안녕하세요, 한화토탈 블로그 지기입니다. 지난달, 한화고분자학술상에 정병문 이화여대 화학나노과학과 교수가 수상자로 선정됐다는 소식을 전달 드렸는데요. 의료용 고분자 생체재료와 바이오메디컬 분야에 대한 연구를 이어오며 국내 의료 화학 및 소재 분야 발전에 기여한 공로를 인정받은 것이랍니다.
익숙하게 사용하는 콘택트 렌즈부터 인공각막, 인공심장 판막까지! 의료 영역에서 고분자 소재는 광범위하게 사용되고 있는데요. 오늘은 의료용 고분자 소재에 대해 살펴보겠습니다.
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의료용 고분자란?
의료용 고분자는 질병의 진단 및 치료에 쓰이거나, 질병이나 사고로 손상된 신체 부위를 대체하는 목적으로 사용되는 재료입니다. 레진, 섬유, 탄성 고분자와 생분해성 플라스틱 등이 주로 사용되는데요. 의료기기부터 패키징, 생체재료, 약물전달 등과 같은 다양한 헬스케어 분야에 적용되고 있습니다.
우리 몸에 밀접하게 쓰이는 의료용 고분자는 안정성이 가장 중요한데요. 인체와 면역반응을 일으키지 않으면서도 반영구적으로 기능을 유지해야 합니다. 또, 개인 특성에 맞춰 다양한 형태로 가공할 수 있어야 하는데요. 생체 적합성과 생분해성, 멸균성, 기계적·물리적 성질과 성형 가공성 등을 갖춰야 하는 의료용 고분자 소재는 첨단 기술이 집약된 소재라고 볼 수 있습니다.
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의료용 고분자의 역사
의료용 고분자가 처음 등장한 시기는 1860년대, 무균수술이 등장하면서부터인데요. 1900년대 초기에 금속이 골절 환자에게 적용되었고, 1940년대에는 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA)가 인체 조직과 장기를 대체하면서부터 본격적으로 고분자가 의료용으로 활용되기 시작했습니다. 1950~1960년대에는 인공심장과 신장투석기에 고분자가 쓰이고, 이후에 안경과 콘택트렌즈에도 적용되었습니다.
1990년대 이르러서는 의료용 장치나 인공장기에 사용하는 재료 중 인체 조직과 직접 맞닿는 생체재료에 고분자가 50% 이상 사용됐고, 2000년대부터는 인공 피부와 신장 투석막에 적용됐는데요. 최근에는 생분해성 고분자를 조직공학 및 약물 전달체 등으로 적용하면서 의료용 고분자의 기능적 특성이 중요해지는 시대로 접어들게 됐습니다.
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콘택트렌즈부터 인공혈관까지, 비분해성 의료용 고분자
의료용 고분자로 이용되고 있는 소재는 크게 비분해성 합성고분자, 분해성 천연고분자, 고분자 기반의 하이브리드 고분자가 있습니다. 이 중 비분해성의 고분자는 이전부터 의료용으로 연구가 활발히 진행되며 실제 산업에서도 주도적으로 쓰이고 있습니다. 콘택트렌즈와 수술용 실을 떠올리면 이해가 쉽답니다!
비분해성 의료용 고분자의 대표적인 특징은 우리 몸과 반응하지 않는 생체 내 비활성 특성인데요. 주요 소재로는 주사기에 쓰이는 폴리에틸렌(PE)과 폴리프로필렌(PP), 인공혈관에 사용되는 테플론(PTFE), 콘택트렌즈 재료인 폴리메틸메타아크릴산중합체(PMMA) 등이 있습니다. 심장판막이나 성형 재료로 쓰이는 실리콘인 폴리실록산(Polysiloxane)도 대표적인 비분해성 의료용 고분자 소재입니다.
폴리우레탄(Polyurethane) 또한 가슴 보형물이나 인조혈관, 인공심장 판막 등 폭넓게 사용되며 지난 50년간 의료용품에 가장 많이 사용된 생체 재료인데요. 이처럼 비분해성 고분자는 재생의학 분야에서 널리 사용되어왔지만, 장기간 시간이 지나면 인체 내 인산과 결합해 석회화가 일어나는 등 신체 이식재로서 한계점이 있습니다.
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무궁무진한 가능성, 의료용 천연고분자
최근에는 체내에서 조직 재생이나 약물전달 등에 사용할 수 있는 생분해성 고분자에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. 특히, 천연고분자가 주목받고 있는데요. 천연고분자는 미생물에 의해 생합성, 식물 또는 동물에서 추출된 유용 고분자를 통틀어 부르는 말입니다.
천연고분자는 합성고분자에 비해 우리 몸에서 면역반응을 일으킬 가능성이 낮고, 생체적합성이 우수하다는 장점이 있습니다. 하지만 천연고분자 자체가 갖고 있는 독성이나 인체 내 분해산물의 독성으로 인해 실제로 사용할 수 있도록 개발하기까지 과정이 어렵기도 한데요. 키토산, 알긴산, 콜라겐 등이 피부 재생, 충치 예방, 안구 상처 치료, 인공 뼈 등 의료용 소재로 활발히 연구되고 있습니다.
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각 재료의 장점을 살리는 하이브리드 고분자
금속, 고분자, 세라믹, 복합재료 등 서로 다른 두 가지 이상의 소재를 하나의 시스템 내에 사용해 시너지 효과를 얻는 하이브리드 소재도 의료용 소재로 많이 사용되고 있습니다. 노화나 사고, 질병에 따른 심혈관, 골격계 질환을 겪을 때는 인체에 이식해 조직이나 기관의 기능을 보완해주는 의료용 생체재료가 필요한데요. 의료용 생체재료로 고분자와 무기물 하이브리드 소재가 관심을 끌고 있습니다.
가장 대표적으로는 ‘스텐트(Stent)’에 사용되고 있는데요. 심혈관 질환에 대한 대표적인 치료술인 스텐트는 초기에는 금속 재료를 사용했지만, 염증과 재협착 등 부작용 문제가 일어났습니다. 이를 해결하기 위해 금속에 약물과 마그네슘 세라믹 입자를 코팅한 스텐트가 개발되고 있습니다.
우리나라를 포함한 전 세계가 고령화 사회로 진입하면서 헬스케어에 대한 관심이 높아지고 있는 요즘인데요. 차세대 유망산업으로 떠오르고 있는 실버산업에서 우위를 차지하기 위해, 첨단소재 개발 경쟁이 더욱 뜨거워지고 있습니다. 의료용 고분자에 대한 연구도 고령화 사회의 흐름에 따라 활발히 진행될 거란 전망인데요. 더욱 많은 사람들이 혜택을 받을 수 있도록, 의료용 고분자 소재의 발전을 응원하겠습니다!
※ 참고자료 : 힌국고분자학회 《고분자 과학과 기술》 제27권 5호(2016.10) '[특별기고]의료용 고분자의 현황과 미래' (강인규, 이진호, 박기동, 김수현, 나재운, 한동근, 노인섭)
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