생체 재료
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1. 개요
생체 재료는 생체 내에서 사용되는 재료로, 생체 적합성, 기계적 특성, 생체 활성, 구조, 자가 조립 등 다양한 특징을 갖는다. 금속, 세라믹, 합성 고분자, 생체 유래 재료 등 다양한 종류가 있으며, 인공 관절, 임플란트, 약물 전달 시스템 등 광범위한 분야에 활용된다. 특히, 생체 재료의 구조는 원자, 미세, 거시 수준에서 관찰되며, 자가 조립 기술을 통해 새로운 재료 개발이 이루어지고 있다.
생체 적합성(Biocompatibilityeng)은 생체 재료가 인체 내에서 사용될 때 "적절한 응답"[65]을 유발하는 능력을 의미한다. 이는 단순히 해로운 반응을 일으키지 않는 것을 넘어, 의도된 기능을 수행하면서 숙주와 긍정적으로 상호작용하는 정도를 포괄하는 개념이다.[25][26] 생체 재료의 성공 여부는 숙주 조직과의 상호작용, 즉 생체 적합성에 크게 좌우된다.[25] 대부분의 재료는 인체와 접촉 시 일정 수준의 반응을 일으키며, 이 반응의 성격과 정도가 생체 적합성을 결정한다.[25]
생체 재료는 자연에서 얻거나, 금속, 세라믹, 고분자, 복합 재료 등을 이용하여 다양한 화학적 방법으로 실험실에서 합성될 수 있다. 이렇게 만들어진 생체 재료는 인체 내에서 특정 기능을 수행하거나, 손상된 조직 및 장기를 대체 또는 보강하는 생명 구조물 또는 생체 의학 장치의 전체 혹은 일부를 구성하는 데 사용된다.
2. 생체 적합성
생체 적합성은 주로 다음 네 가지 관점에서 평가된다.[66]
과거에는 생체 재료가 체내에서 염증이나 거부 반응 없이 피포화(얇은 섬유성 막에 둘러싸이는 현상)되어 안정적으로 유지되는 상태, 즉 "불활성(eng)" 상태를 생체 적합성이 높은 것으로 간주했다. 스테인리스강이나 티타늄으로 만들어진 인공 관절 등이 이러한 사례에 해당한다. 그러나 최근에는 단순히 반응을 피하는 것을 넘어, 재료가 적극적으로 생체 반응에 관여하여 조직 재생을 돕거나 특정 기능을 수행하는 방향으로 개념이 확장되고 있다.[32][33] 예를 들어, 하이드록시아파타이트와 같이 생체 내 성분을 이용한 재료가 뼈 조직과의 융합을 촉진하는 것이 대표적이다. 면역 반응을 의도적으로 유도하여 치료 효과를 높이는 면역 조절 생체 재료 연구도 활발히 진행 중이다.[32]
이러한 개념 변화에 따라 생체 재료는 세대로 구분하기도 한다.[67]
생체 재료가 의료 기기 등으로 사용되기 위해서는 엄격한 생체 적합성 테스트를 통과해야 한다. 대표적인 규제 표준으로는 미국 약전(United States Pharmacopeiaeng, USP)의 생물학적 반응성 테스트(USP Class IV)와 국제 표준화 기구(International Organization for Standardizationeng, ISO)의 ISO 10993(의료 기기의 생물학적 평가) 등이 있다. 이러한 테스트는 재료의 급성 및 만성 독성을 평가하고, 실제 사용 조건에서 발생할 수 있는 잠재적 유해 영향을 확인하는 것을 목적으로 한다.[40] 요구되는 테스트는 재료가 접촉할 신체 부위(예: 혈액, 중추신경계)에 따라 달라진다.[40]
2. 1. 독성
생체 재료는 살아있는 신체 내에서 의도된 기능을 수행하면서 다른 신체 조직이나 기관에 해로운 영향을 주어서는 안 된다. 이러한 원치 않는 상호 작용을 막기 위해 생체 재료는 기본적으로 무독성이어야 한다.[35] 여기서 독성이란 생체 재료가 생체 내 환경에서 방출하는 물질을 의미하며, 특별히 의도된 경우가 아니라면 어떠한 물질도 배출하지 않아야 한다. 구체적으로 무독성은 생체 재료가 암을 유발하지 않고(비발암성), 열을 발생시키지 않으며(비발열성), 알레르기 반응을 일으키지 않고(비알레르기성), 혈액과 잘 맞으며(혈액 적합성), 염증을 유발하지 않는 것(비염증성)을 뜻한다.[35]
하지만 예외적으로, 특정 목적을 위해 의도적으로 독성을 포함하도록 생체 재료를 설계할 수도 있다. 예를 들어, 생체 내 및 생체 외 환경에서 이루어지는 암 면역 요법 테스트 연구에서는 독성을 가진 생체 재료의 활용 가능성을 탐구하고 있다. 이러한 독성 생체 재료는 암세포를 조작하고 제어하는 데 유용할 수 있다.[36] 최근 연구에 따르면, 리포솜, 고분자, 실리카겔과 같은 발전된 나노생체 재료는 약물과 면역 조절제를 함께 전달하는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 이러한 나노생체 재료 기반 전달 시스템은 종양에 대항하는 면역 반응을 효과적으로 증진시키면서 동시에 독성으로 인한 부작용을 줄일 가능성을 보여준다.[37] 이는 생체 재료의 생체 적합성 특성을 조절하여 원하는 의료적 기능을 구현할 수 있음을 보여주는 중요한 사례이다.
2. 2. 기계적 영향
생체 재료가 의료 기기 등에 사용될 때는 주변 조직과의 기계적 상호작용이 매우 중요하다. 특히 재료의 탄성 계수(''E'')는 재료가 응력에 어떻게 탄성적으로 반응하는지를 나타내는데, 이식되는 조직의 탄성 계수와 비슷하게 맞춰야 최적의 호환성을 확보할 수 있다. 탄성 계수를 맞추면 이식재와 조직 사이의 불필요한 움직임이나 박리를 줄이고, 특정 부위에 응력 집중이 발생하는 것을 막아 기계적 파손의 위험을 낮출 수 있다.
재료가 파손되기 전까지 견딜 수 있는 최대 응력을 나타내는 인장 강도와 압축 강도 역시 중요한 고려 사항이다. 때로는 높은 강도가 필요하지만, 신경 탐침처럼 주변 조직이 연약한 경우에는 오히려 낮은 강도와 탄성 계수를 가진 재료를 사용하여 조직 손상을 방지해야 한다.[46][47] 일반적으로 생체 재료의 탄성이 증가하면 극한 인장 강도는 감소하는 경향이 있다.
온도 변화를 겪거나 반복적인 하중을 받는 환경에서는 재료의 연성(휘어지는 능력)과 인성(파괴에 저항하는 능력)이 중요하다. 예를 들어 치과 임플란트나 고관절 이식재는 충분한 연성과 인성을 가져야 온도 변화나 달리기와 같은 주기적 하중 하에서도 오랫동안 안정적으로 사용될 수 있다.[46]
피부에 부착하는 의료 기기처럼 표면에 잘 밀착해야 하는 경우에는 굽힘 강성(''D'')이 중요하다. 굽힘 강성은 재료가 조직 표면에 얼마나 잘 정합적으로 접촉을 유지하는지를 결정한다. 굽힘 강성은 재료 두께(''h'')의 세제곱에 비례하므로, 박막 형태로 제작하여 조직 표면과의 밀착성을 높이는 것이 유리하다.[48]
2. 3. 상호작용
생체 재료가 인체 내에서 사용되면, 주변의 단백질이나 세포와 접촉하며 다양한 반응을 일으키는데, 이를 생체 반응(bioreaction)이라고 한다.[25] 이 반응은 생체 재료의 성공적인 기능에 매우 중요한 요소이며, 숙주 조직이 이식된 재료에 어떻게 반응하는지가 성공 여부를 결정한다. 재료와 숙주 조직 간의 특정 상호작용은 재료의 생체 적합성(biocompatibility)을 통해 조절할 수 있다.[25][26]
인체는 외부 물질이 유입되면 이를 제거하거나 방어하려는 자연적인 반응을 보이는데, 이를 이물 반응(Foreign Body Reaction, FBR)이라고 한다.[27] 의료 기기 이식은 필연적으로 조직 손상을 동반하며, 이는 이물 반응 과정에서 염증 및 치유 반응으로 이어진다. 염증 반응은 크게 급성기와 만성기로 나뉜다.
생체 적합성은 생체 재료가 특정 환경에서 어떻게 작용하는지를 나타내는 중요한 개념이다. 단순히 면역 반응을 최소화하는 소극적 특성뿐 아니라, 특정 조직과의 통합을 촉진하거나 의도적으로 면역 반응을 유도해 치료 효과를 높이는 적극적인 측면까지 포괄하는 넓은 의미로 사용된다.[32] 생체 재료 이식은 염증 반응 외에도 재료의 종류, 표면 특성, 분해 과정 등에 따라 다양한 국소적 또는 전신적 반응을 유발할 수 있다. 예를 들어 면역 반응, 이물 반응에 의한 재료 격리, 감염 위험 증가 등이 있으며, 심한 경우 이식편대숙주병 같은 합병증으로 이어질 수도 있다.[34]
과거에는 염증이나 거부 반응을 최소화하는 재료 탐색에 중점을 두어 스테인리스강이나 티타늄으로 제작된 인공 관절 등이 개발되었다. 그러나 최근에는 생체 재료가 생체와 더 적극적으로 상호작용하여 조직 재생을 촉진하는 방향으로 연구가 진행되고 있다. 예를 들어, 뼈의 주성분인 하이드록시아파타이트로 만든 인공 뼈는 기존 금속 재료와 달리 시간이 지나면서 실제 뼈 조직으로 점차 대체되어 뼈 재생을 촉진하는 효과를 나타낸다. 이처럼 생체 내에서 특정 기능을 수행하거나 긍정적 상호작용을 유도하는 생체 재료 개발이 활발히 이루어지고 있다.
2. 4. 생체 활성 (Bioactivity)
공학적으로 설계된 생체 재료가 생리적 반응을 유도하여 그 기능과 성능을 지원하는 능력을 '''생체 활성'''이라고 한다. 예를 들어, 생체 활성 유리나 생체 활성 세라믹의 경우, 생체 활성은 주로 이식된 재료가 골 전도(bone conduction) 또는 골 형성(osteogenesis) 과정에서 주변 조직과 잘 결합하는 능력을 의미한다.[4]
뼈 이식에 사용되는 재료는 종종 뼈의 성장을 촉진하면서 동시에 주변 체액에 녹아 흡수되도록 설계된다.[5] 따라서 많은 생체 재료는 우수한 생체 적합성과 함께 적절한 강도 및 용해 속도를 가지는 것이 중요하다.
일반적으로 생체 재료의 생체 활성은 표면에서 일어나는 생체 광물화(biomineralization) 현상을 통해 측정한다. 이 과정에서 재료 표면에 자연적인 수산화인회석(hydroxyapatite) 층이 형성되는지가 중요한 지표가 된다. 최근에는 제한적인 ''생체 외''(in vitro) 실험 결과를 바탕으로, 실제 치료 환경에서 생체 재료가 미치는 분자 수준의 영향을 예측하는 컴퓨터 시뮬레이션 기법이 개발되어 임상적으로 유용한 생체 재료 개발에 큰 도움을 주고 있다.[6]
3. 재료의 종류
생체 재료의 기능은 다양하다. 인공 심장 판막처럼 비교적 수동적인 역할을 수행하는 경우도 있고, 히드록시아파타이트가 코팅된 고관절 임플란트처럼 생체 조직과 적극적으로 상호작용하며 생체 활성을 나타내는 경우도 있다. 이 외에도 생체 재료는 치과 치료, 수술, 약물 전달 시스템 등 광범위한 의료 분야에서 필수적으로 활용된다. 예를 들어, 특정 약물을 포함한 생체 재료 구조물을 체내에 삽입하면, 장기간에 걸쳐 약물이 서서히 방출되어 치료 효과를 높일 수 있다. 또한, 장기 이식 시 자가 이식, 동종 이식, 이종 이식의 재료로도 사용될 수 있다.
3. 1. 금속
스텐트, 인공 심장 판막, 인공 관절, 임플란트 등 다양한 의료 기기에 금속 재료가 사용된다. 주로 사용되는 금속으로는 스테인리스강, 코발트 합금, 티타늄 합금 등이 있다. 구체적인 예로는 316L(스테인리스강), ASTM F75(Haynes-Stellite 21, 코발트 합금), ASTM F67(순 티타늄), ASTM F136(Ti-6Al-4V, 티타늄 합금) 등이 자주 활용된다[68]。 이러한 금속 생체 재료들은 생리적 환경 내에서 부식이 잘 일어나지 않는다는 공통적인 특징을 가지고 있다.
3. 2. 세라믹
유리나 세라믹은 주로 경조직의 보철에 사용된다. 구체적인 용도로는 치과 영역에서의 글래스 아이오노머 시멘트나 의치, 인레이, 크라운, 악안면 영역에서의 보철 재료, 인공 관절 등이 있다. 또한 금속의 부식 문제를 회피하기 위해 표면에 알루미나 등이 코팅되기도 한다. 특히 생체와의 양호한 결합이 요구되는 경우, 표면을 다공성으로 만드는 것이 유리하지만, 다공성 표면은 부식에 취약할 수 있어 다공성 세라믹으로 코팅하는 방법이 사용되기도 한다.[69]
3. 3. 합성 고분자
합성 고분자는 고유한 유연성과 조절 가능한 기계적 특성 때문에 가장 일반적으로 사용되는 생체 적합성 재료 중 하나이다. 플라스틱으로 만들어진 의료 기기에는 환상 올레핀 공중합체(COC), 폴리카보네이트(PC), 폴리에테르이미드(PEI), 의료용 등급 폴리염화비닐(PVC), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에틸렌(PE), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리프로필렌(PP) 등 다양한 종류가 사용된다.[40] 이러한 재료들은 인체에 사용되기 전에 생체 적합성을 보장하기 위한 엄격한 규제 테스트를 거쳐야 한다.[40]
합성 고분자는 주로 실이나 직물 형태로 가공되어 의료 현장에서 활용된다. 대표적인 예로 수술용 봉합사를 들 수 있는데, 몸 안에서 분해되지 않는 비분해성 봉합사로는 나일론이나 폴리프로필렌 등이 사용된다. 반면, 시간이 지나면서 체내에서 자연스럽게 분해되는 분해성 봉합사로는 폴리디옥사논이나 폴리젖산 등이 있다. 특히 젖산과 글리콜산의 공중합체는 조직 공학 분야에서 세포가 자랄 수 있는 지지체로도 활용된다.[23]
혈액과 직접 접촉하는 의료 기기에는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)나 테플론(PTFE)과 같은 합성 고분자가 사용된다. 예를 들어, 인공 심장 판막 중 하나인 세인트 주드 판막은 판막을 주변 조직에 고정시키기 위해 '다크론'이라는 직조된 섬유 메쉬를 사용하는데, 이는 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 상품명이다. 이 메쉬 구조는 신체 조직이 자라 들어와 판막을 안정적으로 고정시키는 데 도움을 준다.
3. 4. 생체 유래 재료
생체 재료는 인간의 조직이나 장기를 변경, 교체 또는 복구하기 위해 식물과 동물에서 얻은 재료를 사용하여 구성될 수 있다. 이러한 천연 생체 재료의 사용은 고대 이집트 시대부터 시작되었는데, 당시 원주민들은 동물의 가죽을 봉합사로 사용했다. 좀 더 현대적인 예로는 1891년 독일에서 처음 기록된 상아 재료를 사용한 엉덩이 관절 치환술이 있다.[57]
견사(絹)가 봉합사로 옛날부터 사용되어 온 것을 시작으로, 많은 생체 유래 재료가 사용되고 있다. 콜라겐처럼 소재화된 것뿐만 아니라, 세포를 제거한 조직(탈세포 조직)을 그대로 사용하는 경우도 있다. 예를 들어, 탈세포 조직은 인공 심장 판막 등으로 활용된다.[71]
실현 가능한 천연 생체 재료는 다음과 같은 중요한 기준을 충족해야 한다.
주요 천연 생체 재료의 예시는 다음과 같다.
생체 고분자는 살아있는 유기체에 의해 생성되는 고분자이다. 셀룰로스와 전분, 단백질과 펩타이드, 그리고 DNA와 RNA는 모두 생체 고분자의 예시이며, 이들의 단량체 단위는 각각 당류, 아미노산, 뉴클레오타이드이다.[60] 셀룰로스는 가장 흔한 생체 고분자이자 지구상에서 가장 흔한 유기 화합물로, 모든 식물 물질의 약 33%를 차지한다.[61][62] 또한, 실크(단백질성 생체 고분자)는 조직 공학 및 재생 의학, 미세 유체 공학, 약물 전달 등 다양한 분야에서 많은 연구 관심을 받고 있다.[63][64]
4. 구조
생체 재료의 분자 조성은 물리적 및 화학적 특성을 결정하며, 이러한 조성은 생체 재료가 기능할 수 있도록 하는 복잡한 구조를 생성한다.[49] 따라서 생체 재료를 개발하기 위해서는 그 구조를 정의하고 이해하는 것이 중요하다. 때로는 생체 모방이라는 과정을 통해 자연 유기체를 모방하여 생체 재료를 설계하기도 한다.[49] 생체 재료의 구조는 재료의 특성과 기능을 더 잘 이해하기 위해 여러 수준에서 관찰할 수 있다.
거의 모든 물질은 계층적으로 구조화된 것으로 볼 수 있지만,[10] 생체 재료의 경우 이러한 계층적 구조는 미세 구조에 내재된 특징이다. 공간적 규모의 변화에 따라 서로 다른 변형 및 손상 메커니즘이 나타난다.[10] 예를 들어, 뼈에서는 콜라겐 섬유와 하이드록시아파타이트 결정이 복잡한 계층 구조를 이루며,[12] 전복 껍질이나 게 등딱지에서도 유사한 다층적 구조가 발견된다.[13] 이러한 구조는 자연이 만들어낸 정교한 설계의 예시로, 생체 재료 과학자들은 자연 발생 복합체의 구조 형성 과정, 특히 환경 온도와 압력에서 무기물 결정체가 유기물 모체 내에서 어떻게 작용하는지에 주목하고 있다.
생체 재료 구조 형성의 중요한 원리 중 하나는 자가 조립이다. 자가 조립은 외부의 도움 없이 원자, 분자, 콜로이드 등의 입자들이 자발적으로 모여 열역학적으로 안정하고 잘 정렬된 구조를 만드는 현상을 말한다. 이러한 입자 집단은 스스로 면심입방구조나 체심입방구조와 같은 특정 결정 구조를 형성하기도 한다. 자가 조립은 생물 시스템에서 다양하고 복잡한 구조의 근간이 되며, 나노기술 분야에서도 새로운 재료 합성을 위한 핵심 전략으로 주목받고 있다. 분자 결정, 액정, 콜로이드, 유상액, 상분리 중합체, 얇은 필름, 자가조립 단분자막 등 다양한 구조가 자가 조립을 통해 만들어질 수 있으며, 자가 조직화는 이러한 기술의 중요한 특징이다.
생체 재료의 구조는 크게 원자 구조, 미세 구조, 거시 구조의 세 가지 수준에서 살펴볼 수 있다. 원자 구조는 재료를 구성하는 기본 단위인 원자와 분자의 배열 및 결합 방식을 다루며, 이는 재료의 근본적인 화학적, 물리적 성질을 결정한다. 미세 구조는 현미경을 통해 관찰되는 수준의 구조로, 재료 내 입자, 결정, 기공 등의 형태와 분포를 포함한다. 거시 구조는 육안으로 확인할 수 있는 재료의 전체적인 형태와 관련된 특징이다. 각 구조 수준에 대한 자세한 내용은 하위 섹션에서 더 깊이 다룬다.
4. 1. 원자 구조
생체 재료 내의 원자 및 이온의 배열은 생체 재료의 가장 중요한 구조적 특성 중 하나이다. 재료의 원자 구조는 아원자 수준, 원자 또는 분자 수준, 그리고 원자와 분자에 의해 생성된 초구조 수준에서 볼 수 있다. 재료를 구성하는 원자와 분자 간의 분자간 힘은 재료의 물질적 및 화학적 특성을 결정한다.[50]
아원자 수준에서는 개별 원자의 전기적 구조를 관찰하여 다른 원자 및 분자와의 상호 작용을 정의한다. 분자 구조는 재료 내 원자의 배열을 관찰한다. 마지막으로 초구조는 재료의 원자 및 분자 구조로부터 생성된 3차원 구조를 관찰한다. 재료의 고체 상태는 재료를 구성하는 원자와 분자 간의 분자 내 결합으로 특징지어진다. 분자 내 결합의 종류에는 이온 결합, 공유 결합, 금속 결합이 있다. 이러한 결합은 재료의 물리적 및 화학적 특성을 결정할 뿐만 아니라 재료의 유형(세라믹, 금속, 또는 고분자)을 결정한다.
4. 2. 미세 구조
재료의 미세 구조는 25배 이상의 배율로 관찰되는 물체, 유기체 또는 재료의 구조를 의미한다.[51] 이는 다양한 형태, 크기 및 입자, 기공, 석출물 등의 분포로 구성된다. 대부분의 고체 미세 구조는 결정질이지만, 특정 고분자와 같은 일부 재료는 고체 상태에서 결정화되지 않고 비정질 구조를 갖기도 한다.[52]4. 2. 1. 결정 구조
결정 구조는 이온, 원자, 분자가 3차원 형태로 결합되어 정렬된 구조를 말한다. 결정 구조와 비정질 구조의 주요 차이점은 구성 요소의 정렬 방식에 있다. 결정 구조는 재료 내에서 가능한 최고 수준의 정렬을 가지는 반면, 비정질 구조는 정렬 패턴에 불규칙성을 가진다.[53] 결정 구조를 설명하는 한 가지 방법은 구조 내 반복 요소(단위 세포)의 위치를 3차원으로 나타낸 결정 격자를 사용하는 것이다.[54] 결정 구조에는 14가지의 서로 다른 원자 배열 구성이 있으며, 이는 모두 브라베 격자로 표현된다.4. 2. 2. 결정 구조 결함
결정 구조가 형성되는 동안, 다양한 불순물, 불규칙성 및 기타 결함이 형성될 수 있다. 이러한 불완전성은 고체의 변형, 급속 냉각 또는 고에너지 방사선을 통해 형성될 수 있다.[55] 결함의 유형에는 점 결함, 선 결함, 그리고 가장자리 전위가 포함된다.4. 3. 거시 구조
거시 구조는 파괴 시의 힘, 강성, 굽힘, 응력 분포 및 재료의 무게에 영향을 미치는 전반적인 기하학적 특성을 말한다. 재료의 거시 구조를 확인하는 데에는 거의 또는 전혀 배율이 필요하지 않다. 거시 구조를 관찰하면 공동, 다공성, 기포, 층상 구조, 균열과 같은 특성이 드러난다.[56] 재료의 강도와 탄성 계수는 모두 거시 구조와는 직접적인 관련이 없다.5. 자가 조립 (Self-assembly)
자기 조립은 원자, 분자, 콜로이드, 미셀 등과 같은 입자들이 외부의 특별한 힘이나 조작 없이 스스로 모여서 질서 있는 구조를 형성하는 현상을 의미한다. 이렇게 모인 입자들은 열역학적으로 안정된 상태, 즉 에너지가 낮은 상태를 선호하며, 그 결과 마치 야금학이나 광물학에서 다루는 결정처럼 규칙적인 배열을 이루게 된다. 예를 들어, 면심 입방 구조나 체심 입방 구조와 같은 형태를 띨 수 있다. 이러한 구조들은 구성 입자의 종류나 주변 환경 조건에 따라 단위 세포의 크기에서 차이를 보인다.
분자 수준의 자기 조립은 생명체 내에서 매우 중요하며, 복잡하고 정교한 생물학적 구조를 만드는 기본적인 원리 중 하나이다. 이러한 자연의 자기 조립 원리를 이용하여, 자연에서 발견되는 미세 구조의 특징과 설계를 모방한 새로운 종류의 우수한 생체 재료를 개발하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 또한, 자기 조립은 화학 합성이나 나노 기술 분야에서도 물질을 원하는 형태로 정밀하게 제어하고 배열하는 새로운 전략으로 주목받고 있다.
자기 조립 기술을 통해 다음과 같이 고도로 정렬된 다양한 구조들을 만들 수 있다.[7][8][9]
이러한 구조들은 모두 외부의 간섭 없이 입자들 스스로 질서를 찾아가는 자기 조직화(self-organization) 능력을 특징으로 한다.[7][8][9]
6. 응용 분야
생체 재료는 자연 기능을 수행, 증강 또는 대체하는 생체 구조 또는 생체 의학 장치의 전부 또는 일부를 구성하는 데 사용된다. 이러한 기능은 심장 판막에 사용되는 것과 같이 비교적 수동적일 수도 있고, 생물 활성을 띠어 히드록시아파타이트 코팅 고관절 임플란트와 같이 더 상호작용적인 기능을 가질 수도 있다. 생체 재료는 또한 치과, 수술 및 약물 전달에 일반적으로 사용된다. 예를 들어, 약품이 함침된 구조물을 신체에 삽입하여 장기간에 걸쳐 약물을 서서히 방출할 수 있다. 생체 재료는 또한 자가 이식, 동종 이식 또는 이종 이식과 같은 장기 이식 재료로 사용될 수 있다.
생체 재료는 다음과 같은 다양한 분야에서 응용된다.
# 인공 관절
# 뼈 고정판[14]
# 눈 수술용 인공 수정체 (IOL)
# 뼈 시멘트
# 인공 인대 및 힘줄
# 치아 고정을 위한 치과 임플란트
# 혈관 보철물 (예: 인공 혈관, 혈관 이식편)
# 인공 심장 판막
# 피부 복구 장치 (인공 조직)
# 인공 와우
# 콘택트 렌즈
# 유방 보형물
# 약물 전달 기전
# 지속 가능한 재료
# 스텐트
# 신경 도관
# 수술용 봉합사, 클립 및 스테이플 (상처 봉합)[15]
# 골절 고정을 위한 핀과 나사[16]
# 수술용 메쉬[17][18]
# 인공 뼈
# 조직 공학용 지지체
인공 심장 판막은 널리 사용되는 생체 재료 응용 사례 중 하나이다. 가장 널리 사용되는 판막 중 하나인 쌍엽 디스크 심장 판막 또는 세인트 주드 판막은 두 개의 반원형 디스크가 앞뒤로 움직이며 혈액의 흐름을 허용하고 역류를 막는다. 이 판막은 열분해 탄소로 코팅되어 있으며, 다크론(폴리에틸렌 테레프탈레이트)이라고 불리는 직조된 섬유 메쉬로 주변 조직에 고정된다. 이 메쉬는 신체 조직이 자라면서 판막을 통합할 수 있게 해준다.
조직 공학에서는 손상된 조직을 대체하기 위해 인공 조직을 배양하는데, 이때 세포가 성장하고 조직화될 수 있는 지지체가 필요하다. 지지체의 특성은 생체 적합하고, 세포가 지지체에 부착될 수 있으며, 기계적으로 강하고 생분해성이어야 한다. 성공적인 지지체 중 하나는 젖산과 글리콜산의 공중합체이다.[23]
생체 재료는 신체와 양립해야 하며, 종종 생체 적합성 문제가 발생하므로 제품을 시장에 출시하고 임상 환경에서 사용하기 전에 해결해야 한다. 이 때문에 생체 재료는 일반적으로 새로운 약물 치료법과 동일한 요구 사항을 거친다.[19][20] 모든 제조업체는 결함이 있는 제품이 발견될 경우 동일한 배치에 있는 다른 제품을 추적할 수 있도록 모든 제품의 추적성을 보장해야 한다.
참조
[1]
서적
Biocompatibility of Dental Materials
Springer-Verlag
2016-02-29
[2]
논문
Terminology for biorelated polymers and applications (IUPAC Recommendations 2012)
[3]
서적
Definitions in Biomaterials, Proceedings of a Consensus Conference of the European Society for Biomaterials
Elsevier
[4]
논문
Bioactive Materials
[5]
논문
Nanostructural insights into the dissolution behavior of Sr-doped hydroxyapatite
[6]
논문
OsteoBLAST: Computational Routine of Global Molecular Analysis Applied to Biomaterials Development
[7]
논문
Molecular self-assembly and nanochemistry: A chemical strategy for the synthesis of nanostructures
[8]
논문
Self-Assembledceramicsproduced Bycomplex-Fluidtemplation
[9]
논문
Challenges and breakthroughs in recent research on self-assembly
[10]
논문
Hierarchically structured bioinspired nanocomposites
https://discovery.uc[...]
2022-11-28
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