인공장기의 핵심 소재 ‘의료용 高分子’

고령화 사회에 접어들면서 인공장기에 대한 수요가 급격히 늘고 있다. 인공피부, 인공연골, 인공혈관, 인공 뼈 등 다양한 바이오 인공장기의 개발과 상품화가 활발하다. 응용 범위도 늘어나고 있다. 인공장기 대중화의 핵심은 인체 내에서 면역 거부반응 없이 반영구적으로 그 기능을 유지할 수 있는 생체의료용 소재를 개발하는 것이다. 의료용 고분자 소재가 그 핵심 영역으로 떠오르고 있다.

■ 인공 혈관·장기·뼈, 다양하게 활용

생체의료용 소재란 질병의 진단·치료·예방의 수단으로 생체에 적용되는 소재를 통틀어 일컬으며, 인공장기나 인공조직, 치료용품의 기본 재료가 된다. 금속·세라믹 등과 함께 생체의료용 소재로 가장 많이 사용되는 소재 중 하나가 바로 의료용 고분자다. 다양한 진료분야와 약제학·유전자 치료·재활의학에 이르기까지 광범위하게 사용되고 있다.

원래 고분자(high molecular compound)란, 분자량이 극히 큰(보통 1만 이상) 화합물을 일컫는다. 고중합체(高重合體)라고도 하며, 처음에는 유기고분자화합물에 한정됐으나 최근에는 공유 결합성을 지닌 무기고분자화합물까지 범위가 넓혀졌다. 단백질을 비롯, 녹말·셀룰로오스(섬유소) 등은 천연으로 존재하는 고분자화합물들이고, 나일론·테트론 같은 합성섬유나 베이클라이트·폴리염화비닐(PVC)·폴리에틸렌·스티로폴 등은 합성고분자화합물들이다.

의료용 고분자는 성형하기 쉬운 기계적·물리적 성질을 갖춰야 하며, 체내에 이식했을 때 생체 거부 반응이 일어나지 않아야 한다. 또 체내의 여러 가지 단백질이나 혈액 성분들이 흡착됨으로써 기능이 저하되는 일도 없어야 한다. 이런 조건을 충족시키는 생체적합성 고분자 재료에는 혈액적합성 고분자와 조직적합성 고분자, 생분해성 고분자, 기타 의료용 고분자가 있다.

혈액적합성 고분자(blood compatible polymer)는 재료가 몸 안에 이식됐을 때 재료표면과 혈액 사이에 혈전이 생기는 것을 억제하는 재료다. 따라서 인공 심장·판막·혈관 등 혈액이 직접 접촉하는 심혈관계에 주로 이용된다. 병 때문에 혈관이 막히거나 수술 때 혈관 길이가 짧을 경우에 대비한 인공혈관 연구는 지난 수십 년 간 계속돼 왔고, 다양한 종류의 제품이 개발됐다. 혈관대체물을 개발하려는 최초의 시도는 합성고분자 재료인 폴리우레탄으로 만들어진 데이크론(Dacron)이나 폴리에스터(PET), 테플론(ePTFE)으로부터 제조된 관상동맥우회로이식술(coronary artery bypass graft·CABG)이다. 6~10mm 직경의 큰 혈관을 대체할 때는 상당히 성공적이지만 직경 3~4mm의 소구경 동맥에 적용할 때는 혈전증이 빨리 일어난다는 단점이 있다.

혈관 내피세포를 포함한 인공혈관의 개발도 이뤄졌다. 소구경 합성혈관의 혈전증 발생을 해결하기 위한 시도였다. 이러한 다양한 기술개발에도 불구하고 극소수의 혈관대체물만이 임상에 성공했다. 지금도 많은 연구실에서는 생분해되는 고분자재료를 기반으로 성장인자(growth factor)와 같은 생리활성물질을 만들어 인공혈관에 적용하는 방향으로 연구가 이뤄지고 있다.

인공심장에 쓰이는 고분자는 혈액과 직접 접촉을 하기 때문에 혈액이 응고되지 않도록 하는 항(抗)응혈성이 중요하다. 인공심장의 본체나 내부 코팅재로는 폴리우레탄, PVC, 폴리카보네이트 등이 사용되고 있지만 칼슘화에 의해 물성(物性)이 나빠지고 혈전이 생기는 현상 때문에 아직까지 영구적인 사용은 불가능하다. 헤파린(heparin) 같은 항응고제를 화학적·물리적으로 고정시키거나, 혈장단백질 흡착을 억제하기 위해 폴리에틸렌옥사이드(PEO)를 이용해 표면의 친수·소수(疏水)성을 조절하는 방법에 관한 연구도 진행되고 있다.

■ 하이브리드 생체 재료도 개발

조직적합성 고분자(tissue compatible polymer)는 부위 및 용도에 따라 생체를 자극하지 않는, 생체 친화력이 우수한 재료를 말한다. 생체를 자극하거나 독성을 일으키지 않고, 생체조직과 특수한 결합작용으로 세포 부착 성장성이 우수하거나 체내에서 분해·흡수되는 성질이 우수한 재료들이다. 혈액적합성 고분자와는 달리 조직과 재료간의 친화성을 목적으로 하기 때문에 일반적으로 조직공학적으로 응용된다. 인공 피부·관절·뼈, 치과·안과용 재료 등이 주된 이용 분야다. 인공고관절 및 슬관절, 인공관골구 제품이 개발됐고 마찰 파편이 생기는 현상 같은 부작용들을 해결하는 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.

생체분해성 고분자(biodegradable polymer)는 단순 가수분해(물 분자가 작용해 일어나는 화학분해) 또는 효소의 작용으로 분해 소멸되는 고분자다. 따라서 이를 이용해 만든 의료제품은 생체 내에서 역할을 다한 후엔 없어지기 때문에 별도의 제거 수술이 필요 없다. 또 분해되지 않는 고분자가 안고 있는 고질적 문제인 이(異)물질 반응도 걱정할 필요가 없다. 그러나 면역계에 의한 조직 거부반응이 나타날 수 있고, 기계적 물성이 일정하지 않으며, 분해속도의 조절도 어렵다는 점을 극복해야 한다.

생체분해성 고분자를 활용해, 상처를 접합하는 데 사용되는 흡수성 봉합사(絲)와 조직접착제, 부러진 뼈를 지지하는 골 접합재, 약물을 전달하는 데 쓰이는 약물전달체 등이 개발됐다. 특히 최근에는 생체분해성 고분자 지지체에 세포를 배양해, 인체의 조직과 장기를 재생하는 조직공학연구도 활발하다.

의료용 고분자는 약물전달시스템, 유전자 치료, 인공심폐기, 인공 간(肝) 등에도 이용되고 있다. 최근에는 이러한 합성 및 천연 고분자재료의 단점을 보완하고자 하이브리드 형태의 생체재료들이 개발되고 있으며, 높은 생물학적 효과를 나타내는 생리활성물질을 화학적·물리적으로 결합시키고자 다각적인 연구가 진행되고 있다. 또한 지능형 고분자로서 산도(酸度·pH), 온도, 빛과 같은 주위환경에 따라 구조 및 형태가 변화하는 자극 감응성 고분자(stimuli-sensitive polymer) 개발도 이뤄지고 있다.

■ 고령화와 더불어 성장하는 의료용 고분자 시장

의료용 고분자는 1990년대 초에 들어서면서 저변이 확대되기 시작해 의료용 고분자의 인체 적용이 가시화되기 시작했다. 따라서 본격적으로 연구개발 및 시장형성에 투자한 기간은 10여 년 정도로 현재까지도 투자환경기반 형성단계 산업이라 할 수 있다. 여타 바이오 산업이 그러하듯 의료용 고분자 분야 역시 사업화 초기 단계에 진입하면 고수익을 얻을 기회를 잡을 수 있지만 기술 개발이 완료된 후에도 상품화하기까지 각종 시험 및 인증에 많은 시간이 걸려 막대한 투자가 필요하다. 기회가 큰 만큼 위험도 큰 것이다.

SRI(Stanford Research Institute) 보고서에 따르면, 현재 의료용 고분자 세계시장은 미국이 40% 이상을 점유하고 있고, 그 뒤를 유럽과 일본이 잇고 있다. 미국의 의료용 고분자 전체 시장규모는 2001년 약 20억 8700만 달러였고, 2005년 약 28억 5000만 달러, 2010년에는 약 35억 1400만 달러로 증가할 것으로 예측되고 있다. 일본시장의 경우 미국 바이오산업 규모의 25% 정도 수준인 점을 감안하면, 2005년 약 7억 1200만 달러 수준의 시장을 형성한 것으로 추정된다.

미국의 의료용 고분자 시장은 향후 수년간 약 6.4% 이상의 성장을 거듭할 것으로 예상되고 있다. 성장의 가장 중요한 추진력은 노령 인구의 확대다. 2020년 이후에는 미국의 인구 노령화가 한층 가속화될 것으로 예상돼 의료용 고분자 시장도 성장이 더 빨라질 것으로 전망된다.

우리나라도 여러 연구소와 벤처기업 등에서 인공 장기·피부를 개발하고 있지만 선진국에 비해 기술수준이 크게 뒤져 있는 것이 사실이다. 특히, 의료용 고분자를 사용한 인공장기를 실용화하기 위해서는 고분자공학을 비롯한 재료공학·생화학·의학·약학 등 다양한 분야의 연구가 서로 복합적으로 협력해야 한다. 따라서 국가적 차원의 전략 마련과 함께 대대적인 연구개발 투자가 이뤄지고 있고, 산·학·연 제휴를 통한 의학 및 공학의 학문적 연구협력도 이루어질 것으로 기대된다.