며, PHEMA는 MMA에 메틸렌수산기를 도입한

고분자로 연성 콘텍트렌즈에 사용되어지고 있다. 이 외에 약

물전달이나 세포전달용 매트릭스, 힙조인트(hip joint)의 접착

제, 치과용 접착제 및 수복용 재료로 다양하게 활용된다(그림 9).

3.2.5 폴리실록산(Polysiloxane)

실리콘으로 불리는 폴리실록산은 인체에 가장 많이 사용되

는 검증된 고분자 재료이다. 폴리디메틸 실록산(poly(dimethyl

siloxane), PDMS)은 분자량 및 가교 정도에 따라 액체에서

부터 고체까지 다양한 제형을 갖는다. 이는 혈액이 잘 붙지

않는 특성이 있어 주사기나 바늘, 채혈 도구를 코팅하는데 사

용된다. 이처럼 우수한 혈액 적합특성으로 인하여 심장판막

으로 사용이 가능하며, 혈액 투석용품 및 인공심장의 부품에

들어가기도 한다. 또한, 다양한 종류의 카테타, 인공요도를

비롯하여 특히, 성형용 재료인 유방, 성기, 턱, 코 등의 성형

에 사용되기도 한다(그림 10).

3.2.6 폴리우레탄(Polyurethanes)

폴리우레탄은 유연하면서도 기계적 강도가 높은 특성을

갖기 때문에 지난 50년간 가장 많이 의료용품에 사용된 생체

재료이다. 혈액 및 조직에 적합성이 매우 뛰어나기 때문에 인

공유방, 인조혈관, 카테타, 인공심장판막 및 인공심장용 재료로

폭 넓게 사용되고 있으며, Biomer라는 상품으로 판매된다. 폴

리우레탄은 표면 개질이 용이한 고분자이다. 이를 통해 혈전

의 생성을 억제하고, 세포 또는 조직과의 방응을 향상시킬 수

있다. 이는 재료가 지닌 물성의 장점을 최대로 이용하면서 세

포의 생장능을 향상시킬 수 있는 방안이 될 수 있다(그림 11).

3.3 비분해성 고분자의 전망

비분해성 고분자는 생체와의 비활성화, 조직대체제로서



(a) (b)

그림 12. 대표적 의료용 천연고분자 구조(a: 키토산, b: 알긴산).

의 우수한 기계적 물성, 가공 및 멸균의 편의성으로 인해 재

생의학 분야에서 널리 사용되어 왔다. 하지만, 이식 후 장기

간이 지나면 인산과 결합하여 석회화를 일으키면서 열화

(deterioration)현상이 일어나고 유연성을 잃는 등 이식재로

서의 한계점을 가진다. 따라서, 다양한 생체재료와의 결합 및

가공을 통하여 이러한 점을 개선해 나간다면 기존의 한계점

을 극복해 나갈 수 있을 것이다.

4. 의료용 천연고분자

천연고분자는 미생물에 의한 생합성, 식물 또는 동물에서

추출되어진 유용 고분자를 총칭하여 부른다. 천연고분자는

합성고분자들에 비해서 인체내 면역반응 유발이 낮다는 특

성을 갖고 있음과 동시에 생체적합성이 우수하다. 또한, 천연

고분자의 경우 물질 자체로서 다양한 생리활성 특성을 갖고

있어 의료용 소재로 적용시 이러한 특성을 동시에 발현 시킬

수 있는 다기능성 생체재료로 활용할 수 있다.15

의료용 천연고분자는 고분자가 추출되어지는 생물체에

따라서 동물계 중 인체를 포함한 척추동물 유래, 곤충 유래,

갑각류 유래, 그리고 식물 유래와 미생물 유래 등으로 분리할

수 있다. 식물 유래 천연고분자에는 세포벽의 주성분인 셀룰

로오즈와 감자 주성분인 전당, 해조류에서 추출하는 알긴산,

아가로스 등이 있다. 미생물 유래 천연고분자는 그람 음성균

박테리아가 비정상적인 상황에서 생산하는 폴리하이드록시

알카노에이트 계열의 고분자가 있고, 이 중 폴리하이드록시

뷰틸레이트가 미생물에 의해서 분해되는 성질을 이용하여

분해성 포장재로 사용되고 있다. 갑각류 유래 천연고분자는

키틴과 이의 화학적으로 개질된 키토산이 있다. 곤충 유래로

는 실크 단백질이 대표적이다.16

이러한 천연고분자를 이용하여 의료용 소재로 활용하기

위하여 많은 연구자들에 의해 고분자들이 합성되어 그 응용

가능성을 타진하였으나 재료 자체의 독성뿐만 아니라 인체

내 분해산물의 독성으로 인해 실용화까지 도달할 수 있는 성

과는 많지 않다. 이러한 문제점을 효과적으로 극복할 수 있는

대표적인 의료용 천연고분자는 키토산, 알지네이트, 콜라겐

등이 있으며, 의료용 소재로 활용이 가능한 이들의 물리화학

적 개질, 제형 등의 개발에 관하여 많은 연구가 진행 중에 있

으며, 이들의 전망에 대해 소개하고자 한다.

4.1 의료용으로서 천연고분자의 응용 및 동향

천연고분자로서 의료용 소재로 각광을 받고 있는 대표적

인 후보 물질에는 키토산, 알긴산, 콜라겐 등이 있으며, 이러

한 소재의 응용연구가 활발히 진행 중에 있다.

4.1.1 키토산

생체적합성 재료인 키토산은 게나 새우와 같은 갑각류로

부터 추출한 키틴을 탈아세틸화하여 제조된다(그림 12a). 키

토산이 의료용 재료로써 가장 우수한 특성으로는 생체적합

성뿐만 아니라 생분해성, 무독성, 비면역성 등이 있다. 이러

한 특성으로 인해 지금까지 많은 연구자들이 키토산을 이용

한 잇몸뼈와 임플란트의 결합력을 높이는 코팅용으로 많이

응용하고 있다. 또한, 인공피부 소재로서 돼지피부나 동물성

단백질로 만든 피브린, 콜라겐 막 등과는 달리 지혈과 통증

완화작용이 있고 상처 치유효과가 있을 뿐만 아니라 인체조

직과 친화성이 우수하여 거부반응이 일어나지 않는다는 장

점을 갖고 있다.17 키토산은 소재 자체의 우수성에도 불구하

고 증류수에 대한 용해성이 매우 낮아 의료용 소재로 활용하

기 위해 화학적 개질 또는 염(salt)을 이용하여 용해도 향상

에 관한 연구 및 이의 활용 연구가 진행되고 있으나, 키토산

의 화학적 구조의 변화로 인한 의료용 소재로 활용에 있어서

문제점이 있다. 그러나, 염이나 화학적 개질 없이 키토산의

물에 대한 용해성을 향상시킬 수 있는 수용성 키토산 개발에

성공함으로써 난용성 약물을 인체 내의 원하는 부위에 전달

시킬 수 있는 효율적인 약물전달체 개발, DNA와 효율적으

로 복합체를 형성할 수 있어 유전자치료를 위한 유전자전달

체 분야에 있어 많은 연구가 활발히 진행되고 있다.18

또한 키

토산의 항균력을 활용한 여러 가지 산업화 분야에서 활용되

어지고 있다.

4.1.1.1 창상피복 보호재로서 키토산

일본에서 90% 이상의 전신화상을 섬유상 키토산으로 회

복시킨 것을 계기로, 환자의 상처 통증을 완화하고 상처부위

에 쉽게 접착되어 피부재생을 촉진하고 상처에서 분비되는

삼출액의 제거에 사용되고 있다. 초반에는 키틴을 습식 방사

시켜 창상 보호제를 제조하였는데, 이 시트를 상처부위에 접

촉시키면서 상처의 회복속도가 빠르고 통증이 현저히 감소

되는 효과를 보였다. 이 창상피복 보호제는 인공피부(부직포



형, 상품명 : 베스키틴W)로 발매 하였는데, 상처부위에 키토

산 아세테이트용액을 적용시킴으로써 키토산 필름을 형성하

여 수분을 흡수하고, 라이소자임에 의해 서서히 붕괴되기 때

문에 상처가 완치된 후에 제거할 필요가 없다.16

현재는 키토

산 자체만을 사용하고 있지만 형상을 유지하기 위해 보조제

로서 실리콘, 폴리우레탄 등을 이용하여 이들의 높은 투습성

과 공기 투과능을 높이는 시도가 이루어지고 있다. 이러한 제

형에서 키틴이나 키토산은 상처 치유를 촉진하고 보조제는

상처를 보호하는 역할을 한다.

4.1.1.2 치과 ․안과용 소재로서 키토산

키틴이나 키토산의 항균성을 이용하여 치약이나 치분의

첨가제로 사용하면 충치를 예방할 수 있다. 구강 충치발생에

관여하는 스트렙토코커스 무탄스(streptococcus mutans)을

흡착 혹은 구강이 pH 유지효과를 발휘하여 치아의 부식이나

플라그 형성을 방지하며, 인산화 키틴은 구강내 다른 연쇄 구

균에 대해 강한 흡착력을 보여 충치 억제제로서 기대되고 있

다. 또한 치아를 뺀 후 잇몸절개 및 절단 수술을 하였을 때 치

아와 잇몸을 연결시키는 결합조직에 대한 재생능력이 매우

크기 때문에 사용되고 있고, 키틴 스폰지로 수술부위를 덮어

주면 세균번식도 억제되고 치유력도 높아 치과용 임플란트

로서 응용이 가능하다.16 이외에도 안과분야에서는 키틴이나

키토산을 이용하여 렌즈의 투과성을 높여 안구의 상처 치료

가 매우 우수하여 손상된 안구에 키토산 액체를 주입하면 상

처 치유가 촉진될 수 있다.

4.1.2 알긴산

알긴산(그림 12b)은 자연산 다당류로, 미역, 다시마와 같

은 갈조류의 중요 구성 성분이다. 알긴산은 생체적합성이 뛰

어나고 독성이 낮으며 가격이 비교적 저렴한 장점이 있다. 또

한, 알긴산 수용액은 2가 양이온(예: Ca2+)과 결합하여 하이

드로젤을 비교적 쉽게 생성한다. 알긴산은 의료용 재료로서

조직공학뿐만이 아니라 다양한 분야에서 사용되어 왔고, in

vitro 및 in vivo 조건에서 뛰어난 생체친화성과 낮은 독성을

가진 것으로 알려져 왔다. 또한, 조직공학에 있어서 생체적합

성은 이식된 세포가 체내에 존재하기 위해 가져야 하는 재료

의 중요한 성질이고, 생체내 숙주반응(host response)에도

영향을 미치게 된다. 이러한 특성을 갖는 알긴산을 이용하여

제조된 알긴산 하이드로젤은 다량의 수분을 함유하고 있어

생체조직 내 세포외기질의 기능을 모방함으로써 세포들에게

일정한 공간을 제공하고 물과 영양분을 용이하게 공급하는

기능을 가지게 된다.18 조직공학에 있어서 알긴산 하이드로

젤은 현재 연골, 뼈, 근육, 혈관 등 많은 조직의 재생 연구에

많이 응용되어지고 있다.

4.1.2.1 연골재생 소재로서 알긴산

조직공학에서 손상된 연골을 대체하기 위하여 자가세포를

이용한 연구에 알긴산 하이드로젤이 많이 사용되고 있다. 알긴

산을 아디프산 다이하이드라자이드(adipic acid dihydrazide)

를 가교제로 사용하여 다공성 하이드로젤을 제조하고 동결 건

조시킨 후 연골세포와 같이 생체 내에 주입하는 경우, 1 시간 이

내에 다시 수화되어 원래의 모양과 크기로 복원된다. 한편, 성

체 줄기세포를 이용한 연골조직재생 연구가 현재 활발히 진행 중

이다. 면역억제 사이토카인인 형질전환성장인자 β(tansforming

growth factor, TGF-β), 스테로이드제인 덱사메타손과 ascorbate-

2-phospahate를 함유한 알긴산 하이드로젤에 인간 중간엽

줄기세포를 내포하여 연골조직을 재생 유도하는 연구가 진

행되었고, 인간 지방유래 성체 줄기세포를 알긴산 하이드로

젤을 이용하여 연골조직으로 분화시키는 연구도 진행되고

있다.18

4.1.2.2 신경재생 소재로서 알긴산

알긴산 하이드로젤은 봉합수술을 할 수 없는 중추신경의 결

손부위를 연결하는 접착제로서 사용하였고, 손상된 척추재생

에도 사용 가능함이 보고되었다. 또한, 알긴산 하이드로젤은

말초신경계의 재생에도 사용되었다. 높은 점성을 가진 알긴산

수용액은 신경결손 쥐 모델에서 perineurial granulation을 억

제하였고 높은 생체친화력을 보였으며, 6주 동안 염증반응을

억제하면서 신경다발막 재생을 촉진하였다. 에틸렌다이아민

을 사용하여 공유결합 시킨 알긴산 지지체를 고양이 좌골 신

경조직의 50 mm 크기의 결손부위에 주입하여 놀라운 신경

재생 효과를 보고하고 있다.18

4.1.3 콜라겐

콜라겐은 인간을 비롯한 동물의 체내에서 세포와 세포사이

를 메우고 있는 아주 중요한 섬유상태의 경단백질(albuminoid)

이다. 세포가 다수 집합되어있는 부위에는 반드시 콜라겐이

존재하고 있으며, 특히 피부, 뼈, 연골, 혈관벽, 치아, 근육 등

에는 콜라겐이 다량으로 존재 하는 중요 단백질로 척추동물

에 함유되어있는 단백질의 1/3이 콜라겐구조를 가지고 있다.

콜라겐은 각분자의 분자량이 약 10만인 폴리펩티드 사슬 3개

가 엉킨 나사선(triple helix)의 2차적 구조를 가지면서 다시

2중 나사선 구조 3중 나사선 형태를 가지고 있으며, 생화학적

으로 세포외기질 성분에 존재하는 끈적거리는 물질로 세포

사이에서 접착력을 발휘하여 세포를 연결해준다. 현재 혈관내

세포증식, 형태형성 등에 대한 연구를 진행한 결과 콜라겐의

보강효과나, 우수한 생체적합성으로 인해 인공혈관에 응용

되어지고 있으며, 의치나 인공뼈 뿐만 아니라 산소 투과성효

율이 증가된 콘텍트렌즈 분야에도 활발하게 응용되고 있다.



생체재료 종류 장점 단점 응용

고분자-우수한 복원력(탄성)-제조용이-가벼움

-낮은 강도-시간에 따른 변형-시간에 따른 분해

-봉합사, 인공혈관, 인공인대-기타 연조직 및 인공장기-골, 치아접착제, 성형외과 재료-스텐트

금속-고강도-연성 우수-내마모성 우수

-생체적합성 저하-체내 부식성 큼-연조직과 강도 차이 큼-무거움

-인공관절, 치근 이식재-골절 고정 핀/나사/판/와이어-스텐트

세라믹

-생체적합성 우수-불활성-압축강도 우수-내부식성

-깨지기 쉬움-성형이 어려움-복원력 결여-무거움

-인공관절-인공치아

복합재료

-생체적합성 우수-고강도-불활성-내부식성

-제조가 어려움-성형 균일성 부족

-인공관절-인공심장판막-스텐트

표 2. 생체재료의 특성 비교3

4.1.3.1 스텐트 소재로서 콜라겐

콜라겐겔(collagen gel)은 세포의 부착과 세포신호 전달

에 이상적인 대용물로 이용된다. Weinberg와 Bell은 콜라겐

베이스 혈관대용으로 동맥혈관구조를 처음으로 만들어 보고

하였는데 혈관외피를 콜라겐과 섬유모세포로 만들고 중간층

을 평활근세포와 콜라겐으로 내층을 내피세포로 부착하여

관구조(tubular structure)를 만들어 사용하였다.19 또한, 최

근 일본은 콜라겐제 지지체를 사용하는 새로운 인공식도를

고안해 내기도 하였다.19

콜라겐제 지지체는 신장되기 쉬우

며 수축성이 좋은 특징이 있어 원래의 식도와 확실하게 잘

이어지지 않던 기존 인공식도의 문제점을 극복할 수 있을 것

으로 보인다.

4.1.3.2 각막 ․망막 소재로서 콜라겐

외상 또는 각막 질환으로 인하여 시력을 잃는 사람이 세계

적으로 1,000만명에 이른다고 한다. 각막 이식이 유일한 방

법이지만 공급이 매우 한정되어있어 많은 환자들이 각막 공

여자가 나타나기만을 기다리고 있는 실정이다. 생체조직을

이용한 인공각막은 각막 상피세포를 투명한 지지체에 파종

하여 이식하는 방법으로 동물실험에 성공하여 임상적용을

눈앞에 두고 있다. 그러나 망막의 변성이나 손상으로 인한 시

력의 소실은 현재의 의학기술로는 치료할 방법이 없어 망막

신경세포나 색소 상피세포를 단독으로 또는 함께 이식하는

방법이 꾸준히 연구되고 있다.

5. 의료용 고분자-무기 하이브리드 재료

신체의 기능은 노화, 사고, 질병 등으로 인하여 급격하게

손실될 수 있으며, 특히 노령화에 다른 심혈관 질환, 골격계

질환 등이 자연적으로 증가하고 있다. 따라서 단기 또는 장기

간 인체에 이식하여 조직이나 기관의 기능을 치료, 보강, 또

는 회복시키는데 사용하기 위한 의료용 재료의 개발이 활발

하게 이루어져 왔다. 여기서는 대표적인 유(고분자)-무기 하

이브리드 고분자 재료인 스텐트(stent) 및 정형외과용 골절

소재에 대해서 간단히 언급하고자 한다.

5.1 하이브리드 고분자 생체재료

의료용 생체재료는 금속, 고분자, 세라믹, 복합재료가 대

표적이다. 고분자 생체재료는 생체에 유해한 영향을 미치지

않고 체내의 세포들과 접촉되어 사용되는 물질로 높은 생체

적합성, 기계적, 물리적 성질 및 성형 가공성이 소재의 사용

목적에 따라 적용된다. 또한 가볍고 유연한 특성을 보이지만

낮은 기계적 강도 및 시간에 따라 형태가 변형되는 문제를

개선해야 한다. 금속재료는 높은 인장강도 및 인성, 연성을

가지고 있으며 제작하기 쉬우나, 생체적합성이 낮고 무거우

며 부식의 위험이 있다. 세라믹 재료는 생체적합성이 우수하

며 생체 불활성 소재로써 압축강도 또한 우수하고 내마모성

을 가지나, 깨지기 쉬우며 제작하기가 어렵고 낮은 기계적 신

뢰성을 갖는다는 것이다. 최근에는 각각의 소재들의 장점은

향상시키고 단점을 보완시키기 위해 2가지 이상의 재료를 혼

합한 하이브리드 소재에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있

다. 각각의 생체재료의 특성은 표 2에 설명하였다.20

하이브리드 소재는 무기, 금속, 고분자 등 서로 다른 2가지

이상의 소재를 하나의 시스템 내에서 구현하여 각자의 성능

을 유지하면서 시너지 효과를 얻기 위해 개발된 소재이다. 현

재 기초연구, 산업 등의 다양한 방면에서 고분자와 무기물 소

재간의 하이브리드화가 관심을 끌고 있다. 고분자는 주로 탄

소의 사슬화 반응으로 이루어진 유기물 소재이며, 무기물 소

재로는 금속 이온의 산화물, 수산화물, 탄산염, 인산염 등이

있다. 유기물과 무기물은 결합 특성, 물성 등 다양한 면에서

이질적인 성질을 가지고 있기 때문에 서로 잘 섞이지 않을

것으로 여겨질 수 있지만 고분자와 무기물이 서로 혼합되어



그림 13. 마그네슘 세라믹 입자가 함유된 생분해성 고분자 코팅 스텐트의 염증억제.24

있는 고분자/무기 하이브리드 소재는 자연계에서도 많이 발

견된다. 특히 인체는 거대한 유-무기 복합체라고 볼 수 있다.21

최근 생체재료 연구의 국제적인 동향은 기초재료의 개발

보다는 이미 개발된 생체재료를 혼합하거나 개질하여 생체

적합성을 향상시키고 필요한 물성 및 가공성을 향상시키는

방향에 초점을 두고 있다. 따라서 소재의 개발 초기 단계부터

기초의학, 임상의학 및 재료개발 연구팀 간의 긴밀한 공동연

구가 필수적이다.22

5.2 스텐트(Stent)

현대인의 음주, 흡연, 스트레스, 과로 등은 많은 혈관관련

질병으로 이어지고 있으며, 현재 혈관관련 질병으로 인한 사

망은 우리나라를 포함한 선진국에서 동등하게 사망원인 1위

를 차지하고 있다. 심혈관 질환으로 사망하는 사람은 1년에

약 1,200만 명으로 추산되며, 이러한 질환에 대한 대표적인

치료술인 스텐트의 세계 시장 규모는 앞으로도 지속적으로

증가될 것으로 예상된다.

초기의 스텐트는 비흡수성 금속소재로 제작된 금속스텐

트(BMS)로 스텐트 삽입술 후 혈관 평활근세포의 증식에 의

한 재협착의 부작용을 보였다. 이와 같은 부작용을 막고자 약

물이 코팅된 약물방출 스텐트(DES)가 개발되었고, 그 결과

재협착 문제를 크게 줄일 수 있었지만 약물방출 스텐트 표면

에 코팅된 고분자와 약물로 인해 수년 후 혈액이 응고되는

후기 혈전증의 부작용이 새로운 문제로 나타났다. 스텐트를

이식한 후 시간이 지나면 코팅된 생분해성 고분자가 분해되

면서 분해산물인 산성 단량체가 생성된다. 이로 인해 혈관 내

pH가 산성화되면서 혈관 주변 조직세포의 괴사가 일어나고

염증이 발생한다(그림 13). 염증은 재협착을 가속시키는 문

제를 일으킬 수 있기 때문에 이를 해결하기 위한 연구가 진

행되면서 최근 혈관 내 염증과 재협착 문제를 해결해 부작용

을 줄여주는 새로운 무독성 세라믹 나노입자 스텐트가 연구

되고 있다. 기존의 관상동맥용 약물방출 스텐트의 표면에

pH 중화 기능을 가진 무독성의 수산화마그네슘 세라믹 입자

를 코팅한 새로운 심장 관상동맥용 약물방출 스텐트가 개발

되었다. 염증억제제를 첨가한 스텐트가 이전에 연구되었지

만 심한 부작용이 있어 결국 상용화로 이어지지는 못했다. 이

와 달리 생체적합성 세라믹 입자는 인체에 무해하고 약물과

다르게 생체내에서 분해되면서 이로운 마그네슘 이온이 된

다는 장점도 있다. 유-무기 하이브리드 소재가 코팅된 이 스

텐트는 기존 스텐트에 비해 염증은 90%, 협착률은 3배 이상

감소했다. 개발한 생분해성 고분자와 마그네슘 세라믹 입자

의 하이브리드 기술은 스텐트 뿐만이 아니라 생분해성 고분

자를 이용한 거의 모든 의료용 이식소재에 염증억제 방안으

로 확대 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 스텐트는 우리나라

수입 의료용품 최상위 품목으로 수입의존도가 높아 선진국

과의 기술격차를 좁히고 국산화를 위한 원천기술 개발이 필

수적이다. 따라서 국산화를 위한 지속적인 연구개발에 대한

투자가 진행되어야 할 것이다.23,24

5.3 정형외과용 골절소재

골조직용 생체재료 관련 산업은 고령화 시대에 맞춰 유망

한 미래 산업의 하나로 여겨지고 있으며, 골격계의 선천적인

기형 및 질병 또는 산업화에 따라 급증하는 후천성 장애인의

기능회복을 위하여 국내외적으로 생체재료에 대한 새로운

연구가 절실히 요구되고 있는 실정이다. 뼈는 구조적으로 몸

의 형태를 유지하고, 내부 장기를 보호하며, 근육 작용의 지

렛대 역할을 하고, 근골격 부위는 신체의 움직임에 의해 끊임

없는 인장, 압축, 비틀림 등이 작용하기 때문에 적절한 기계

적 강도, 탄성 및 유연성이 요구된다. 인체의 경조직은 고분

자-무기 복합체로 이루어져 있기 때문에 기존의 골 대체 재

료로 사용되었던 금속이나 고분자, 또는 세라믹 단일 소재에

비해 고분자-무기 복합재료는 구조적인 특성이 생체모방적

이며 실질적으로 뼈 재생에 탁월한 기능을 발휘한다. 뼈의 단

단한 정도는 무기질 성분에 의해 결정되는데 칼슘과 인이 대

부분의 성분을 차지하고 있다. 뼈 고유의 강도와 탄력은 무기

질과 유기질의 결합에 따라 달라지며 유기질이 제거된 상태

의 뼈는 부러지거나 깨지기 쉽다. 따라서 손상된 뼈를 재생하

는데 유용한 지지체를 위한 재료는 생체적합성 고분자와 인

산칼슘계 생체세라믹이 하이브리드된 재료가 이상적이라고

볼 수 있다.25

인공관절은 고령화로 인한 류마티스 및 퇴행성 관절염의

증가로 인해 그 시장이 확대되고 있으며, 우리나라에서 산업

화가 가능한 차세대 바이오산업으로 향후 성장이 기대되는

고부가가치 산업이다. 소재의 개발은 내마모성, 내부식성, 인

장강도 등이 우수한 소재를 중심으로 개발되었고, 최근에는

표면을 개질하여 혈전형성, 염증, 물성 변화 등을 최소화하기



그림 14. 고분자 하이드로젤을 이용한 인공 조직체 제조 모식. 3차원 인공 조직체는 조직재생, 동물실험 대체 모델, 기초 생물학 연구를 위한 플랫폼 제공.28

위한 개발이 이루어지고 있다. 인공관절 산업의 세계 시장점

유율 현황은 미국의 Zimmer, DePuy, Stryker, Biomet 등 4

개사와 영국의 Smith&Nephew의 5개 업체가 90%를 장악

하고 있다.

고분자와 무기물은 단독으로도 많은 연구가 이루어져 왔

으나, 최근 나노기술의 발전으로 인해 다양한 고분자-무기

하이브리드 물질이 생체재료로 개발되어 인류의 삶의 질을

향상시키는데 꾸준히 사용될 것이다. 이외에도 치과영역에

서는 고분자-무기 하이브리드 소재가 폭넓게 사용되고 있다.

6. 고분자 하이드로젤을 이용한 조직재생 및 약물전달 기술

고분자 하이드로젤은 3차원 그물망 구조를 갖는 친수성 고

분자로 이루어져 있어 물에 녹지 않는 상태로 다량의 물을 함수

할 수 있는 물질을 의미한다.26

이러한 하이드로젤은 우수한

생체적합성을 바탕으로 물리·화학·생물학적 특성을 쉽게 조

절할 수 있는 장점을 가지고 있어 약물 전달체 및 조직공학용

지지체 등 다양한 생의학적 용도로 활용되고 있다. 다양한 천

연 및 합성 고분자들이 하이드로젤을 제조하는데 널리 사용되

고 있다. 실제로, 고분자 하이드로젤은 1954년에 Wichterle와

Lim에 의해 최초로 개발된 이후, 1961년에 Bausch와 Lomb

이 콘텍트 렌즈를 개발한 사례를 시작으로 1971년에 Burck에

의해 지금의 하이드로젤의 정의가 정립되었다.

고분자 하이드로젤은 제조방법, 이온성, 물리적인 구조,

함수율, 고분자의 종류, 화학적 안정성 및 결합의 형태에 따

라 다양하게 분류된다. 그 중, 고분자 하이드로젤은 고분자

사슬간의 결합상태에 따라 크게 물리적 가교 하이드로젤과

화학적 가교 하이드로젤로 크게 분류될 수 있다. 물리적 가교

방법에는 수소결합, pH 및 온도에 따른 분자간의 상호작용,

소수성 결합 및 호스트-게스트 결합이 있다. 물리적 가교 젤

의 경우, 졸-겔 상전이 시간이 느리거나, 하이드로젤 형성 전

고분자 용액의 점도가 높아 치료약물을 효과적으로 담지하

기 어려우며 다루기 까다로운 제한점을 지니고 있다. 이러한

제한점을 극복하기 위해 다양한 화학적 가교방법이 연구되

었으며, 화학적 가교방법에는 광가교, 마이클 첨가반응

(Michael-type addition), 클릭 반응(click reaction) 및 효소

매개 반응 등이 있다. 이러한, 고분자 젤 소재는 다양한 장점

을 바탕으로 콘텍트렌즈, 의료기기 표면코팅, 연조직 충진제,

조직접착제, 인공 세포외기질, 약물전달 시스템 및 다양한 생

의학적 용도로 활용되고 있다.

고분자 하이드로젤은 다량의 물을 함유할 수 있어 체내 세

포외기질과 구조적 유사성을 지니고 있으며, 상전이 과정에

서 세포 또는 치료약물을 쉽게 담지할 수 있는 장점을 가지

고 있다. 최근에 고분자 하이드로젤은 이러한 장점을 바탕으

로 인공조직체 제조를 위한 인공 세포외기질로 널리 이용되

고 있다.27

인공 세포외 기질은 다양한 치료 세포 및 신호 전

달물질들과 함께 원하는 3차원 인공 조직체로 제조하여 조직

공학 및 재생의학 또는 기초 생물학 연구에 많이 응용되고

있다. 최근에는 이러한 인공 조직체를 이용한 동물실험 대체

모델로 개발하는 연구도 활발히 이루어지고 있다. 예를 들어,

인공 피부조직을 제조하여 화장품 소재의 독성이나 약물의

피부투과도를 시험할 수 있다. 또한, 체내와 유사한 체외 인

공 종양모델을 제조하여 항암제의 효율이나 환자 맞춤형 약

물 스크리닝 등 종양 연구에도 활발히 응용되고 있다. 이러한

인공 세포외기질을 제조하기 위해 다양한 천연/합성 고분자

가 활용되었으며, 기본적으로 친수성 고분자, 세포부착 리간

드 및 단백질 효소 분해 부분 등의 필수 구성요소를 포함해



야 한다. 이러한 요소들은 3차원 환경에서 세포의 부착, 증식,

분화 및 세포외기질의 리모델링(remodeling)에 중요한 역할

을 한다. 대표적으로 사용되는 천연고분자는 콜라겐, 젤라틴,

피브린, 히알루론산, 알지네이트 등이 있다. 이러한 천연고분

자 하이드로젤은 세포 활성이 우수한 장점을 지니고 있지만,

빠른 분해 거동과 batch-to-batch variation이 가장 큰 제한점

으로 여겨지고 있다. 가장 널리 사용되고 있는 합성 고분자는

폴리에틸렌 글라이콜(PEG)이며, 생체적합성과 함수율이 우수

한 장점이 있으며 기계적 강도, 함수율과 같은 물리화학적 성질

을 쉽게 조절할 수 있다는 장점을 동시에 지니고 있다. 하지만,

PEG는 대표적인 생체불활성 고분자로써 인공 세포외기질로

사용되기 위해서는 위에서 언급한 세포부착(예: Arg-Gly-Asp,

RGD)과 단백질 효소분해(예: Matrix metalloproteinase(MMP)-

분해 펩타이드)를 유도할 수 있는 요소를 하이드로젤 기질에

도입하는 연구가 진행 중이다(그림 14). 이러한 인공 세포외

기질은 3차원 인공 조직체를 제조하는데 널리 사용되고 있으

나, 체내의 복잡하고 정교한 세포외기질을 정확히 모사하는

데는 아직까지 많은 한계가 있다.

최근에는 마이크로/나노 제조방법, 3D 바이오 프린팅 기

술 등을 이용하여 체내 환경과 유사한 인공 조직체를 보다

정교하게 모사할 수 있는 고분자 젤 개발연구들이 활발히 진

행되고 있다. 이러한 최신기술들은 성공적인 조직재생은 물

론 신약개발 및 질병치료의 근간을 만들 수 있는 초석을 제

공해 줄 것으로 기대된다.

또한, 고분자 하이드로젤은 약물 담지의 용이성과 최소 침

투기술을 기반으로 조직재생 및 질병치료를 위한 약물전달

체로도 널리 사용되고 있다.29,30

최근 많은 연구자들은 기존

의 단순 서방형 방출거동 기술을 뛰어넘는 스마트 약물전달

시스템 개발을 위해 많은 노력을 기울여 왔다. 예를 들어, 혈

관 조직재생 과정의 이해를 통한 순차적 성장인자 전달기술

(예: vascular endothelial growth factor, VEGF/platelet-

derived growth factor, PDGF)을 통한 효과적인 혈관 조직

재생을 할 수 있다.31

또한, 최근에는 단백질약물의 활성을 장

시간 유지하면서 전달할 수 있는 기술 개발을 위한 많은 노

력이 기울이고 있다. 예를 들어, 성장인자와 상호작용을 통해

구조적 안정성을 유지할 수 있는 헤파린을 사용하여 다양한

마크로/나노 주입형 하이드로젤 소재들이 개발되고 있다.

최근 국내에서도 요실금 치료를 위한 헤파린 나노젤을 함유

하는 젤라틴 하이드로젤을 개발하였다. 젤라틴 하이드로젤

소재는 효소 매개반응을 통해 치료부위에서 상전이를 일으

켜 요도괄약근의 부피를 채워주는 동시에 함유된 헤파린 나

노젤에서 성장인자(예: basic fibroblast growth factors,

bFGFs)가 4주 동안 서방형으로 방출되어 궁극적으로 요도

괄약근이 재생되었으며 재생된 요도괄약근의 생체기능성 평

가를 통해 효과적인 요실금 치료기술을 개발하였다.32

이러

한 체내 주입형 젤을 이용한 약물전달 시스템은 조직재생 뿐

아니라 다양한 질병치료에도 활발히 응용되고 있다. 예를 들

어, 고령화시대 사회문제로 대두되고 있는 안과망막질환(예:

황반변성증) 치료제 개발에도 많은 노력이 기울이고 있다.

황반변성 치료는 망막에 비정상적으로 신생혈관이 생성되어

시야를 방해하는 질병 환자 치료기술로 혈관생성을 억제하

는 단백질 약물을(예: avastin)을 안구 내에 주입하는 방법이

사용되고 있다. 그러나, 단백질 약물의 짧은 반감기로 안구

내 반복주사가 불가피하며 그로 인한 많은 부작용이 야기되

기 때문에, 단백질 약물의 서방형 방출을 유도하여 환자의 편

의를 도모할 수 있는 약물전달 기술을 개발하고 있다. 주입형

고분자 젤은 이러한 기술 수요를 만족할 수 있는 우수 기술

로 인정받고 있으며 실제로 다양한 주입형 젤들이 안구 내

약물전달을 위해 개발되고 있다.

고분자 하이드로젤은 조직공학용 지지체, 조직재생 및 치

료를 위한 치료 약물전달체 등 다양한 생의학적 응용 분야에

활용되고 있다. 이러한 진보된 의료용 고분자 하이드로젤 재

료는 효과적인 조직재생 및 치료, 신약개발, 기초생물학 연구

에 활용되어 효과적인 인간의 질병 치료를 위한 초석을 제공

해줄 것으로 기대된다.

7. 조직공학용 의료용 고분자

조직공학에서 고분자 생체재료는 인체 이식재료 및 질병

을 진단, 치료하기 위한 목적으로 사용되는 재료로써 생체조

직, 혈액, 체액 등과 접촉 시 생체 거부반응이나 독성반응 등

을 나타내지 않는, 즉 생체적합성을 갖는 물질로 정의된다.

최근 들어 인간의 삶의 질 향상과 수명 연장을 목적으로 하

는 생명공학기술과 의료산업이 급격하게 발전해 오고 있으

며, 특히 고분자 기반 생체재료, 즉 의료용 고분자는 이를 뒷

받침하는 근간이라 할 수 있다. 고분자가 의료용으로 적용되

는 분야는 크게 인체 삽입 부품 및 인공장기, 약물 및 유전자

전달체, 조직공학 등이 있는데, 생체 내에서 사용되는 특수성

때문에 재료공학, 의학, 치의학, 약학, 생물학 등 다양한 분야

의 연구자들이 서로 협력하며, 상호 지식을 교환하고 있다.

최근 각광받고 있는 “조직공학”이란 과학의 발달과 함께 등

장한 새로운 분야의 하나이며 생명과학과 공학의 기본 개념

과 기술을 통합 응용하여 생체 조직의 구조와 기능 사이의

상관관계를 이해하고 나아가서 생체조직의 대용품을 만들어

이식함으로서 우리 몸의 기능을 유지, 향상 또는 복원하는 것

을 목적으로 1990년대 초반에 탄생한 응용 학문이다.33 최근

조직공학의 개념과 기술을 이용해 피부, 뼈, 연골, 인대, 치아,

심장판막, 혈관, 신경, 요도, 방광, 신장, 간, 식도, 각막 등 조

직/장기의 재생을 위한 지지체 물질로 생분해성 고분자가

널리 활용되고 있다(그림 15). 특히 생분해성 고분자는 인체



그림 15. 조직공학 개념도.

그림 16. 생분해성 고분자 지지체를 이용한 조직공학적 장기재생 역사개요. 그림 18. 조직공학용 지지체가 갖추어야 할 기본 요건들.

그림 17. 조직공학의 3대 요소 및 현재 핫 이슈 또는 장애요인들.

내에서 일정시간이 지나면 스스로 분해되어 없어지는 특성

을 가지고 있으며 체내에 이식된 세포가 완전히 조직화된 후

에는 분해되어 없어지므로 조직공학의 목적에 알맞은 이상

적인 생체재료라 할 수 있다. 생분해성 천연 및 합성고분자가

인체조직 재생용 지지체(scaffold)로 사용되기 시작한 것은

1980년대로 거슬러 올라간다(그림 16). 그 이후로 1990년대,

2000년대를 거치면서 생분해성 지지체를 이용한 다양한 조

직공학적 조직/장기재생(Engineered tissue/organ)이 활

발하게 진행되고 있고, 최근에는 다양한 기능성이 부여된 새

로운 개념의 지지체들이 개발되어지고 있다.34-36

조직공학의 3대 기본 요소로서, 생분해성 다공성 지지체,

세포, 성장인자 등을 들 수 있다. 각 요소들에 있어 현재 대표

적인 핫 이슈 또는 장애요인들을 그림 17에 나타내었다. 특

히 지지체의 경우, 배양액 내 또는 체 내에서 세포들이 잘 자

랄 수 있는 환경이 조성되어야 하며(친수성, 적절한 다공 크

기 및 다공도, 다공간의 연결성, 생체적합성 등), 타겟 조직과

유사한 기계적 물성, 조직이 형성되는 시기와 비슷한 정도의

생분해 기간 등이 요구된다(그림 18). 초창기의 조직공학(제

1세대) 개념은 생분해성 다공성 지지체에 세포를 주입하여

체외에서 장기간 세포배양을 통해 원하는 조직을 만들어, 손

상된 자동차 부품을 갈아 끼우듯이 인체 내 손상된 조직이나

장기를 대체하고자 하는 개념이었으나, 체외에서 세포배양

시 지지체 표면에는 배양액 내의 영양분 공급이 원활하여 조

직이 잘 형성되지만, 내부의 세포들은 지지체 표면을 둘러싸

고 있는 조직들에 의해 원활한 영양분 공급을 받지 못하고

괴사하는 경향을 띠어 실패하였다. 따라서 현재의 조직공학

(제2세대) 개념은, 생분해성 다공성 지지체에 세포를 주입하

여 체외에서 단기간 세포배양을 통해 세포가 지지체 내에 잘

점착하여 성장할 수 있도록 한 후 인체 내에 이식하여, 체내

에서 지지체 내로 신생혈관이 자라 들어와 필요한 영양분을

공급하여 지지체 내부까지도 원하는 조직이 잘 형성되도록

유도하는 방향으로 진행되고 있다. 향후 조직공학(제3세대?)

의 개념은 세포를 사용하지 않은 기능성 지지체를 직접 체내

에 이식하고, 이식된 지지체가 특정 인자를 분비하여 원하는

주변세포를 지지체 내로 끌어들어(homing or recruiting) 스

스로 조직을 형성하는 방향으로 추진될 것으로 예상된다. 이

렇게 되면 세포배양 과정을 거쳐야 하기 때문에 어려웠던 상

업화도 훨씬 쉬워질 것으로 기대된다. 현재 이를 위한 많은

기초연구들이 수행되고 있다.

조직공학이 발전되기 위해서는 기초연구, 임상연구와 함

께 상업화연구가 함께 균형을 이루어 나야가 할 것이다. 결국



그림 20. 조직공학의 장래 비전.

그림 19. 조직공학 각 분야별 연구에서 해결되어야 할 주요 이슈들.

새로운 기능성 소재의 개발과 함께, 안전하게 체내에서 사용

할 수 있는 성장인자 및 세포원 개발이 필수적이라 하겠다.

이들 각 연구에 있어서 해결되어야 할 주된 이슈들을 그림 19

에 정리하였다. 조직공학의 궁극적인 목표는 인간의 수명을

연장하고 인간 삶의 질을 향상시키는 데 있다(그림 20). 현재

조직공학기술과 생체재료를 이용한 다양한 인체 조직과 장

기의 재생들과 더불어, 세포들과 생체소재의 추적과 이미징

기술, 바이오리액터 기술, 전임상 모델확립, 재생의학치료

로의 응용, 암연구, 컴퓨터 모델링 등과 같은 다양한 연구들

이 진행되고 있다. 또한 최근 조직공학 기법을 이용하여 제

조된 다양한 조직을 다양한 약물의 임상실험을 대체할 수

있는 새로운 도구로 응용하기 위한 연구도 활발하게 진행

되고 있다.

국내에서도 1999년 제1회 조직공학심포지엄이 개최된 이

래, 한국조직공학-재생의학회가 결성되어 2016년 17주년을

맞고 있으며, 공학자, 의학자들이 주축이 되어 활발한 연구활

동을 하고 있다. 2009년도에는 제2차 세계조직공학-재생의

학회(2nd TERMIs-WC)를 서울에서 성황리에 개최하였고

(50여개국이 참가하여 약 1,600여 편의 논문발표), 2014년도

에는 아시아-태평양지역 조직공학-재생의학회(TERMIS-AP)

대구에서 개최하였다(30여 개국에서 900여 편의 논문발표).

학회의 학술지로 영문판 “Tissue Engineering and Regenerative

Medicine”(Springer)이 발행되고 있으며 SCI(E)(IF 1.08)에

등재되어 있다. 국내 조직공학-재생의학 연구분야는 타학문

분야에 비해 선진국과 격차가 크지 않으며, 특히 줄기세포를

이용한 세포치료술 및 임상적용기술 등은 이 분야 세계 연구

를 주도해 나간다고 해도 과언이 아니라 할 수 있다.

8. 결론

상기에서 제시한 고분자의 분류, 특성 및 다양한 의료용고

분자의 응용에 대한 설명 이외에도, 최근에는 나노/마이크

로 레벨에서의 인체조직과 장기의 특성을 응용하려는 기술,

인체 조직과 장기를 컴퓨터기술을 이용하여 인체 조직과 장

기를 개발하려는 3D 바이오프린팅 기술, 생체고분자의 생물

학적/화학적 특성을 재현하려는 생체모방형기술 개발에 대한

연구가 활발히 진행되고 있다. 국내의 의료용 고분자와 관련된

주요 학술지는 Biomaterials Research가 있으며, Macromolecular

Research에서도 주요 연구테마로 다루고 있다. 최근에는 한

국을 포함한 전세계가 고령화 사회로 진입하고 있고, 차세대

실버산업군 확보를 위해서 첨단소재 개발경쟁이 심화되고

있기 때문에 의료용고분자의 연구는 보다 활발히 진행될 것

으로 예상되고 있다. 한 걸음 더 나아가, 의료용고분자는 사

회적 동향, 산업적 동향, 연구자의 지적호기심 등과 맞물려

차세대 핵심소재 및 기술로 전개될 것으로 예상되고 있으므

로, 국가, 학계, 연구계, 임상의, 산업계의 관심이 보다 증가

할 것으로 예상된다.

9. Acknowledgement

강인규 5대 분과위원장은 “의료용 적용을 위한 고분자와

생체시스템의 기초와 계면현상”, 이진호 6대 분과위원장은

“조직공학용 의료용 고분자”, 박기동 8대 분과위원장은 인천

대학교 박경민교수의 도움으로 “고분자 하이드로젤을 이용

한 조직재생 및 약물전달 기술 최신동향” 부분을 작성하였

고, 김수현 9대 분과위원장은 “비분해성 의료용 고분자”, 나

재운 10대 분과위원장은 “의료용 천연고분자”, 한동근 11대

분과위원장은 KIST 박성빈/정윤기 박사의 도움으로 “의료

용 유-무기 고분자 하이브리드 재료” 부문을 작성하였으며,

노인섭 12대 분과위원장은 서울과기대 방수미 학생의 도움

으로 도입부문 및 전체 내용에 대하여 총괄하여 작성하였다.

강인규, 이진호, 박기동, 김수현, 나재운, 한동근 각 분과위원

장들은 역임순으로 저자들을 기록하였으므로, 제 1 저자로서의

논문기여도는 동일하였다. This work was supported by both

the National Research Foundation of Korea(NRF) Grant

(2015R1A2A1A10054592) and grants of the Korean Health

Technology R&D Project, Ministry for Health, Welfare &

Family Affairs, Republic of Korea(A120822).



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