한국생산기술연구원

염증 우려 줄인 생체친화적 임플란트 나온다

- 생기원, 국내 뿌리기술로 ‘약물방출형 다공성 임플란트’ 제조기술 개발
- 임플란트 기공에서 염증 억제 약물 방출돼 수술 부작용 최소화

□ 골절 사고에는 석고붕대로 깁스를 두르는 치료법이 일반적이지만, 손상이 심각한 경우에는 인체에 무해한 티타늄 합금 재질의 인공뼈를 이식하는 임플란트 수술이 필요하다.

ㅇ 그런데 수술 도중 티타늄 표면이 오염되거나 부식되어 이식 부위에 염증이 발생하고 임플란트가 뼈 조직과의 결합에 실패하는 부작용이 종종 발생해왔다.

ㅇ 이 경우 결합에 실패한 임플란트를 제거하고 나면 재이식 수술이 불가능하기 때문에 사전에 약물을 사용해 염증 발생 확률을 줄여야 한다.

□ 한국생산기술연구원(원장 이성일, 이하 생기원)이 임플란트 내부에 다수의 기공을 생성하고 그 속에 염증 억제 약물을 넣어 수술 부작용을 줄인 ‘약물방출형 다공성 임플란트’ 제조기술을 개발했다.

ㅇ 표면처리그룹 김현종 수석연구원이 이끄는 공동연구팀이 개발한 임플란트는 수많은 기공 속에 항염증제, 골형성 촉진 단백질, 줄기세포 등 각종 약물들을 함유하고 약 10일에 걸쳐 일정한 비율로 서서히 방출시킨다.

ㅇ 함유된 약물은 수술 초기 해당 부위의 염증 발생을 억제하는 한편 임플란트가 뼈를 비롯한 주변조직과 빠르게 결합할 수 있도록 도와준다.

□ 또한 수술 후 오랜 시간이 지나도 임플란트 하단 부위의 뼈가 인체 하중을 지탱해주는 고유 역할을 상실하지 않도록 하는 기능도 추가했다.

ㅇ 뼈는 외부 자극이 주어지지 않으면 두께와 무게가 줄어드는데, 임플란트 소재인 티타늄 합금의 경우 뼈보다 탄성이 강해 외부에서 가해지는 힘을 대부분 흡수하기 때문에 연결된 뼈가 자극을 받기 어렵다.

ㅇ 개발한 임플란트는 뼈 조직을 모사한 다공(多孔) 구조로 형성되어 있어 탄성이 뼈와 유사하며, 무릎, 대퇴부, 턱 등 부위에 따라 각기 다른 뼈의 탄성까지 정밀하게 반영해 제작할 수 있다.

□ 이번 성과는 생기원 뿌리산업기술연구소 주조공정그룹, 성형기술그룹, 표면처리그룹이 협력해 티타늄 합금을 제조하고, 인공뼈로 가공 및 후처리하는 데 필요한 각 분야의 요소기술을 개발해냄으로써 이루어졌다.

ㅇ 먼저 주조 분야에서는 일정 간격을 두고 티타늄 합금 잉곳을 생산하던 제조방식을 세계 최초로 전자기유도장치와 수소플라즈마 기반의 연속주조 방식으로 바꿔 공정효율을 높임으로써 제조원가를 50% 이상 절감했다.

ㅇ 또한 물을 얼리면 얼음 속에 기포가 발생하는 원리를 이용한 동결주조 방식을 도입해 임플란트에 뼈와 비슷한 다공 구조를 형성시켰다.

ㅇ 소성가공 분야에서는 국내 최초로 다공성 임플란트 제조공정에 금형몰드를 적용해 시제품 제작에 성공, 대량생산 기반을 확보했다.

ㅇ 표면처리 분야에서는 약물을 함유하고 골조직 형성을 촉진하는 그래핀 소재의 에어로겔*과 높은 밀착력을 갖는 하이드로겔**로 임플란트 표면을 복합 코팅하여 장기간 약물이 방출될 수 있는 기능을 부여했다.

* 3차원적으로 연결된 기공들로 이루어진 다공성 겔 / ** 물을 용매로 하는 겔

□ 연구팀은 조기 상용화를 위해 기술적 완성도가 높은 주조 공정기술을 우선적으로 기업에 이전하고, 소성가공 및 표면처리 공정기술은 대학병원과 함께 2020년부터 3년간 임상시험을 진행한 후 이전할 계획이다.

ㅇ 정형외과용 임플란트 시장 규모는 2021년 181억 달러에 이를 것으로 전망되며, 사고에 의한 재활 수술보다는 세계적 고령화 추세에 따라 노령인구 대상 수술이 더욱 늘어날 것으로 관측되고 있다.

□ 김현종 수석연구원은 “순수 국내 뿌리기술력을 바탕으로 그동안 전량 수입에 의존해왔던 원소재 제조공정을 효율화·국산화하고, 후처리 공정을 통해 기능성 부여에 성공했다.”고 밝혔다.

ㅇ 연구팀은 향후 정형외과용 임플란트 뿐 아니라 스텐트*, 인공장기, 바이오센서 등 다양한 바이오·헬스 소재 분야에 광범위하게 활용될 것으로 기대하고 있다.

* 혈관 속에 영구적으로 삽입되는 작고 가느다란 의료용 튜브