초록
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문서암호 : www.kosen21.org
1. 제목
차세대 생화학적 골유착 임플란트 기술에 대한 연구동향 조사 연구
2. 연구의 목적 및 필요성
최근에 와서 인간 신체의 노화와 질병 및 불의의 사고에 의해 손상된 조직의 재생 혹은 재건에 관한 활발한 연구와 관련된 생체재료에 관한 관심의 고조는 선진국 대열로 들어선 국가의 복지지표를 향상시키기 위한 중요한 과제이기도 하며, 미래의 전망 밝은 산업으로서의 자리 매김을 하고 있기 때문이다. 특히 인간의 수명이 급격히 향상
문서암호 : www.kosen21.org
1. 제목
차세대 생화학적 골유착 임플란트 기술에 대한 연구동향 조사 연구
2. 연구의 목적 및 필요성
최근에 와서 인간 신체의 노화와 질병 및 불의의 사고에 의해 손상된 조직의 재생 혹은 재건에 관한 활발한 연구와 관련된 생체재료에 관한 관심의 고조는 선진국 대열로 들어선 국가의 복지지표를 향상시키기 위한 중요한 과제이기도 하며, 미래의 전망 밝은 산업으로서의 자리 매김을 하고 있기 때문이다. 특히 인간의 수명이 급격히 향상되어, 21세기에 들어 인간 평균수명이 80세에 육박하게 되었고, 삶의 질의 향상과 장수를 염원하는 인간의 욕구로 인해 향후에는 더욱 고령화 사회로 갈 것이 예상된다. 대부분의 선진 공업국가들이 이미 고령화 사회로 접어들었고, 우리나라도 2000년대에 들어서면서 급격히 고령인구가 증가하고 있기 때문에, 관련 연구자나 임상가들에게는 인간의 건강 증진과 신체내에서 자연적인 생체조직이나 장기들의 기능을 회복해 주고자 하는 궁극적인 목표가 서게 된 것이다.
국내 임플란트시장의 규모는 치과 임프란트의 경우 2008년 현재 2600억 규모, 정형외과, 악안면 성형외과, 이비인후과, 소위 bone-anchored metal implant영역의 시장 규모는 4조 이상에 이를 것으로 추산 되고 있다. 또한 전세계적으로 한국의 임플란트 소비 순위가 상위(5~6위)에 있으며, 소비 신장율은 10-15%에 달하고 있으나, 고급제품의 경우 수입에 의존하고 있어 세계적 경쟁력을 갖는 기술의 개발이 절실한 상황이다.
따라서 세계적 경쟁력을 갖는 기술 및 제품의 개발을 위해서는 당해기술의 메카이자 세계를 선도하고 있는 스웨덴 및 선진국의 기술을 면밀히 조사함으로서, 선진 기술의 습득과 더불어 경쟁력 있는 국내 생체재료 원천기술 발 매우 중요한 의미를 갖는다고 생각된다.
3. 연구의 내용 및 범위
임플란트 표면에서 adhesive bone matrix protein의 반응촉진을 통한 생화학적 골유착 임플란트 신기술을 조사하기위해, 여러기관을 방문하여 최근 임플란트 기술동향을 조사하였다.
? 생화학적 결합에 의한 임플란트의 골유착 강화를 가능케하는 단백질 종류
? 단백질 반응을 촉진하는 생활성 물질 표면기술
? 생활성 임플란트 표면에서의 골세포 반응
? 계면에서의 골형성 관찰하는 방법 및 연구 기법 습득
? 생화학적 골융합 기전 정보 입수
? 생화학적 골융합 및 골형성을 유도하는 임플란트 신기술
4. 정보조사 결과
? 골유착 강화된 금속 임플란트 개발연구
WHA (World Health Authority)는 2000-2100 년을 골과 관절의 시대가 될 것이라고 밝히고 있으며, UN 역시 골관절질환은 65세 이상 환자들이 경험하는 질환의 절반 이상을 차지할 것으로 내다보고 있다. 골질환은 지난 세기에 비해 두 배로 증가 했고, 50세 이상 여성의 40%는 3대 골질환 (관절염, 허리통증, 정형 외과적 파절)을 경험할 것이다. 더불어 이 분야 연구 권위자인 Elizabeth Tanner교수는 다가오는 세기의 중심에 서기 위해 재생/재건 의학 연구의 필요성을 역설하고 있다. 더구나, 현재 150억 달러의 시장규모가 10년 내 650억 달러로 팽창할 것으로 전망됨에 따라 정형외과 임플란트 업계는 이미 치열한 세계 시장 쟁탈전을 벌리고 있다. 이에 대비해서 여러 선진국들은 복리증진 뿐만 아니라 이미 사회 경제적 측면에서 골조직 공학을 대체의학으로 연구 발전 시켜오고 있다. “다가오는 세기의 중심 (Center Stage in Decade)에 서기 위해” 재생/재건 의학 구의 핵심 분야의 하나로 금속형 임플란트 연구는 추진되고 있다.
최근의 NIH (National Center for Health Statistics) 보고서에 hip implants는 일반적으로 15년 후 대체되는 것으로 알려져 있고, 나아가 최근 환자의 20% (미국의 경우)는 이러한 실패한 임플란트를 제거하고 다시 새로운 임플란트를 이식받는 환자로 알려질 만큼 임플란트의 실패는 심각한 문제로 제기되고 있다. 이러한 실패의 주원인은 소위 코팅물질의 biodegradation and delamination으로 알려졌다. 이에 대한 대책으로 미국에서는 새로운 임플란트 표면 개발에 큰 관심을 갖고, 그 연구 개발의 큰 방향은 코팅물질의 대체 (Cementless implant) 쪽으로의 기술 동향을 보인다.
치과 임플란트의 경우, 80년, 90년대가 표면형상/조도 (innovation of surface topography) 시대였다면, 2000년 이후(특히 2002년 세계 최대의 Nobel Biocare (스웨덴)사의 TiUnite 출시 이후)는 새로운 연구 동향으로 산화막 임플란트 (Oxidized implant)가 큰 관심을 불러일으키고 있다. 나아가, 임플란트 연구의 패러다임의 변화는 임플란트 연구 개발의 메카로 알려지고 있는 스웨덴 예떼보리대학의 연구소 Dept. of Biomaterials/Handicap research, Surgical Sciences 에서부터 감지되고 있다. 예를 들어 Astra Tech는 F-treated implant (상품명: Osseospeed)을 최근 출시 (2005년 말)했다. 그러나, 현재까지의 상업화된 이들 임플란트는 기본적으로 surface topographical 변화를 통한 mechanical interlocking 개념을 근간으로 하는 골유착 임플란트이다. 또 다른 예로 이곳 예떼보리대학에 근거를 둔 또 다른 회사는 기존의 임플란트 (TiUnite 혹은 Astra Tech.과도 다 )와 달리 새로운 화학적 성분을 갖는 임플란트를 조만간 출시할 예정으로 알려지고 있다. 그러나 아직 생활성물질 임플란트(TiUnite는 여전히 주성분이 TiO2이고, HA 임플란트는 앞에서 말한 본질적인 문제점인 biodegradation and delamination을 갖고있음)는 출시되고 있지 않다. 이와는 달리, 최근 주목할 만한 연구 성과는 새로운 개념의 HA 임플란트 (new development technology of crystallinity, chemistry and particle size)와 생물학적 표면 개선 (biological modifications) 연구는 상당한 성과를 보이고 있다. 특히, 후자의 경우 self-assembly를 이용한 골형성 유도 단백질 합성 (protein immobilizations) 은 임상적 가능성을 보이고 있다.
? 골유착 강화 메커니즘 연구
현재까지 상업화된 금속형 임플란트는 기본적으로 surface topography를 개선하는 기술에 바탕하여, 기계적 결합 (mechanical interlocking) 개념을 기초로 하는 골유착형 임플란트였다. 그러나 기계적 결합 개념의 골유착형 임플란트는 골유착 강도(osseointegration strength)가 낮을 뿐만 아니라 골결합속도(osseointegration speed), 즉 임상적으로 환자의 조기 치료에 어려움이 따른다. 많은 연구 결과논문을 근거로 주류 이론인 기존의 기계적 결합(mechanical interlocking) 골유착 이론과는 달리 임플란트의 생화학적 골유착이론 (biochemical interfacial bonding theory)이 제시되었다.
최근의 연구결과에 의하면, 생화학적 골유착이론 (biochemical interfacial bonding theory)과 실험 결과-생화학적 결합이 가능한 물질 그 중요한 예로서 칼슘 티타네이트 (CaxOyTiz)와 마그네슘 티타네이트 (MgxOyTiz)-를 중요한 과학적 근거로 해서 더 한층 업그레드된 연구 결과 즉, biochemical interfacial bonding mechanism의 과학적 규명과 차세대 생화학적 골유착 임 란트 개발을 가능하도록 했다.
실제로 최근의 환자 임플란트 시술에서 핫 이슈로 등장하는 임플란트의 조기 기능(early/immediate loading) 요구 뿐만 아니라 기존 임플란트의 조기 실패율 (임플란트 전체 실패율의 70-80%가 임플란트 식립 초기 1년 이내에 일어난다)을 고려해 볼 때, 차세대 생화학적 골유착 임플란트가 기존 임플란트에 비해 동물 실험 결과(statistic p value < 0.01) 및 골결합 속도 (osseointegration speed) 뿐만 아니라 임플란트의 골결합력 (osseo integration strength)에서 대단히 우수한 결과를 보여주고 있으며, 이러한 연구 결과의 통합과 실용화 및 상업화를 위한 시스템은 향후 임상적 연구 결과를 통해 그 내용이 검증되어질 것으로 예상된다.
? 골유착 강화를 위한 신공정 표면기술
임플란트 표면의 화학조성을 제어하는 방법은 크게 표면코팅법과 이온주입법으로 나눌 수 있다. 현재 널리 사용되고 있는 코팅방법으로는 스퍼터링, 이온플레이팅, PLD (pulsed laser deposition) 등이 있으나, 다음과 같은 문제점이 있어 대체기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.
? 삽입시 부스러지고, 갈라지고, 긁힌다
(균열, 박리에 의해 염증반응, 분해 및 재흡수의 원인)
? 골 상방으로 노출된 경우에 치태 침착이 크다.
? 세균의 서식처가 된다.
? 실패한 임플란트 치료의 후유증이 크다.
따라서 표면의 형태학적인 특징 (생화학적 결합과 기계적 결합의 시너지 효과를 위한)은 그대로 유지한 채, 표면의 화학조성을 제어할 수 있는 새로운 방법이 필요하게 된다.
이에대한 최근 신공정으로서 생활성 물질을 이온주입방법에 의해 이온을 수십~수백 keV로 가속시켜 재료의 표면에 주입시키는 엔지니어링 기술이 개발되 으며, 모재 자체의 특성을 변화시키지 않고 표면특성만 향상시킬 수 있는 점에서는 위의 표면개질법과 유사하다. 하지만 이온이 코팅되는 것이 아니라 모재 내부로 침투하는 공정이므로 모재와의 접착력에 문제가 없으며, 주입양이나 에너지를 조절하여 최적 원소분포를 얻기가 용이할 뿐만 아니라, 비평형 공정이므로 용해도, 확산 등의 열역학적 제한을 받지 않고, 상온공정이므로 온도상승에 따른 재료의 열화를 막을 수 있는 등의 많은 장점을 가지고 있어, 이의 산업적 응용이 크게 주목받고 있다.
하지만 지금까지 문헌에 보고된 생체재료에 적용된 이온주입 기술들은 이온소스와 주입의 펄스폭이 달라 주입 및 증착이 동시에 일어나거나, line-of-sight 공정이라는 단점을 가지고 있어 실용화를 추구하기에는 거리가 있는 연구단계의 기술이다. 이에반해 최근 신이온주입 기술은 생체활성 물질의 표면 증착을 최대한 억제/제거하면서 순수하게 주입만을 일어나게 하는 기술로서, 3차원 형상의 임플란트에 생활성 물질의 복합 이식기술로 소개되고 있다.
5. 정보조사의 활용계획
? 기술조사 연구로 취득 된 정보들은 산학연관 관련 기관들에게 국외 기술개발현황 이해 및 국내기술의 현주소를 인식하고, 독자적 원천기술 확보를 위한 정보공유 및 컨소시엄 형태의 공동연구를 통하여, 미래 지향적인 연구를 위한 정보제공의 역할 을 함.
? 수요가 폭발적 증가추세인 국내 치과용 및 정형외과 임플란트의 원천기술을 확보하기위해, 국내 임플란트 생산업체와 연구기관, 학교간의 컨소시움을 구성하여, 장기적이고 경비가 많이드는 원천기술 R&D 분야 창출을 위하여 정부에 건의하고자 함.
? 특히 아직은 우리나라가 생체재료 연구 기반이 확고하지 않기 때문에 이 조사연구를 통하여, 인적 network을 형성하고, 국제공동연구 기반을 다져 서로 win-win할 수 있는 전략으로 가는 것이 바람직 할 것으로 생각되며, 적극적으로 추진할 예정 임.
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