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국내 뿌리기술로 ‘약물 방출형 다공성 임플란트’ 제조기술 개발
2019.03.14


뿌리산업기술연구소 주조공정그룹, 성형기술그룹, 표면처리그룹


티타늄은 강도가 강하고, 녹슬지 않는 등 장점이 많아 인공관절로 대표되는 정형외과용 임플란트의 소재로 사용된다. 하지만 강도가 높아 주변 뼈를 약하게 만들고 염증을 유발하는 단점도 있다. 뿌리산업기술연구소 김현종 수석연구원 팀은 이런 단점을 극복할 수 있는 약물 방출 다공성 티타늄 임플란트 제조기술을 개발했다. 주조공정그룹, 성형기술그룹, 표면처리그룹 등 다양한 분야의 뿌리기술 연구자들이 협력해 새로운 임플란트 제조기술을 탄생시킨 사례이다.




불순물 없는 티타늄 합금 원소재


고령화 추세로 노인 인구가 증가함에 따라 정형외과용 임플란트에 대한 관심이 높아지고, 수요 또한 증가하고 있다. 하지만 정형외과용 임플란트 제조에 사용되는 티타늄 소재는 가격이 비싼데다 전량 수입에 의존하고 있는 실정이다. 이에 뿌리산업기술연구소 김현종 수석연구원 팀은 인체 친화적이고 내구성이 높으면서도 비용은 낮출 수 있는 임플란트 제조기술 개발을 위해 드림팀을 구성했다.

 

먼저 개발이 필요한 부분은 원소재인 티타늄이었다. 연구팀은 세계 최초로 전자기유도장치와 수소플라즈마를 활용한 연속주조 방식으로 임플란트용 규격을 만족하는 티타늄 합금(Ti-6Al-4V) 주조에 성공했다. 티타늄에 포함된 가스 불순물은 인체에 유해해 의료용으로 사용하기 위해서는 이 가스를 제거해야 한다. 연구팀은 주조공정과 수소플라즈마 정련공정을 동시에 진행함으로써 인체 유해성을 최소화한 임플란트용 티타늄 대량생산의 길을 열었다. 이 방식을 사용할 경우 수입산 대비 절반 수준으로 제조원가를 절감할 수 있다.



연속주조 방식으로 제작한 티타늄 합금을 확인하고 있는 연구팀 한국생산기술연구원



기공 크기 조절로 최적의 강도 구현


다공 구조는 고체 내부에 작은 구멍인 기공이 많이 있는 상태를 말한다. 임플란트의 강도를 조절하기 위해서는 기공의 크기가 중요하다.


티타늄은 뼈보다 탄성계수*가 훨씬 높습니다. 티타늄으로 만든 임플란트와 뼈의 탄성계수가 맞지 않으면 임플란트 주변의 원래 뼈들이 약해져 문제가 발생할 수도 있습니다. 그래서 뼈와 유사한 강도를 가질 수 있도록 티타늄 내부에 다공 구조를 만드는 기술이 필요합니다.”

 

김현종 수석연구원은 다공 구조의 중요성을 강조하면서 동결주조, 섬유 컴팩션, 열간 성형 등 다공 구조를 만드는 다양한 소성가공 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 중 동적 동결주조 방식은 티타늄 원소재 분말을 캠핀이라는 동결 매개체로 얼린 후 건조시키는 과정으로 진행된다. 이 때 티타늄 분말의 분량, 온도나 시간 같은 동결주조의 변수를 제어해 기공의 크기를 확대하거나 줄일 수 있다. 연구팀은 이 기술을 통해 세계 최고 수준의 기공 크기와 탄성계수 제어 범위를 갖는 다공성 임플란트를 제작하는 데 성공했다. 또한 국내 최초로 다공성 임플란트 제조공정에 금형몰드를 적용해 시제품 제작에 성공함으로써 대량생산 기반을 확보했다.

 

*탄성계수 : 고체 역학에서 재료의 강성도를 나타내는 값




금형몰드를 적용해 제작한 무릎관절용 다공성 임플란트 시제품 한국생산기술연구원



기공 통해 염증 억제 약물 방출


또한 임플란트 내부의 기공에 염증 억제 약물이나 치료 약물을 넣음으로써 임플란트 수술 후 발생하는 염증 등 부작용을 획기적으로 줄이고 치료효과를 높일 수 있게 되었다. 기존에는 임플란트 주변에 약물을 도포해야 했지만 다공성 구조로 제작된 임플란트는 내부 기공에 약물을 주입할 수 있다. 기공 속에 항염증제, 골형성 촉진 단백질, 줄기세포 등 각종 약물들을 함유하고 있다가 일정한 비율로 서서히 방출시킨다.

 

여기에는 특별한 표면처리 기술이 적용됐다. 약물을 함유하고 골조직 형성을 촉진하는 그래핀 소재의 에어로겔과 생체적합성이 뛰어난 하이드로겔로 임플란트 표면을 복합 코팅함으로써 임플란트와 주변 조직의 결합을 촉진하고 장기간 약물을 방출해 내는 기능을 부여했다.


하이드로겔은 고분자 매트릭스 안에 물이 95% 함유된 소재입니다. 혈액이나 체액과 잘 어울리죠. 티타늄 임플란트를 하이드로겔로 코팅하면 시술 후 혈액과 체액이 붙어 임플란트 주변 조직 성장이 용이해집니다. 하이드로겔은 일반적으로 티타늄에 잘 붙지 않는 소재이지만, 티타늄에 하이드로겔과 화학적으로 쉽게 반응하는 분자를 붙여서 문제를 해결했습니다.” (박영민 수석연구원)



약물 방출 다공성 티타늄 임플란트 제조기술 개발은 각 분야 뿌리기술 연구자들의 협력으로 가능했다. 오른쪽부터 주조공정그룹 문병문 수석연구원(티타늄 합금 연속주조 공정기술 개발), 표면처리그룹 김현종 수석연구원(연구총괄 및 약물방출 그래핀 하이드로겔기술 개발), 주조공정그룹 정현도 선임연구원(다공체 동결주조기술 개발), 성형기술그룹 임성식 수석연구원(다공체 임플란트 성형기술 개발), 표면처리그룹 박영민 수석연구원(하이드로겔 합성 및 코팅기술 개발) 한국생산기술연구원


개인 맞춤형 임플란트 제작 시대 연다


약물 방출 다공성 티타늄 임플란트가 상용화되면, 환자들은 합리적인 가격으로 고품질 티타늄 임플란트 수술을 받을 수 있게 된다. 뼈에 부담을 주지 않아 한 번 수술하면 반영구적으로 사용할 수 있고, 염증 발생을 최소화해 회복 시간도 빨라진다. 또한 기공의 크기를 조절해 개인의 신체 구조와 뼈 강도에 최적화된 임플란트 제작이 가능하다.

 

현재 기술적 완성도가 높은 주조 공정기술의 기술 이전을 추진하고 있으며, 임상실험 후 소성가공 및 표면처리기술도 이전을 추진할 계획이다. 올해 시제품을 제작해 종합병원과 임상실험을 협의하고 2020년부터 3년간 임상실험이 진행된다. 임상실험을 통해 안전성과 활용성을 인정받는다면 향후 정형외과용 임플란트뿐 아니라 스텐트, 인공장기, 바이오센서 등 다양한 바이오·헬스 소재 분야에 두루 활용될 것으로 기대된다.