생체재료학 중간고사 범위 PDF

1.1 생체재료의 정의 스강(SUS), 니켈-크롬 합금, 타이타늄 등은 쉽게 부식되지 않아 생체재료용 금 속으로 많이 사용되고 있지만, 이들도 체내에 장기간 이식되면 천천히 부식되어...

1.1 생체재료의 정의 스강(SUS), 니켈-크롬 합금, 타이타늄 등은 쉽게 부식되지 않아 생체재료용 금 속으로 많이 사용되고 있지만, 이들도 체내에 장기간 이식되면 천천히 부식되어 이온을 방출하므로 주의가 필요하다. 세라믹은 체내에서 가장 안정하고 단단하지 생체재료(biomaterials)는 질병의 진단 및 치료를 위하여 인체에 접촉 또 만 충격에 약하여 쉽게 깨지는 단점이 있다. 알루미나, 지르코니아 등 세라믹은 는 이식되는 의료기기뿐만 아니라 의약품에도 널리 사용되고 있다. 또한 약물을 인공관절 부품 및 치과용 재료로 사용되고 있고, 특히 하이드록시아파타이트는 전달하기 위한 의약제제, 우리 몸에 바르는 화장품의 원료, 상처 드레싱, 1회용 뼈의 성분과 유사하므로 인공뼈 재료로 적용되고 있다. 고분자는 금속 및 세라믹 주사기 등 비교적 간단한 제품에서 인체의 손상된 장기를 대체 및 복구할 수 있 보다 강도는 약하지만 가볍고 유연성을 가지며 필름, 도관, 스펀지 등 다양한 형 는 인공 장기에 이르기까지 다양하게 사용된다. 태로 가공하기 쉬우므로 1회용 주사기, 수액 세트, 상처 드레싱, 카테터 등과 같 생체재료의 정의에 대한 필요성이 부각되면서 미국의 국립보건원은 1984년에 은 단순한 의료제품부터 매우 복잡한 인공조직, 인공장기 등에 응용되고 있다. 생체재료를 ‘인체조직 및 장기의 기능을 치료, 개선 및 대체하는 목적으로, 단기 고분자는 합성고분자와 천연고분자로 분류할 수 있으며, 합성고분자는 말 그대로 간 및 장기간의 모든 기간 동안, 의약을 제외한 시스템의 전체 또는 일부로 사용 단량체로부터 합성된 폴리에틸렌, 폴리에스터, 폴리유레테인 등과 같은 고분자이 되는 모든 천연물질과 합성물질 및 이 물질들의 조합’으로 정의하였다. 또한 198 고, 천연고분자는 콜라겐, 피브린, 알부민 등과 같은 단백질 및 셀룰로오스, 알 9년 영국에서 개최된 유럽 생체재료학회에서는 생체재료를 ‘일정기간 인체에 접 지네잍, 히알루론산, 키틴 등과 같은 다당류 등 동식물에서 추출된 고분자이다. 촉 또는 삽입되어 인체 조직 또는 기관을 일부 또는 전부 대체하거나 복구하여 합성고분자는 합성공정에서 분자량 조절이 가능하므로 기계적 및 물리적 특성 제 그 기능을 회복시킬 수 있는 합성, 천연 및 복합재료’로 정의하였고, 이때 의약품 어가 비교적 쉽고 가격이 저렴한 장점을 가지지만, 천연고분자는 동식물에서 추 은 제외하였다. 한국의 식품의약품안전처는 유럽 생체재료학회의 생체재료 정의 출함으로써 분자량 제어가 어려워 물성 조절이 용이하지 못한 단점을 가진다. 하 를 인용하여 의료기기의 생물학적 안전에 관한 공통기준규격(고시 제 2014-115 지만 천연고분자는 자연에 풍부하게 존재하고, 인체를 구성하는 주요 성분이므로 호, 2014. 4. 24. 개정)에서 생체재료를 ‘신체의 조직, 기관 또는 기능을 평가, 일반적으로 합성고분자보다 생체적합성이 우월한 것으로 평가되고 있다. 복합재 처치, 수복 또는 대체하기 위해 생물학적 시스템과 상호접촉(interface)하여 사 는 고분자와 무기물이 복합된 재료로 주로 강도를 개선하기 위한 목적으로 개발 용하는 물질’로 정의하고 있다. 되어 왔으나, 현재 물성 개질과 생체적합성을 개선하는 연구도 진행 중이다. 이 생체재료는 좁은 의미에서 생체의 손상된 조직 및 장기의 일부를 대체 또는 복 들 생체재료에 대한 분류 및 특성은 2장과 3장에서 자세히 다룰 것이다. 구하여 기능을 보완 및 복원시킬 수 있는 물질로 정의할 수 있으며, 넓은 의미로 생체재료는 인체에 접촉 또는 이식되어 사용하는 물질이므로 생물학적 시스템 는 인체의 질병을 진단 및 치료하기 위한 재료로서 인체에 접촉 또는 이식될 때 과 상호작용이 매우 중요하다. 인체는 대부분이 70% 이상의 물로 구성되어 있 생체적합하고 독성이 없는 물질로 정의될 수 있다. 고, 단백질, 다당류, 효소, 염, 이온 등 생체분자가 있다. 또한 체내의 pH는 대 생체재료는 재료에 따라 천연 및 합성재료로 나누고, 또한 금속, 세라믹, 고분 부분이 중성상태를 유지하지만 그 기능에 따라 중추신경계나 소화기관의 경우는 자 및 그들의 복합재로 분류할 수 있다. 금속은 강도가 높은 인공관절, 인공치근 산성이다. 이러한 체내의 조건을 고려해 볼 때 체내 조직에 이식된 생체재료는 등에 적용되고 있으나, 체내의 염 때문에 부식되기 쉬운 단점이 있다. 스테인리 그 계면에서 인체의 다양한 성분과 접촉하여 다양한 반응을 일으킬 것이다. 그림 절개 시 손상된 혈관에서 혈액이 유출되면서 생체재료 표면에서 응고가 되어 혈 1.1과 같이 체내에 이식된 생체재료 표면에서 금속 같은 경우는 체내의 염이나 전을 형성시킬 수 있다. 또한 본능적인 면역방어기전에 의해 이식된 재료를 마치 이온과 반응하여 수 나노미터 두께의 금속산화층이 형성되어 산화반응에 의해 금 외부에서 침입한 박테리아 등 이물질로 인식하여 이를 제거하기 위해 이식된 재 속이온이 방출될 것이며, 고분자 같은 경우는 생체분자에 의해 가수분해나 효소 료 주변부로 다양한 면역세포가 모이고 이들이 이식된 재료를 파괴하면서 이식주 분해 반응이 일어나 분해반응물들이 방출될 수 있을 것이다. 생체재료와 이식된 변부의 정상 조직 역시 괴사(necrosis)를 동시에 유발하여 심각한 부작용을 일 주변 조직과의 반응성은 생체재료의 친수성과 소수성 차이에 의해 결정되며 이러 으킬 수 있다. 이렇게 생체재료가 체내에 이식되었을 때 발생되는 현상을 이물반 한 표면 반응성은 체내의 단백질, 혈액, 세포의 부착 및 거동에 중대한 영향을 응(foreign body reaction)이라고 하며, 이상적인 생체재료는 인체와 접촉 미친다. 따라서 생체재료와 인체의 상호작용을 정확히 이해하고, 개선시키기 위해 시 이물반응을 최소화해야 할 것이다. 서는 생체재료의 최상층 표면의 특성을 정확히 분석하고 물성을 조절해야 할 것 생체재료는 생체 내 이식 후 생체조직과의 결합이 우수하여야 한다. 금속재료 이다. 를 이용한 인공관절의 경우 인체 내 조직 및 세포와의 친화성이 부족하여 생체조 직과 약한 결합을 이룬다. 또한 테플론을 이용한 인공혈관의 경우 감염성이 낮고 우수한 기계적 특성 탄성과 유연성을 가지지만, 혈액 속 일부 단백질이 소수성의 테플론 표면과 흡착하여 혈전을 발생시킬 수 있는 문제점이 있다. 이와 같이 생 체재료와 생체조직과의 상이한 기계적, 생리학적 물성 차이로 본래의 기능을 발 휘하지 못할 수가 있다. 이를 극복하기 위해 생체재료 표면을 화학적으로 개질하 거나 생체친화성이 높은 다른 물질로 표면을 코팅하여 생체조직과의 결합력을 높 이는 연구가 많이 진행되고 있다. 인체에 이식된 생체재료는 체내에서 산화 또는 가수분해가 되지 않아야 한다. 금속재료가 산화되면 세포 독성이 높아지며, 물성이 저하되기 때문에 표면을 산 화막으로 피복하여 우수한 내식성을 갖게 해야 한다. 그리고 고분자재료는 다량 의 인체 수분으로 인해 가수분해되면 물성이 저하되기 때문에 코팅 또는 합성을 통해 이를 방지해야 한다. 반면에 체내에서 분해되는 고분자의 특성을 이용하여 수술봉합사, 골절 고정기구, 인공혈관 등 일시적으로 강도를 유지한 후에 분해되 체내에 이식될 생체재료가 갖춰야 할 조건으로 첫 번째는 생체적합성과 생체 는 생분해성 생체재료를 사용하는 경우도 있다. 생분해성 생체재료는 인체 내에 안전성이 우수해야 할 것이며, 두 번째는 이식되어 대체할 조직과의 물리적 특성 서 분해되는 동안 안정적으로 조직을 형성해야 하며, 분해속도를 조절할 수 있어 이 유사해야 하며, 세 번째는 체내 이식을 위해서 소독 및 멸균 작업이 가능해야 야 하고 분해산물의 독성이 없어야 된다. 할 것이다. 이러한 조건을 충족시키는 생체재료라도 체내에 이식하게 되면 조직  모든 생체재료는 가공성이 우수하여 제작이 용이해야 하며, 생체 내외에 접촉 일 이내), 영구접촉(30일 초과)하여 1회 노출 또는 그 이상일 때로 세분화되어 및 이식을 통해 독성, 감염, 면역반응 및 거부반응 등이 없어야 한다. 특히 감염 있다. 또한 의료기기의 위해도에 따라 4등급으로 분류된다. 1등급은 잠재적 위 을 최소화하기 위해 모든 생체재료를 이용한 의료기기는 열, 감마선, 또는 EO(e 해성이 거의 없는 의료기기로 인체에 직접 접촉되지 않거나 접촉하더라도 고장이 thylene oxide) 가스 등으로 멸균할 수 있어야 된다. 나 이상으로 인해 인체에 미치는 위험성이 경미한 의료기기이다. 2등급은 잠재적 인체 내의 뼈, 연골, 혈관, 심장 등 각각의 부위에 따라 특성, 형상 등이 다르 위해성이 낮은 의료기기로, 사용 중 고장이나 이상으로 인해 인체에 위험성은 있 기 때문에 인체 적용 부위에 따른 적절한 생체재료를 선택하는 것이 중요하다. 으나 생명을 위해할 위험성이 낮은 의료기기이다. 3등급은 중증도의 잠재적 위해 예를 들어 경조직인 뼈나 치근의 손상을 대체하기 위해서는 강도가 우수한 타이 성을 가지며 인체 내에 일정기간 삽입되어 사용되거나, 잠재적 위험성이 높은 의 타늄, 하이드록시아파타이트와 같은 금속 및 세라믹 재료를 사용해야 하며, 연조 료기기이다. 4등급은 고도의 위해성을 가지는 의료기기로 인체의 중요 장기인 심 직인 피부, 연골, 혈관 등을 위해서는 탄성과 유연성이 우수한 폴리유레테인, 콜 장 중추신경계 등에 영구적으로 이식되거나 안전성이 검증되지 않은 원자재를 사 라겐 등과 같은 천연/합성 고분자재료를 이용해야 된다. 생체 내 삽입을 위해서 용한 의료기기를 뜻한다. 따라서 생체재료를 이용한 의료기기는 인체와의 접촉 는 생체재료의 생체적합성이 우수해야 함은 당연한 것이며, 장기간 신체와 좁촉 부위 및 기간에 따라 평가 절차가 달라지며, 인체에 대한 위해도에 따라 등급이 하게 되므로 혈전 형성이 최소화되어야 하고, 염증 반응과 감염으로부터 효과적 분류된다. 으로 대처할 수 있어야 된다. 따라서 인체의 부위 및 특성에 따라 생체재료를 효 과적으로 선정해야 하며, 생체의 거부 반응이나 이상 반응 없이 기존의 기능을 수행할 수 있게 개선하는 것이 중요하다. 또한 개인에 따라 손상된 조직 및 장기 가 다르기 때문에 환자 맞춤형의 인공조직 및 인공장기가 요구되고 있으나, 실제 임상에서 사용할 수 있는 크기로의 제작이 어렵고, 매우 복잡한 인체조직 및 장 기와 유사한 3차원의 인공 이식물의 개발은 어려운 문제로 남아 있었다. 하지만 최근 #D 바이오 프린팅 기술의 발전으로 인공심장, 인공혈관, 인공뼈 등과 같은 인체 조직 및 장기를 모방한 다양한 형태의 3차원 인공 이식물의 개발이 가능할 것으로 기대되므로 생체재료의 적용 범위가 확대될 것이다. 생체재료는 그 자체가 의료기기로 사용될 수 있으며, 의료기기의 일부로도 사 용된다. 모든 의료기기의 인허가는 식품의약품안전처에서 관리하며, 인체에 접촉 하는 특성 및 기간에 따라 절차 및 평가기준이 크게 차이가 있다. 접촉의 특성은 비접촉형, 표면접촉형, 체내외 연결형, 체내 이식형 의료기기 등의 소분류로 나눠지며, 접촉기간에 따라 제한접촉(24시간 이내), 지속접촉(24시간 이상 30  1.2 생체재료의 역사 고분자를 소재로 하는 생체재료는 현재 사용되는 의료기기 재료의 대부분을 차 지하지만, 그 역사가 매우 짧은데 그 이유는 합성고분자의 역사가 짧기 때문이다. 21세기 현재 생체재료는 거듭 진보하고 있으며, 그 결과 수많은 새로운 의료 1859년 W. Hyatt는 코끼리의 상아와 비슷한 재료를 만들기 위하여 colodion 기기의 개발로 이어지고 있다. 그러나 불과 제2차 세계대전 이전만 하더라도 ‘생 을 camphor와 반응 시킨 Celluloid를 합성하였고, 이듬해 이를 주조하여 틀니 체재료’는 매우 생소한 단어였으며, 이와 관련된 전문적인 내용은 전무하였다. 인 를 제조하였다, Celluloid는 인류 최초의 플라스틱 생체재료로 사용됨은 물론, 류의 역사를 돌이켜 보면, 인류는 재료 혹은 물질이 인체에 미치는 영향에 대한 여러 용도에 다방면으로 사용되었다. 하지만 단점인 열에 대한 취약성을 극복하 지식이 전혀 없었던 시절부터 여러 재료를 필요에 의하여 인체에 적용하기 시작 기 위하여, 1907년 Bakeland는 phenol formaldehyde 수지인 Bakelite를 하였다, 고대 로마, 중국, 그리고 아즈텍 문명에서 금을 사용한 치과재료가 2,00 개발하였다. Celluloid와 달리 열경화성 수지인 Bakelite는 1930년대까지 폭 0여 년 전부터 시작되었으나, 현재 우리가 사용하는 의치와 유사한 개념의 치과 발적인 수요를 형성하였다. 그 과정 중 1920년대에 이르러 고분자의 구조가 밝 재료는 AD 600년경 조개껍질을 소재로 하여 마야 문명에 의하여 개발되었으며, 혀지기 시작하였으며, 단량체(monomer)의 중요성이 인식되기 시작하였다. 동 최초의 세라믹소재에 의한 치과재료라고 할 수 있다. 또한 AD 200년경 유럽에 시기에 급격한 산업발전 및 자동차 수의 증가 등에 의하여 석유 및 가스 산업이 서는 금속재료가 사용된 보철물이 사용되었음이 확인되었다. 치과재료와 더불어 동반 성장하였으며, 석유자원으로부터 경제성이 충분한 단량체를 생산할 수 있게 그 중요성이 대두되는 생체재료는 봉합사이며, 32,000여 년 전부터 사용되어 왔 되었다. 결국 1930~1940년대에 polyethylene(PE), polyvinylchloride, p 다. 고대 이집트에서는 linen을 사용한 봉합사가 사용되었으며, 중세의 유럽에서 olystyrene, 나일론 등의 고분자가 생산되면서, 1936년 PE의 생체적합성이 는 인류 최초의 생분해성 봉합사인 catgut이 사용되었다. 19세기에 이르러 은 입증되었으며, 1941년 나일론 봉합사가 소개되었고, 제2차 세계대전 중 PMM 혹은 납 등을 사용한 금속봉합사가 사용되었고 1849년 J. Mation Sims는 은 A가 각막에 최소한의 염증반응을 보임이 발견되면서, 현재까지 안과재료로서 부 으로 제조된 봉합사를 사용하여 많은 수술을 성공하였으나, 독성반응, 면역반응, 각되고 있다. 염증, 생분해성 등에 대한 이해 없이 제조되었던 생체재료이다. 재료의 생체적합 제2차 세계대전이 끝나고 군용으로 제한되었던 재료들의 사용 제한이 풀리기 성은 모양과 형태, 디자인 등에 의해서도 결정되지만, 가장 원천적인 요인은 재 시작하면서 당시 의사들은 여러 가지의 재료들을 임상에 적용하였고 몇몇 재료들 료의 화학적 특성에 의한 생물학적 반응이라는 점이 인식되기 시작하면서 19세 은 엄청난 가능성을 보였다. 비행기와 자동차에 쓰이는 실리콘, polyurethane, 기부터 20세기 초반에 이르기까지 여러 금속재료를 사용한 생체적합성 관련 연 Teflon, 나일론, methacrylate, 타이타늄, 스테인리스강 같은 재료들이 대표 구가 이루어졌으며, 1924년 Zierold에 의하여 집대성되었다. 그는 여러 금속 적인 재료들이다. 당시 의사들은 그들의 힘으로 환자를 진료하고 치료해야 한다 및 합금재료를 사용하여, 부식이 체내에 미치는 여향을 연구해 부식에 매우 안정 는 생각이 우세했으며 정부의 간섭도 없던 시대였기 때문에 새로운 재료들을 자 한 금, 은, 백금 등의 우수한 조직적합성을 밝혀냈지만, 그들의 취약한 기계적 강 유로이 사용하였다. 그러나 의사들의 재료 자체에 대한 지식의 부재는 다학제적 도 역시 제시하였다, 비슷한 시기에 금속 생체재료의 발전에 큰 영향을 미친 Co- 학문으로서 재료과학 및 재료공학 그리고 관련 기초과학자들과의 조직적인 움직 Cr-Mo 합금 및 SUS 18-8, 그리고 Vitallium 등이 개발되었고, 1947년에 임을 형성시켰으며, 결국 재료의 안전성 및 유효성에 대한 가이드라인을 제시하 타이타늄계 재료들이 등장하게 되었다. 게 되었다. 그 결과 체계적인 생체재료의 발전이 이루어졌으며, Bioglass, hydr oxyapatite, poly(lactic-co-glycolic acid), poly(ethylene glycol) 및 po ly(2-hydroxylethyl methacrylate) 등의 새료운 재료의 탄생을 가져오게 되 었다.  2.1 생체재료의 개념 및 분류 을 형성하면서 보다 유용한 기능을 발현하는 재료로서 목적에 부합하는 맞춤형 성형이 가능하므로 다양한 재료를 조합하는 연구들이 활발하게 진행되고 있다. 생체재료란 생체에 직접 접촉하고 있는 재료라는 의미에서 유래된 것으로, 재 료의 근원에 따라 크게 천연재료(biologically derived material)와 인공 재료(artificial synthetic material) 두 가지로 분류할 수 있다(그림 2. 1). 인공재료로는 재료의 종류에 따라 고분자(polymer), 금속(metal), 세라믹 (ceramic), 복합재료(composite)로 나눌 수 있으며 표 2.1에 각각의 분류에 따른 장단점과 응용 예를 나타내었다. (1) 금속재료 금속재료는 Fe, Cr, Co, Ti, Mo 등으로 구성된 물질로서 기계적 성질(강 도, 마모, 탄성, 내구성)이 뛰어난 특징을 가지고 있어 치아, 뼈, 관절과 같은 경 금속재료와 세라믹재료는 고분자재료에 비해 경도 등이 좋아서 비교적 단단한 조 조직의 대체물로 사용되고 있다. 금속재료는 생체 내에서 극소량으로 존재할 경 직인 뼈, 치아와 같은 부위의 대체 재료로 많이 이용된다. 특히 세라믹은 금속재 우에는 거부 반응을 일으키지 않지만 다량의 금속이 생체 내에 존재할 경우에는 료에 비해 파괴 인성이 낮아 단단한 부위 중에서도 기계적 하중을 크게 고려하지 거부 반응을 일으킬 수 있고, 부식하여 원래의 특성이 변해 기계적 강도가 떨어 않아도 되는 부위에 사용된다. 한편 고분자재료는 종류가 다양하며 물리 화학적 지고 부식물이 주변 조직으로 침투하여 부작용을 유발할 수 있는 한계점이 있다. 성질, 표면 성질 및 기계적 성질을 폭넓게 변화시킬 수 있어 많이 이용된다. 복 따라서 단일 원소로 구성되어 있는 순금속보다는 비교적 생체적합성이 뛰어난 합 합재료는 두 가지 이상의 재료를 혼합하여 물리적 또는 화학적으로 서로 다른 상 금(alloy) 형태로 이용되고 있다. (2) 세라믹재료 장점이 있다. 합성고분자는 외부 조건에 의해서 주사슬이 잘리는 여부에 따라 분 세라믹은 고온의 열처리를 통해 만든 비금속의 무기질 고체재료이다. 세라믹은 해성 및 비분해성 고분자로 분류할 수 있는데 분해성 고분자는 주로 지지체, 수 주위 생체조직과 아무런 생화학적 반응을 하지 않는 생체불활성(bioinert) 세 술용 봉합사 및 약물 전달체로 이용되고 비분해성 고분자는 손상된 장기나 조직 라믹, 표면 주위의 생체조직을 자극하여 칼슘의 축적을 촉진시켜 삽입된 세라 의 일부를 대체하는 인공 혈관, 골시멘트 등으로 활용되고 있다. 믹, 생체조직과의 접착력을 증가시키는 생체활성(bioactive) 세라믹, 삽입된 이후 일정 시간이 경과하면 궁극적으로 생체 내에서 흡수되는 생체흡수성(biore (4) 복합재료 sorbable) 세라믹으로 분류할 수 있다. 생체활성재료로는 인산3칼슘(TCP), 복합재료는 유기·무기,생체 무기, 생체 유기, 유기 무기 복합재료의 코팅 및 · · · 아파타이트(apatite), 글라스 세라믹스(glass ceramics) 등이 있고 생체불활 재료의 표면 개질을 통한 복합화를 통칭한다. 이러한 복합재료를 이용함으로써 성 재료로는 알루미나(alumina) 및 카본 세라믹스 등이 있다. 이 중 바이오세 단일 생체재료의 단점이나 이종의 조직 및 장기 이식 시에 나타나는 문제점 등을 라믹스는 생체 내에 존재하는 Ca, P, K, Na 등의 원소로 이루어져 있어서 독 극복할 수 있다. 성이 없고 생체적합성이 뛰어나다. 특히 이 바이오세라믹스는 생체에 이식시켰을 때 뼈나 조직과 강한 화학결합을 이룬다고 알려져 있어서 기존의 물리적인 성질 2.2 생체재료의 요건 을 유지하기 위해 사용되어 온 금속재료의 대체물로서 많은 관심을 받고 있다. (3) 고분자재료 생체재료는 앞서 언급한 바와 같이 살아있는 생체(혈액을 포함한 신체 내 모든 고분자는 많은 수의 단량체가 화학적인 결합을 통해 길게 연결된 분자량이 큰 세포, 조직 및 장기)에 직접 접촉하는 재료로서 신체 각 부위가 불가역적으로 질 유기 물질이다. 특히 고분자재료는 조성이 다양하여 기능에 맞는 기계적 물성을 병이나 손상을 입을 경우 대체 시술에 이용되기 때문에 일반적인 재료와는 달리 설계하기 쉬울 뿐만 아니라 목적하는 형태로 쉽게 가공할 수 있어 금속 및 세라 생체 내에서 특정 기능을 수행해야 하는 특성인 생체기능성(biofunctionalit 믹재료보다 광범위하게 이용되고 있다. 고분자재료는 인공적으로 합성된 재료뿐 y)뿐만 아니라 생체 내에서 거부 반응이나 독성(toxicity)을 유발하지 않아야 만 아니라 단백질(protein), 다당류(polysaccharide), 지질(lipid), 핵산(nuc 하는 요건인 생체적합성(biocompatibility)을 모두 겸비해야 한다(그림 2, leic acid)과 같이 생체에서 유래된 재료도 포함한다. 이러한 천연고분자재료는 2). 생체적합성이 우수하고 물질 고유의 생물학적 기능을 활용할 수 있고 인체 내에 이러한 필수적인 요건 이외에도 생체재료가 체내 환경에서 서서히 분해되어 사 서 분해 및 흡수 기작이 잘 알려져 있다는 장점이 있다. 하지만 균일한 조성을 라지거나 흡수되는 성질인 생분해성(biodegradability)은 생체재료의 임상적 갖는 물질을 얻기 힘들고 다양한 기능화가 제한적인 한계점이 있다. 한편 합성고 활용도를 높일 수 있으며, 생체재료의 기능성과 적합성을 향상시키기 위해서는 분자재료는 천연고분자와 달리 목적에 적합한 단량체를 이용하여 다양한 조성 및 특정 단백질이나 펩타이드, 다당류 등의 생물 유래 고분자 물질로 재료의 표면을 구조의 고분자를 제조할 수 있기 때문에 여러 종류의 소재를 개발할 수 있다는 개질(surface modification)하는 것이 효과적인 전략으로 널리 알려져 있다.  장기나 상피(피부, 점막), 결합(혈액, 뼈, 연골), 근육(골격근, 평활근, 심근) 및 신경과 같은 조직 본래의 기능을 생체 내에서 대체하거나 실현할 수 있음을 의미 한다. 생체재료 각각의 종류에 따른 개별적 물성이나 성능은 이 책의 각 장에서 다루기로 한다. (2) 생체적합성 생체재료는 인체의 조직 및 기관(장기)에 장기간 노출되어 이용되므로 인체에 대한 안전성을 나타내는 지표인 생체적합성을 충족해야 한다. 생체적합성이란 재 료가 혈액 또는 세포 조직과 친화력을 가지거나 반응하는 정도를 의미한다. 예를 들어 혈액에 접촉해 있는 고분자의 생체적합성은 고분자가 혈액의 다양한 구성 요소들과 특정한 상호작용을 하느냐에 의해 결정된다. 한편 혈액에 직접 접촉하 지 않는 고분자의 생체적합성이란 세포 조직과의 융합 정도를 의미한다. 생체적합성은 생체재료가 생체에 접촉했을 때 재료에서의 반응과 생체에서 나 (1) 생체기능성 타나는 반응을 통해서 평가할 수 있다. 재료에서 나타나는 반응은 재료의 용출성 생체재료는 체내에 존재하는 동안 목표한 기능을 완전히 수행할 수 있어야 하 (elution), 흡착성(adsorption), 생분해성 등의 물리-화학적 변화나 인장강 므로 재료 자체가 지니는 성능(efficiency)을 나타내는 지표인 생체기능성을 만 도, 피로강도, 신장률, 경도, 마모율 등과 같은 열적 또는 기계적 변성 등을 통 족해야 한다. 이러한 성능 지표에는 다음과 같은 재료의 물리 화학 역학적 특성 · · 해 평가할 수 있다. 및 물성 이외에 가공성과 멸균 가능성 등이 포함될 수 있다. 한편 생체에서의 반응은 접촉하는 대상에 따라서 조직에서의 반응과 혈액에서 § 화학적 안정성(chemical stability) 의 반응으로 나누어 평가할 수 있다. 일반적으로 세포/조직적합성 재료(cell/ti § 적당한 기계적 강도(proper mechanical strength) ssue compatible materials)의 경우는 체내에서 주변 조직에 거부 반응을 § 적절한 피로 강도(adequate fatigue strength) 유발하지 않으면서도 조직과의 친화성을 갖는 생체활성의 특징을 보이고, 혈액 § 적합한 모양으로 설계(suitably-shaped design) 적합성 재료(blood compatible materials)의 경우는 체내에서 혈전(thr § 용이한 가공성(easy to fabricate) ombus) 생성을 최소화할 수 있는 생체불활성의 특징을 갖는다. § 멸균 또는 소독 가능성(possible to sterilize and disinfect) 생체재료의 조직적합성이란 재료가 조직과 접촉해 있을 때 조직 내 세포의 접 § 재현성(reproducibility) 착 유무, 증식의 정도, 활성화 등을 나타내는 척도이다. 특정 재료를 생체에 도입 따라서 생체기능성을 만족하는 생체재료라 함은 심장, 폐, 신장, 간 등과 같은 하면 접촉한 조직은 이를 외부 물질로 인식하여 여러 가지 생체 방어시스템을 가 동시켜 염증, 독성, 알레르기 등을 유발시킬 수 있다. 하지만 조직적합성이 우수 kocyte), 혈소판(trombocyte)이 서로 엉겨 적색 혈전을 생성한다. 이러한 일 한 생체재료를 이용할 경우에는 거부 반응을 일으키기보다는 앞에서 언급한 주변 련의 반응이 일어나는 정도와 속도는 재료 표면 성질과 혈액의 유체역학적 조건 조직과의 상호작용으로 원하는 물성을 효과적으로 나타낼 수 있다. 생체재료의 에 의해 달라진다. 따라서 이들 생체재료의 표면에서 일어나는 혈전과 색전(em 조직적합성은 생체적합성이 뛰어난 물질과 융합시키거나 세포 외 기질(extrace bolus)을 최소화하여 혈액적합성을 높이기 위한 표면 개질(surface modific llular matrix)과의 복합체를 형성함으로써 극대화시킬 수 있다. 예를 들어 ation)에 대한 연구가 활발히 일어나고 있다. 예를 들어, 헤파린(heparin)은 생분해성 고분자로 제조된 지지체(scaffold)에 세포를 배양하여 원하는 조직에 혈액 내에서 음전하를 갖는 다당류(polysaccharide)로서 이를 이용해 고분자의 이식하면, 세포는 증식하면서 조직을 재생하고 지지체인 고분자는 서서히 분해되 표면을 개질하면 혈액의 응고 반응을 크게 억제하여 항혈전 효과를 얻을 수 있 어 제거됨으로써 조직에의 매우 뛰어난 적합성을 유도할 수 있다. 한편 세포막에 다. 한편 polyethylene glycol(PEG) 등의 친수성(hydrophilicity)이 높은 존재하는 각종 세포외 기질에 대한 수용체가 반응할 수 있는 리간드를 고분자재 고분자 물질로 재료 표면을 개질하면 각종 혈장 단백질, 혈구 성분, 응고 인자 료에 도입하면 수용체와 리간드의 특이적인 상호작용을 통해 고분자가 세포에 잘 등과의 상호작용을 감소시켜 높은 혈액적합성을 유도할 수 있다. 접착하게 되어 고분자재료의 세포에 대한 친화성을 증진시킬 수 있다. 이를 위해 콜라겐(collagen), 피브로넥틴(fibronectin), 라미닌(laminin) 등과 같은 접 (3) 생분해성 착성 단백질(adhesive protein)이나 이들 분자에 공통적으로 존재하는 RGD 생분해성이란 생체재료가 생체 내에서 존재하는 일정 기간 동안 원하는 목적 (arginine-glycine-asparti acid) 등의 펩타이드(peptide)를 고분자에 도입 을 달성하면서 체내 환경에서 서서히 분해되어 없어지는 성질로 정의된다. 고분 하여 세포에의 접착성을 향상시키는 연구들도 진행되고 있다. 자의 경우, 생체에 적용했을 때 그 기능을 다한 이후에는 제거되어야 안전하게 이와 달리 혈액적합성은 생체재료가 혈액과 접촉할 때 항혈소판(anti-plate 이용될 수 있기 때문에 고분자의 분해성은 매우 중요한 특징 중 하나이다. FDA let), 항혈전성(anti-thrombotic), 항응고성(anti-coagulating) 등의 에서 허가를 받은 대표적인 생분해성 고분자로는 poly(lactic acid, PLA), 혈액에서의 반응으로 평가된다. 생체재료를 체내에 이식할 경우 대부분의 물질이 poly(glycolic acid, PGA), poly(lactic-co-glycolic acid, PLGA), 혈액과 접촉하게 되므로 이 물질의 혈액적합성을 정확하게 판단하여 향상시켜야 poly(dioxanone, PDA), poly(ε-caprolactone, PCL) 등이 있다. 이 한다. 여러 가지의 혈액 반응 중에서도 혈액의 성분이 재료에 흡착되지 않으면서 러한 생분해성 고분자들은 체내에서 물에 의해 가수분해(hydrolysis)되거나 특 도 자기들끼리 굳지 않는 항혈전성은 생체재료로서 요구되는 가장 중요한 성질 정 효소(enzyme)에 의해 분해되도록 합성될 수 있다. 인체에서 고분자가 가수 중 하나이다. 일반적으로 생체재료가 혈액과 접촉하면 수초 이내에 재료 표면에 분해될 경우에는 개인에 따른 편차가 크지 않지만 효소에 의해 분해될 경우에는 서 단백질 성분이 흡착되고 혈소판의 점착활성이 일어나 혈소판에 의한 혈전증(t 개개인에 따라, 특정 조직에 따라 분포하는 효소의 종류 및 양이 다르기 때문에 hrombosis)이 나타난다. 이후 응고(coagulation)와 관련된 단백질의 활성 이를 인체에 적용할 때는 보다 많은 주의가 요구된다. 하지만 이러한 분해 효소 이 진행되어 최종적으로 트롬빈(thrombin)에 의한 피브리노겐(fibrinogen)-피 를 이용하면 특정 부위에서만 선택적으로 분해될 수 있는 고분자재료를 설계하여 브린(fibrin) 전환 반응이 일어나 이로 인해 적혈구(erythrocyte), 백혈구(leu 질병 특이적인 기능을 부여할 수 있는 장점이 있다.  고분자의 가수분해는 메커니즘에 따라 분해가 고분자 전체에서 한꺼번에 일어 (4) 표면 특성 나는 ‘전분해’와 표면에서만 일어나는 ‘표면분해’로 분류된다. 전분해는 고분자가 생체재료는 인체 조직과 직접적으로 접촉하고 있기 때문에 표면의 특성은 여러 분해되는 속도에 비해 물이 고분자 내부로 침투하는 속도가 더 빠르기 때문에 발 가지 생화학적 반응을 좌우하는 중요한 요소 중 하나이다. 생체재료 표면의 원자 생한다. 전분해 메커니즘에 의해 분해되는 고분자재료를 인체에 이식한 경우에는 들은 주변 원자들과 모두 결합하고 있지 않기 때문에 ‘표면장력(surface tensi 전체적으로 분해가 일어나기 때문에 균열이 형성되고 기계적 강도가 급격히 떨어 on)’이라는 여분의 에너지를 갖는다. 이러한 표면의 원자들은 열역학적으로 불안 지는 특징을 보인다. 반면 표면분해 메커니즘에 의해 분해되는 고분자재료의 경 정하기 때문에 주위 다른 원자나 분자에 흡착함으로써 표면장력을 최소화하려는 우에는 분해가 상대적으로 천천히 일어나며 전체적인 형태를 유지하면서 두께가 경향을 갖는다. 즉, 분자들이 주위 물질의 표면에 붙는 흡착이라는 현상이 특히 서서히 감소되므로 기계적 강도를 유지하는 특성을 보인다. 특히 표면분해가 일 고분자 표면에서 많이 나타나게 된다. 이때 고분자에 흡착되는 물질에는 이온, 어나는 고분자는 물의 투과를 방지하는 소수성 물질과 물에 의해 가수분해되는 물, 단백질 등이 있다. 따라서 생체재료 표면의 흡착 현상을 연구함으로써 재료 부분을 모두 가지고 있어 이들의 조성 및 구조를 변형함으로써 가수분해되는 속 의 생체적합성을 평가할 수 있다. 도를 조절할 수 있다. 한편 고분자의 분해는 그 구조에 따라 가교결합, 곁사슬, 생체재료의 표면 흡착은 표면장력에 의해 나타나지만 이를 깊이 이해하기 위해 주사슬에서 다양하게 일어난다(그림 2.3). 서는 표면과 용액 간의 상호작용을 살펴보아야 한다. 일반적으로는 재료 표면의 소수성(hydrophobic) 성질과 표면 전위(surface charge)가 표면 흡착에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 재료 표면의 소수성 성질은 표면에 존재하는 물 방울과 표면 사이의 접촉각을 측정하여 평가할 수 있다. 표면 전위 또한 물질의 흡착에 큰 영향을 미치는데 표면 전위는 이온화된 물질 또는 용액으로부터 해리 된 특정 흡착 이온 등에 의해 나타난다.  3.1 고분자 생체재료의 분류 이 장에서는 이와 같은 여러 가지 구조와 물성을 가지고 있는 고분자 생체재료 의 종류와 각각에 대한 특성 및 의료용 분야로의 적용 예(그림 3.1)에 대해서 고분자, 금속, 세라믹, 복합재료로 나누어지는 생체재료 중 고분자 생체재료는 상세히 기술하고자 한다. 단백질 및 다당류와 같은 천연고분자와 열가소성 및 열경화성의 합성고분자로 나눌 수 있다, 특히 합성고분자는 다양성, 순도 및 일관성, 무면역성, 가공 편리 3.1.1 천연고분자 성, 소독 가능성 및 무독성 등의 장점 때문에 천연고분자에 비해서 더 다양하고 천연고분자 생체재료는 생물학적으로 생성된 재료를 의미한다. 이러한 천연재 광범위하게 응용되고 있다. 의료용으로 사용되고 있는 합성고분자는 일반적으로 료는 식물이나 미생물에 의해서 생성된 것들도 있으나 동물, 특히 인체 내에 존 부가중합(addition polymerization)과 축합중합(condensation poly 재하는 것들이 주로 많이 사용되고 있다. 고분자 천연재료는 면역 반응을 일으키 merization)으로 합성할 수 있으며 그 수평균 분자량은 대략 25,000~100, 지 않을 경우, 합성고분자들에 비해서 생체적합성이 우수하고, 물질 고유의 생물 000 정도로 알려져 있다. 특히 합성고분자를 제조하기 위해서 하나의 단량체를 학적 활성을 이용하여 생물학적 기능성을 가지는 생체재료로 활용할 수 있다. 또 이용하여 중합할 경우 단일중합체(homopolymer)가 만들어지는 반면에 2개 한 인체 내에서의 분해 및 흡수 기작이 잘 밝혀져 있는 것이 많아서 이를 이용한 의 단량체를 이용하여 중합할 경우 4가지 형태[교대(alternating), 블록(blo 제품 개발 시 승인을 받기에 유리한 점들도 있다. 하지만 균일한 조성을 가지는 ck), 랜덤(random), 그래프트 공중합체(graft copolymer)]를 만들 수 물질을 얻기 힘들고, 화학적 치환이 제한적인 단점도 있다. 있다. 따라서 고분자는 섬유, 필름, 쉬트, 관 등 목적하는 다양한 형태대로 쉽게 천연고분자 생체재료는 먼저 만들어 내는 생물체에 따라서 동물계 중 인체를 가공할 수 있으며, 특히 유기물로서 경우에 따라 화학적 및 생리적 활성을 나타 포함한 척추동물 유래, 곤충 유래, 갑각류 유래, 그리고 식물 유래와 미생물 유래 내는 특징을 가지고 있다. 이러한 장점으로 의료용 생체재료 중 고분자가 금속 등으로 분리해 볼 수 있다(표 3.1). 식물 유래로는 세포벽의 주성분인 셀룰로스 및 세라믹보다 더 많고 광범위하게 사용되고 있으며 조성이 다양하여 기능에 맞 와 감자 주성분인 전분, 해조류에서 추출하는 알긴산, 아가로스 등이 있다. 미생 는 기계적 물성을 설계할 수 있다. 물 유래로서는 그람-네거티브 박테리아가 비정상적인 상황에서 생산하는 폴리하 이드록시알카노에이트 계열의 고분자가 있고, 이 중 폴리하이드록시뷰티레이트가 미생물에 의해서 분해되는 성질을 이용하여 분해성 포장재로 사용되고 있다. 이 외에, 발효된 콩에서 관찰되는 폴리감마글루탐산은 주로 바실리우스 계열의 미생 물에 의해서 분해되는 성질을 이용하여 분해성 포장재로 사용되고 있다. 이외에, 발효된 콩에서 관찰되는 폴리감마글루탐산은 주로 바실리우스 계열의 미생물에 합성되는 아미노산 고분자로서, 흡습 및 보습성, 항면역 특성 등을 가지고 있어, 식품 이외에 화장품, 의료재료 등 다양한 용도로 적용이 시도되고 있다. 갑각류 유래 생체재료로서는 키틴 및 이의 화학적 변형체인 키토산이 있다. 곤충 유래로 는 실크 단백질이 대표적이다. 그 외의 주요 생체재료는 척추동물 유래이다. 는 콜라겐(fibri forming collagen)으로는 1, 2, 3, 5, 11형이 있는데, 1형 콜라겐은 가장 양이 많고, 피부와 뼈의 주성분이다. 1.5nm의 지름을 가지는 삼 중나선이 세포에서 생성 후 자발적 결합에 의해서 10~300nm의 지름을 가지는 섬유형 콜라겐(collagen fibri)을 형성하며, 이것이 여러 개 모인 콜라겐 섬유(c ollagen fiber)(지름: 0.5~3 micrometer) 형태로 존재하여, 적은 양으로 세 포 외 기질의 기계적 물성을 결정한다. 물에 녹지 않는 콜라겐 섬유를 고온에서 산이나 염기로 처리하여 물에 녹도록 변성된 콜라겐이 젤라틴이다. 젤라틴은 농도를 증가시키면 부분적으로 형성되는 삼중나선 결합에 의해서 하이드로젤 형태를 만들 수 있고, 온도를 올리면 액체로 되었다가 내리면 다시 하이드로젤이 되는 온도 가역성을 보인다. 천연고분자 생체재료는 또한 구조적 특성에 따라서 섬유성 단백질계와 다당류 계로 구분할 수 있다. 다당류계는 다시 글리코사미노글리칸 계열과 순수한 탄수 (2) 엘라스틴(elastin) 화물이 있는데, 글리코사미노글리칸은 아미노당 변형체를 포함하는 이당체 반복 콜라겐 섬유가 조직의 높은 탄성계수를 유지하도록 하는 데에 반해서, 결합조 구조를 가지는 다당체로서, 세포 표면이나 세포외 기질에 존재하며, 음전하를 가 직, 동맥 등 신축성이 필요한 조직에는 엘라스틴이 존재한다. 엘라스틴 섬유는 지고 있다. 섬유성 단백질계로는 콜라겐과 변성체인 젤라틴 외에, 피브린과 접착 리신기 사이의 가교에 의해서 무질서 코일(random coil)이 서로 결합된 망상 성 단백질인 피브리노넥틴, 엘라스틴, 라미닌, 비트로넥틴 등이 주요 생체재료들 구조를 형성한다. 고무의 탄성과 마찬가지로 신축 변형을 가하게 되면, 이에 의 이다. 해서 감소된 무질서도를 만회하기 위해서 다시 원상태로 복원하려는 성질을 간게 된다. (1) 콜라겐(collagen) 및 젤라틴(gelatin) 콜라겐은 다세포 동물 전체에 분포하는 섬유성 단백질로서, 인체 단백질 전체 (3) 피브린(fibrin) 의 약 1/4에 해당한다. 콜라겐 분자는 세 가닥의 폴리펩타이드 알파 사슬이 삼 피브린은 인체에서 지혈작용 중 만들어지는 단백질 기반의 하이드로젤로서, 수 중나선으로 꼬여 있는 상태를 기본으로 한다. 프롤린과 글리신의 비중이 매우 높 용성인 피브리노겐(fibrinogen) 단백질이 트롬빈(thrombin)의 효소작용에 의 은데, 프롤린의 소수성과 매 세 번째 아미노산으로 존재하는 글리신이 삼중나선 해서 3차원 망구조의 결합체가 만들어진다. 340 kDa의 분자량을 가지는, 3종 구조가 안정적으로 형성되도록 한다. 또한, 콜라겐은 생성 후 효소반응에 의해서 류(Aα, Bβ, γ)의 쌍인 총 6가닥의 단백질인 피브리노겐이 트롬빈에 의해서 한 변형 아미노산인 수화리신과 수화프롤린을 갖게 된다. 지금까지 25종 이상의 알 쪽 끝 부분(A와 B)들이 잘려나가게 되고, 이로 인해 새로 생기는 부분이 감마 파 사슬과 이로부터 20종 이상의 다른 콜라겐 분자가 발견되었다. 섬유형을 만드 (γ) 사슬과 특이적 결합을 함으로써 3차원 망구조를 형성한다. 그 후 인체 내에 서 다시 글루타민변환효소(transglutaminase)에 의해서 글루타민기와 리신기 (6) 키틴(chitin) 및 키토산(chitosan) 사이의 화학 결합이 추가적으로 일어난다. 조직 부착성 및 분해성으로, 의료용 키틴은 A 새우, 가재 등의 갑각류 껍질에 주로 존재하여. 셀률로스 다음으로 조직 접착제로 사용되고 있다. 가장 양이 많은 다당류이다. 물에 녹지 않는 키틴의 탈아세틸화를 통해서 얻어지 는 것이 키토산으로서. 붉은 산 용액에서 용해된다. 키토산의 성질은 탈아세틸화 (4) 접착성 단백질 정도에 따라서 달라지지만, 탈아세틸화된 부분이 1차 아민기를 가지게 되고, pk 세포 외 기질에서 세포가 기질에 잘 부착되도록 하는 역할을 하며 접착성을 가 a 값이 약 6.4로서 약산성이기는 하지만, 천연유래 고분자 중에서는 거의 유일 지는 주요 단백질로서 피브리노넥틴(fibrinonectin), 라미닌(laminin), 비트로 하게 양전하를 가지는 물질이어서 다양하게 응용되고 있고, 리소자임에 의한 체 넥틴(vitronectin) 등이 있다. 그 외에 테네이신(tenacin), 트롬보스폰틴(thro 내 분해기작이 있다. mbospontin)도 있다. 피브리노넥틴(분자량 440 kDa)이 가장 대표적으로서, 이황화 결합(disulfide bond)에 의해 결합된 2개의 사슬 내에 헤파린 결합 영 (7) 히알루론산(hyaluronic acid) 역과 콜라겐 결합 영역 외에 아르기닌-글리신-아스파라긴산(RGD)으로 구성된 글리코사미노글리칸(glycosaminoglycan, GAG) 계열 중 인체에 가장 많으 세포결합 영역을가지고 있어서 세포와 세포외 기질이 잘 부착되도록 하는 역할을 며, 연골 세포외 기질의 주성분이다. 분자랑이 매우 커서(> 1,000 kDa). 사슬 한다. 엉킴에 의한 물리적 하이드로젤 형태로 공간을 채우고 있다. 글루쿠론산(glucur onic acid)과 N-아세틸 글루코사민(acetyl glucosamine) 이당체의 반복구조 (5) 실크(silk) 단백질 를 가지며, 글루로닌산의 카복실 그룹에 의해서 음전하를 띠고 있다. 실크는 누에, 거미, 나방 유충 등의 다양한 곤충으로부터 방사되는 단백질 고 분자이다. 크게 피브로인(fibroin)과 세리신(sericin)의 두 단백질로 구성되어 (8) 혜파린(heparin) 있는데, 피브로인은 실크의 기계적 물성을 결정하고, 세리신은 그 표면에서 섬유 혜파린은 우론산(uronic acid)의 카복실 그룹 외에 많은 황화 그룹을 가지고 사이의 접착성을 가지도록 하는 역할을 한다. 피브로인의 결정성 영역은 글리신- 있어서 글리코사미노글리칸 계열 중 가장 강한 음전하를 가지고 있다. 간 등의 알라닌 아미노산의 반복구조로 되어 있고, 베타 판(beta-sheet)의 2차 구조에 세포 외 기질의 주요 성분이며, 다른 조직의 세포 표면에는 거의 유사한 구조와 의해서 안정화되어 있다. 피브로인은 가벼운 사슬(~26 kDa)과 무거운 사슬(~ 기능을 하는 황화 헤파란(heparan sulfate)이 존재한다. 대부분의 주요 성장인 390 kDa)의 이중 구조가 이황화 결합에 의해 연결된 형태이다. 피브로인은 생 자들이 헤파린 결합 영역을 가지고 있으며, 헤파린 혹은 황화 혜파란의 역할은 체적합성이 좋고, 물에 안 녹으며, 매우 가법고 강하며, 신축성도 뛰어나다. 세포 외 기질에서 이러한 성장인자들의 활성을 조절하고 유지하는 역할을 한다. 실크 세리신은 피브로인과 달리 극성 아미노산이 많아서(세린이 1/3 이상) 물 이외에 혜파린은 항트롬빈 III(antithrombin III)과의 결합을 통한 트롬빈의 에 녹는다. 세리신의 수용성을 이용하여 하이드로젤 등으로 활용이 되고 있지만, 활성을 저하시킬 수 있어서 항혈전제로 사용되고 있다. 이밖에 다양한 글리코사 실크 단백질이 인체에서 면역반응을 일으키는 원인으로도 보고되어 있다. 미노글리칸들이 세포외 기질에 존재하는데, 주요한 것들로서 황화 콘드로이틴(ch ondroitin sulfate), 황화 케라탄(keratan sulfate), 황화 데르마탄(dermat 주사슬이 알파(α)-(1→4) 결합에 의해서 선형이 아닌, 나선형의 분자구조를 가 an sulfate) 등이있다. 지고 있어서 분자 사이의 결합이 강하지 않게 되고 이에 따라서 물에 녹는다. (9) 알긴산(alginate) 및 아가로스(agarose) 해초에서 분리하는 알긴산은 베타(β)-D-만누론산(mannuronic acid)과 알 파(α)-L-굴루로닌산(guluronic acid)의 두 가지 성분이 블록 형태로 분포되어 있는, 음전하를 띤 수용성 다당류이다. 이 중에서 굴루로닌산 블록이 소위 '달걀 상자(egg box)’라고 하는 공간을 형성하게 되고, 이 안으로 칼슘 이온(Ca2+)이 들어가서 투명한 하이드로젤을 형성한다(그림 3.2(c)). 글루로닌산 블록의 함량 에 의해서 하이드로젤의 성질이 달라지며, 칼슘보다 큰 2가의 양이온들은 더 안 정한 하이드로젤을 형성할 수 있지만, 이보다 작은 마그네슘(Mg2+)이나 1가의 양이온들은 하이드로젤을 형성하지 못한다. 이러한 알긴산 하이드로젤은 세포나 단백질의 고정화 등에 응용되어 왔고, 생체재료 지지체로도 사용되고 있으나, 생 체 내 분해 기작이 명확하지 않다. 해조류 기반의 다른 다당류로 아가로스가 있는데, 고온의 아가로스 수용액에 온도를 낮추면 부분적인 이중 나선 형성에 의해서 물리적 하이드로젤을 형성하게 된다. 농도에 따라서 형성된 하이드로젤의 기공 크기를 쉽게 조절할 수 있으므로, 단백질 혹은 핵산의 전기영동의 매개체로서 널리 사용되고 있다. (10) 셀룰로스(cellulose)와 전분(starch) 셀룰로스는 식물의 세포벽의 주성분으로서, 지구상에서 가장 양이 많은 다당류 이다. D-글루코스(glucose)가 베타(β)-(1→4) 결합에 의해서 연결되어 있어서 선형의 분자구조를 가지는데, 인접한 분자 사이의 강한 수소결합에 의해서 판(sh eet) 형태로 존재하기 때문에 물에 녹지 않고 기계적 물성이 강한 세포벽을 만들 수 있다. 이에 반해 곡류에 존재하는 전분은 같은 D-글루코스가 알파(α)-(1→ 4) 결합에 의한 주사슬과, 알파(α)-(1→6) 결합에 의한 가지를 가지고 있는데, 3.1.2 합성고분자 그들의 화학구조식은 그림 3.3에 나타나 있다. 합성고분자 생체재료는 의료용 고분자를 의미하며, 천연고분자와는 달리 다양 한 단량체를 선택하여 고분자로 제조할 수 있기 때문에 다양한 특성의 고분자로 제조할 수 있다. 즉 제조방법에 따라서 섬유, 부직포, 필름, 튜브, 구형 등 다양 한 형태로 가공이 용이하며, 고분자의 화학구조, 결정성 및 분자량에 따라서 표 면의 물리화학적 개질의 용이성, 탄성 및 강도 등과 같은 기계적 물성 등을 다양 하게 변화시킬 수 있기 때문에 의료용 제품 및 환자의 대체조직과 장기를 위한 생체재료로 폭넓게 사용된다. 합성고분자는 고분자의 이화학적 구조에 따라 다른 특성을 가진 고분자로 분류 된다. 즉, 선형 고분자 또는 가지가 달린 고분자로서 특정형태로 가공시킨 다음, 열을 가해 용융하여 다른 형태로 재가공할 수 있는 고분자인 열가소성 고분자와, 특정 형태로 가공된 다음에는 열에 의해 용융되지 않기 때문에 재가공이 불가능 한 열경화성 고분자로 구분된다. 또한 합성고분자는 고분자 측쇄가 동일한 쪽에 위치하면서 일정한 배열을 가지는 아이소탁틱(isotactic), 동일한 쪽에 위치하 나 배열이 일정하지 않은 신디오탁틱(syndiotactic), 측쇄가 일정한 방향성이 없는 아탁틱(atactic)과 같은 형태학적으로 구분된다. 합성고분자는 효소, 물, 광 에너지 등과 같은 조건에 따라 고분자 주사슬이 절 1) 폴리올레핀(polyolefin) 단되는지 여부에 따라 분해성과 비분해성으로 분류된다. 비분해성 고분자는 골시 폴리올레핀 고분자란 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌과 같이 탄소와 수소로 구성 멘트, 인공혈관, 주사기 및 혈액 백의 재료나 의료용품으로 사용되고 있는 반면 된 열가소성 고분자들을 의미한다. 폴리에틸렌은 유리전이온도(Tg)가 약 –50~ 에, 분해성 고분자는 주로 약물 전달용 제재, 조직공학용 지지체, 수술용 봉합사 -90 C이며, 분자량, 밀도 및 곁가지 사슬 유무에 따라 결정성이 달라진다. 인공 등 일시적인 대체재로 활용된다. ° 식도, 신장투석기 튜브와 카테터로 적용되는 고밀도 폴리에틸렌[선형 사슬; 0.9 (1) 비분해성 고분자재료 2~0.96 밀도; 70~80% 결정화도; 약 5 105 g/mole 분자량]과, 인공고관 × 생체재료로 사용되는 비분해성 합성고분자들은 범용 고분자들 중에서 의료목적 절로 적용되는 초고분자량 폴리에틸렌(UHWPE: 2 106 g/mole 이상의 분자 × 에 맞고 생체적합한 특성을 가진 고분자들이 사용되고 있고, 다음에 서술한 바와 량)이 의료용으로 사용된다. 폴리프로필렌은 곁사슬의 배열(tacticity)에 따라 같이 대표적인 비분해성 합성고분자들과 의료용 적용현황을 관찰할 수 있으며, 결정성이 달라진다. 혈액세포 성부으로부터의 혈장 분리기, 인공인대, 손가락관절 대체 적용 이외에도, 외부충격 저항과 멸균공정에 대한 저항성이 우수하여 일회 용 주사기 몸체나 튜브로 적용된다. 5) 불소계 고분자(fluiricarbin polymers) 불소계 고분자는 고분자량(수백만)으로 합성되고, 결정성이 높은 소수성 고분 2) 폴리스티렌(polystyrene) 자이며, 매우 낮은 마찰계수, 고내열성[용융 온도(Tm): 약 327 C]를 가지서 ° 폴리스티렌은 벤젠고리가 아탁틱 형태로 존재하여 비결정성을 가지며, 투명성 화학적으로 매우 안정된 합성고분자이다. Teflon이라는 상품명으로 널리 알려져 을 띠고 있기 때문에 세포배양 플라스틱과 관련 실험용품으로 활용된다. 폴리스 있는 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 이외에도, 티렌의 측쇄인 페닐기의 부피성으로 인하여 유연성이 낮고, 상온에서 깨지기 쉬 폴리트리플루오로클로로에틸렌 등이 있다. 테플론은 가공이 어려운 단점이 있으 운 특성을 가지며, 유리전이온도는 약 100 C 이다. ° 나, 제조공정 중에 확장시킴으로써 미세 다공구조를 갖도록 만들어, 의료용으로는 연신된 PTFE 형태(ePTFE)의 인공혈관과 카테터에 활용되고 있으며, 일반적 3) 폴리에틸렌옥사이드[poly(ethylene oxide), PEO] 으로 Gore-Tex로 알려져 있다. 수용성의 합성고분자 중 하나로서, 분자량 크기가 작으면 폴리에틸렌글라이콜 (PEG)이라고도 한다. 폴리에틸렌옥사이드는 우수한 생체적합성과 단백질, 기타 6) 폴리아마이드(polyamide, Nylon) 생물학적 분자나 바이러스 등에 대한 저항성이 우수하다. 즉 약학적용과 단백질 폴리아마이드는 일명 Nylon이라고도 하며, ω-amino acid 단량체로부터 합 합성, 산업적 프로세싱을 위한 효소와의 결합체, 세포나 단백질 부착방지를 위한 성되는 Nylon-6, -11, 12 폴리아마이드와, diamine과 diacid 2종류의 단량 고분자 표면 결합체, 세포함유, 약물전달 및 드레싱 하이드로젤로의 응용, 단백질 체로부터 합성되는 Nylon 6/6, 6/10(숫자는 각각 고분자의 반복단위 내 함유 과 세포정제를 위한 수용성 2-상(phase) 분리고분자로 활용, 작은 분자 약물의 되어 있는 탄소 개수를 나타냄) 등과 같이 단량체의 종류에 따라서 두 가지 형태 개질고분자, 생리활성물질 합성 결합체, 생물학적 타겟과 신호전달 분자와의 결합 의 고분자로 분류된다. 폴리아마이드는 사슬 간 강한 수소결합과 결정성이 커 섬 체, 약물전달용 리포좀 혹은 미셀과의 결합, 생체 적합체, 점도증강제 등과 같이 유 형성 능력이 뛰어나기 때문에, 주로 수술용 봉합사로 사용된다. 폴리아마이드 다양하게 활용된다. 는 흡습성이 비교적 크므로, 체내에 이식되었을 때 물과 단백질 분해효소에 의해 고분자의 물성저하가 유발된다. 물은 주로 고분자의 무정형 영역에 침투하는 일 4) 폴리염화비닐[poly(vinyl chloride), PVC] 종의 가소제 역할을 하고, 단백질 분해효소는 고분자사슬의 아미노기를 공격해 일반적으로 수도관이나 연결체로 사용되는 폴리염화비닐은 약 85 C의 유리전 ° 가수분해를 촉진하는 것으로 알려져 있다. 이온도를 가지고 있으며, 주로 수혈, 혈액 투석 등에 사용되는 튜브 및 혈액 백 에 사용되는 의료용 고분자이다. 순수한 폴리염화비닐은 매우 딱딱한 물질이지만 7) 폴리메틸메타크릴레이트[poly(methyl methacrylate), PMMA] 가소제(프랄레이트)를 첨가하여 유연하고 부드러운 제품으로 사용된다. 장기간 PMMA는 다른 고분자들에 비교하여 빛 투과도와 굴절률이 매우 높고, 강도 사용하는 경우, 가소제의 용출로 인하여 독성을 유발할 수가 있고 재질의 유연성 와 경도가 크기 때문에 경질 콘택트렌즈와 인공 수정체, 안면 성형용 및 의치 소 이 감소되기도 한다. 재로 널리 사용된다. 또한 PMMA 분말과 액상 메틸 메타아크릴레이트 단량체를 혼합하고, 벤조일퍼옥시드를 개시제로 사용하여 액체에서 고체로 전이시킴으로써 약한 가교결합을 가진 폴리디메틸실록산 실리콘 고무는 카테터, 튜브 및 심장 무결정성의 고분자로 제조한다. 제조된 골시멘트는 상업적인 골시멘트의 최대 인 박동 조율기(pacemaker) 전선 부분의 절연체 재료로 사용된다. 우수한 산소투 장강도인 68.9 MPa에 달하며, 인공관절 및 골절 고정용으로 악안면 성형 및 과도의 특성으로 인하여 산소부화막(oxygenator membrane)에 적용하고 있으 골격계 결손부위를 채우는 용도 이외에, 골다공증 환자에서 주로 발생하는 골절 며, 유연성과 안정성이 우수하기 때문에 손가락관절, 혈관, 심장판막 대체재료 이 을 안정화시키는 척추수술로 사용한다. 그러나 고분자들로 도포한 후 접착과정에 외에도 유방을 포함한 각 부위 성형재료로 사용된다. 고분자 주사슬이 규소(Si) 서 단량체의 중합열 발생으로 인한 주변조직 손상과 함께, 레올로지 및 잔존 단 와 산소로 되어 있기 때문에 일명 ‘무기 고분자’라고도 일컬으며, 분자량이 수 천 량체 등이 PMMA의 의료용 적용에 있어서 해결해야 할 중요한 요소들이다. 정도로 탄소가 주사슬인 고분자들에 비해 분자량이 작다. 8) 폴리히드로옥시에틸메타크릴레이트[poly(hydroxyethyl methacrylate), 10) 폴리우레탄(polyurethane, PU) PHEMA] 폴리우레탄은 ‘유연한 블록(soft block)’과 ‘단단한 블록(hard block)’으로 PHEMA는 물 흡수량이 살아있는 인체조직과 유사하고 생체불활성이며, 물성 이루어진 블록 공중합체이다. 단단한 블록은 디이소시아네이트(diisocyanate)와 을 변화시키지 않고, 열에 의한 멸균도 가능하기 때문에 하이드로젤 합성고분자 사슬확장제로 구성되며, 유리전이온도가 상온 이상의 온도를 가진 고분자로 구성 로 널리 응용되고 있다. 재료의 안정성, 우수한 굴절률, 높은 산소 투과도 등의 되어 물성 강화효과를 제공한다. 사슬 확장재로는 짧은 사슬의 지방족 글라이콜 특성으로 인하여 콘택트렌즈 소재로 활용된다. PHEMA를 일반적으로 연질 콘 탄소 2~6개 정도를 가진 디아민이 사용된다. 디아소시아네이트는 2,4-toluene 택트렌즈로 응용하고 있으나, 곁가지에 친수성인 수산화기(-OH)를 가지고 있어 diisocyanate(TDI)와 methylene di(4-phenyl isocyanate)(MDI)를 사 쉽게 수화된다. 이때 친수성 고분자가 물에 용해되는 것을 방지하기 위해서 에틸 용하나, 생체재료로 사용되는 폴리우레탄은 거의 MDI를 사용한다. 유연한 블록 렌글라이콜 디메타아크릴레이트를 가교제로 고분자 사슬들을 화학적으로 약한 가 은 주로 유리전이온도가 상온보다 낮은 폴리에테르폴리올 혹은 폴리에스테르폴리 교결합을 유도하여 사용한다. 올 고분자로 구성되며, 고무와 같은 탄성을 폴리우레탄에 제공한다. 폴리에테르폴 리올은 가수분해에 대한 저항성이 크기 때문에 대략 1,000~2,000의 분자량을 9) 고무(rubbers) 가진 폴리올을 생체재료용으로 주로 사용한다. 고무는 일반적으로 천연고무, 합성고무, 실리콘고무로 구분된다. 천연고무는 폴리우레탄은 고무와 같은 탄성, 유연성, 질긴 성질 등과 같은 강한 물성을 가 ‘Hevea brasiliensis’라는 나무에서 추출된 cis-1,4-polyisoprene으로, 생체 지며, 체내에서 비교적 안정하다. 특히 우수한 혈액적합성을 가지고 있어서, 혈액 적합성이 매우 우수하지만 물성이 약해 생체재료로 거의 응용이 되지 않는다. 합 과 직접 접촉하는 인공혈관, 인공심장, 인공심장판막 이외에도 심장박동 조율기 성고무는 SBR(styrene-butadiene rubber), 뷰틸 고무(butyl rubber), 네 절연체, 카테터, 화상피복재, 스텐트 등에 널리 사용되고 있다. 대표적인 폴리우 오프렌(Neoprene) 등으로 합성되어 일반 공업용으로 사용되지만 생체적합성이 레탄으로는 미국 에티콘사의 선형 폴리우레탄인 ‘Biomer’와 업존화학의 ‘Pelleth 낮아 생체재료로 사용되지 않고 있다. ane’, 카보네이트, 불소 혹은 실리콘 함유 폴리우레탄 등이 상품화되어 있다.  11) 폴리에스테르 13) 전도성 고분자 폴리카보네이트와 폴리에틸렌테레프탈레이드(PET)는 가공공정과 열 이력에 살아 있는 세포의 부착과 세포 내에서 발생하는 생물분자의 활성을 위하여 전 따라서 비결정성의 투명한 형태 혹은 반결정성으로 가공되는 고분자로서, 매우 기적 자극을 이용해 전기를 전달할 수 있는 전도성 고분자를 의료용 고분자로 활 천천히 가수분해하지만 분해성 고분자로 분류되지 않는 폴리에스테르 고분자이다. 용하는 연구를 진행하고 있다. 이러한 메커니즘에 대한 정확한 이해는 알려지지 PET는 필름형태의 마일러(Mylar)와 섬유형태의 다크론(Dacron)으로 잘 알려 않았으나, 표면 소수성, 계면 pH, 이온력 등의 변화를 유도함으로써 전자 전이 진 열가소성 합성고분자로서 음료수병, 음식물 용기 등으로 사용된다. 더 규칙적 반응에 대한 전기 유도가 생물분자 진행을 유도하는 것으로 간주된다. 또한 적절 인 구조를 가진 PET는 265 C의 용융점과 약 85 C의 유리전이온도를 가진 반 ° ° 한 계면화학을 유도하는 능력을 세포에 제공하기 때문에 전기전도성 고분자의 생 결정성 고분자로서 직물(woven) 다크론(Dacron) 메시는 대구경 인공혈관으로 체재료활용은 고분자의 산화와 환원에 대한 이해가 중요하다. 현재는 폴리나프탈 적용되며, 섬유상으로 제조하여 백혈구 제거 필터로 활용된다. 렌, 폴리페닐렌, 폴리피롤, 폴리티오펜과 폴리아닐린이 전도성 고분자에 해당된 폴리카보네이트는 비스페놀 A와 디페닐카보네이트 단량체의 중합에 의해 만들 다. 어지는 고분자로서, 렉산(Lexan)이나 메를론(Merlon)과 같은 상품명으로 잘 알려진 카르본산의 폴리에스테르 합성고분자이다. 대칭성을 가진 폴리카보네이트 14) 기타 는 PET보다도 반복단위가 더 복잡하며 유연성이 약하고, 냉각시키면 약 150 C° 상기에서 서술한 것 이외에도 콘택트렌즈와 인공유방에 사용되는 실리콘 하이 에서 유리형태를 취하기 때문에 투명하다. 폴리카보네이트는 충격에 강하고, 기계 드로젤, 생접착제와 분산제로 활용되는 폴리비닐피롤리돈, 의치 고정제로 활용되 적 및 열적 저항성이 매우 우수하여 심장이나 폐 보조기구, 혈액세포 성분으로부 는 수용성의 폴리무수말레산, 폴리비닐 알코올 등과 같은 고분자들이 있다. 터의 혈장 분리기, 혈액투석기(oxygenator)의 몸체부분, 인공심장판막 개폐기 등에 응용된다. (2) 분해성 고분자재료 분해성 고분자란 에스테르, 아마이드, 에터 작용기로 구성되며, 물, 효소, 광 12) 고강도 열가소성 수지 등과 같은 요소에 의하여 고분자의 주사슬이 파괴되어 분자량이 감소하여 최종적 고강도 열가소성 수지는 매우 강인한 화학구조의 주사슬로 이루어져 있어 가볍 으로는 가스(CO2, N2), 물, 바이오매스, 무기염과 같은 천연 부산물로 전환되는 고 강한 물성을 제공하며, 폴리카보네이트, 폴리아세탈, 폴리설폰 등이 포함된다. 고분자를 의미한다. 현재 분해성 고분자들 중에서 미국 식품의약품안전청(FDA) 폴리아세탈은 포름알데히드 중합에 의해 형성되는 고분자로서, 인공고관절의 관 에서 의료용으로 승인을 받은 고분자는 폴리글라이콜라이드(PGA), 폴리락타이 골접합부, 인공심장판막 개폐기 등에 응용된다. 폴리설폰은 금속 정형외과용 이식 드(PLA), 폴리카프로락톤(PCL) 및 폴리디옥산온(PDS) 등이 있다. 재료의 다공성 도포재료, 산소부화막 등에 응용되고 있다. 1) 지방족 폴리에스테르(aliphatic polyester) 폴리에스테르는 주사슬에 에스테르 작용기를 가지는 고분자이며, 폴리락타이드, 폴리글라이콜라이드, 폴리카프로락톤, 폴리하이드로옥시알카노에이트[poly(hydr 러한 폴리락톤류는 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)가 아니면 고급 구조 주사슬 oxy alkanoate)], 폴리하이드로옥시부티레이트[poly(hydroxy butyrate)]와 이 포함화되는 특성으로 인하여 분해성이 매우 낮기 때문에 음료수병으로 사용된 이들의 공중합체[poly(lactic-co-glycolic acids), PLGA] 등이 포함된다. 폴 다. 리글라이콜라이드는 곁가지가 없는 단순한 선형 고분자로 높은 결정성을 가지며, 유기용매에는 거의 녹지 않기 때문에 가공은 용융시킨 상태에서 성형한다. 폴리 2)폴리무수산(polyanhydrides) 글라이콜라이드는 최초로 생분해성 수술용 봉합사로 개발되어 ‘Dexon’이라는 상 폴리무수산은 주사슬의 반복단위를 무수물 작용기로 연결하고 있는 생분해성 품명으로 1970년대부터 시판되었으나, 이식 2~4주 후 분해에 의해 물성이 급 고분자로서, 선형, 불포화 및 고리형 고분자로 구분되며, 멜트(melt) 중합방법으 격히 감소되기 때문에 사용상 제약을 받아왔다. 로 합성되고 있으며, 직물용 폴리에스터 섬유 대체재료로 개발되었으나 가수분해 폴리락타이드는 폴리글리콜라이드에 비해 소수성이며 메틸기 결가지를 가지고 에 따른 불성화가 발생하여 최근 들어 생분해성 이식재료로 적용되고 있다. 지방 있기 때문에 폴리글리콜라이드보다 더 소수성을 나타내고, 물의 침투가 더 어려 족 폴리무수산은 수일 내에 분해되지만, 일부 방향족 폴리무수산은 수개월에 걸 워 가수분해 속도가 더 늦은 고분자라는 특성을 이용하여 폴리락타이드, 폴리글 쳐 분해되기도 한다. 폴리무수산은 체내에서 분해되어 배출되기 때문에 생체적합 리콜라이드의 공중합체인 PLGA가 이용되고 있다. PLGA의 가수분해 속도는 성 문제를 해결한 것으로 여겨져 약의 단백질, 성장호르몬, 효소 등 약물이나 생 폴리락타이드와 글리콜라이드의 구성 비율에 따라 서로 다른 분해속도를 나타내 체활성물질을 수일 동안 전달할 수 있는 소재(예: 뇌종양)에 주로 응용되고 있지 는데, 단축사로 글리콜라이드 비가 50:50일 때 가장 빠른 분해속도를 보이며, 만, 화학적으로 큰 반응성으로 인하여 가공 시 약물과 반응하는 문제점도 발생하 약 두 달 후에는 완전히 분해되는 것으로 보고된다. 고 있다. PLGA족 고분자들은 결정성, 분해성 및 분자량에 따라 ‘Vicryl’, ‘Polyglacti n 910’이라는 상품명으로 수술용 봉합사가 개발되었고, 전분자량(수직 정도)의 3) 폴리아미노산[poly(amino acids)] 무정형 PLGA는 주로 압출침착 재료로 사용된다. 수만 수십만의 분자량을 가진 폴리아미노산은 체내 독성이 적고 약물과 화학결합을 유도할 수 있는 다양한 PLGA족 고분자들은 강도를 필요로 하는 조직공학용 지지체에, 고분자량(수직 곁사슬을 가질 수 있어 약물전달 제재용으로 활용하는 데 가능성을 보였다. 그러 정도)의 결정성 PGA, L-PGA 등은 강한 기계적 강도가 요구되는 정형외과용 나 난용성이고, 가공과, 약물 방출속도를 예측하기 어려워 실제 응용에는 어려움 및 고정 나사 등에 사용된다. 이 있다. 최근에 폴리글루탐산과 같은 일부 폴리아미노산은 수술용 봉합사, 인공 또한 결정성의 폴리카프로락톤(polycaprolactone, PCL)은 독성이 없고 생 피부 등으로의 응용연구가 진행 중에 있다. 체적합성이 우수한 고분자로 간주된다. 다른 분해성 고분자에 비교하여 현저히 낮은 유리전이온도(-60 C 정도)와 용융점(55~60 C 정도)을 가지며, 다른 고 ° ° 분자들과의 혼합이 용이하고 분해속도는 폴리락타이드보다 늦으며, 상처 봉합용 봉합사 및 스테플과 골 조직재생용 3D 바이오프린팅 소재로 적용되고 있다. 이