[이코노믹리뷰=황진중 기자] 임플란트라고 하면 대개 치과에서 치아이식술에 활용하는 ‘치과용 임플란트’를 떠올리기 쉽지만, 손상이 심한 골절 사고 시 인체에 무해한 티타늄 합금 재질의 인공뼈를 이식하기 위한 ‘정형외과용 임플란트’도 있다. 정형외과용 임플란트는 수술 도중 티타늄 표면이 오염되거나 부식돼 이식 부위에 염증이 발생하고, 임플란트가 뼈 조직과의 결합에 실패하거나, 결합 이후 연결된 뼈조직이 약해지는 부작용이 종종 발생해왔다.
결합에 실패한 임플란트를 제거하면 재이식 수술이 불가하므로 사전에 약물을 사용해 염증 발생 확률을 줄여야 한다. 국내 연구진이 티타늄 임플란트에 염증을 억제하는 약물을 넣어 활용할 수 있고, 뼈와 유사한 구조로 제작해 신체 부담을 최대한 줄인 생체친화적 정형외과용 임플란트 제조기술을 개발해 주목된다.
약물 방출형 임플란트, 수술 초기 염증 억제…뼈와 탄성계수 유사
한국생산기술연구원은 11일 임플란트 내부에 다수의 기공(구멍)을 만들고, 그 속에 염증을 억제하는 약물을 넣어 수술 부작용을 줄인 ‘약물방출형 다공성 임플란트’ 제조기술을 개발했다고 밝혔다.
표면처리그룹 김현종 수석연구원이 이끄는 공동연구진이 개발한 정형외과용 임플란트는 수많은 구멍 속에 항염증제, 골성형 촉진 단백질, 줄기세포 등 각종 약물들을 함유하고 약 10일에 걸쳐 일정한 비율로 서서히 방출시킬 수 있다.
연구진 관계자는 “임플란트에 함유된 약물은 수술 초기 해당 부위의 염증 발생을 억제한다”면서 “임플란트가 뼈를 비롯한 주변조직과 빠르게 결합할 수 있도록 도울 수도 있다”고 설명했다.
연구진은 또 수술 후 오랜 시간이 지난 후 임플란트와 결합한 하단 부위의 뼈가 인체 하중을 지탱하는 역할을 잃지 않도록 만드는 기능도 추가했다. 연구진 관계자는 “뼈는 외부에서 자극이 주어지지 않으면 두께와 무게가 줄어드는데, 임플란트 소재인 티타늄 합금은 뼈보다 탄성이 강해 외부에서 뼈로 가해지는 힘을 대부분 흡수하므로 연결된 뼈가 자극을 받기 어렵다”면서 “뼈의 탄성계수와 맞춰 연결된 아래쪽 뼈로 자극을 전달할 수 있도록 제작했다”고 설명했다.
연구진이 개발한 임플란트는 뼈 조직을 모사한 다공(多孔) 구조로 형성돼 탄성이 뼈와 유사하며, 무릎, 대퇴부, 턱 등 부위에 따라 각기 다른 뼈의 탄성까지 정밀하게 반영해 제작할 수 있다.
뿌리산업기술연구소서 기술개발…융합제조의 힘?
정형외과용 ‘약물방출형 다공성 임플란트’ 개발 성과는 생기원 뿌리산업기술연구소 주조공정그룹, 성형기술그룹, 표면처리그룹이 협력해 티타늄 합금을 제조하고, 인공뼈로 가공‧후처리하는 데 필요한 각 분야의 요소기술을 개발해 이뤄졌다.
먼저 주조 분야에서는 일정 간격을 두고 티타늄 합금을 한번 녹인 다음 주형에 흘려 넣어 굳힌 잉곳을 생산하던 제조방식을 전자기유도장치와 수소플라즈마 기반의 연속주조 방식으로 바꿔 공정효율을 높임으로써 제조원가를 50% 이상 절감했다. 또 물을 얼리면 얼음 속에 기포가 발생하는 원리를 이용한 ‘동결주조’ 방식을 도입, 임플란트에 뼈와 유사한 다공 구조를 만들었다.
소성가공 분야에서는 다공성 임플란트 제조공정에 금형몰드를 적용해 시제품 제작에 성공, 대량생산 기반을 다졌다. 표면처리 분야에서는 약물을 함유하고 골조직 형성을 촉진하는 그래핀 소재의 ‘에어로겔’과 높은 밀착력을 보유한 ‘하이드로겔’로 임플란트 표면을 복합 코팅해 장기간 약물이 방출될 수 있는 기능을 적용시켰다.
에어로겔은 3차원적으로 연결된 기공들로 이뤄진 다공성 겔이고 하이드로겔은 물을 용매로 하는 겔이다. 연구진 관계자는 “티타늄 봉으로 선반 가공한 것을 기존에 활용하고 있고, 개발한 기술이 주조 방식이라 강도에 문제가 없냐고 물을 수 있지만 만들고 나서 표면 열처리 등 소성가공까지 하므로 강도도 문제없다”면서 “중요한 점은 전체적인 물성을 뼈와 맞춰줘야 연결된 뼈도 꾸준히 사용할 수 있다. 어차피 뼈의 강도와 맞춰야한다”고 설명했다.
연구진은 개발한 임플란트의 조기 상용화를 위해 기술적 완성도가 높은 주조 공정기술을 우선 기업에 이전하고, 소성가공과 표면처리 공정기술은 대학병원과 함께 2020년부터 3년 동안 임상시험을 진행한 후 이전할 계획이다.
업계에 따르면 정형외과용 임플란트 시장 규모는 2021년 약 181달러에 이를 것으로 전망된다. 사고에 따른 재활 수술보다는 세계적인 고령화 추세에 따라 노령인구를 대상으로 수술이 더 늘어날 것으로 전망된다.
김현종 수석연구원은 “순수 국내 뿌리기술력을 바탕으로 그동안 전략 수입에 의존해왔던 원소재 제조공정을 효율화‧국산화하고, 후처리 공정을 통해 가능성 부여에 성공했다”고 밝혔다.
연구진은 개발한 기술이 향후 정형외과용 임플란트 뿐만 아니라 혈관 속에 영구적으로 삽입하는 작고 가느다란 의료용 튜브인 스텐트와 인공장기, 바이오센서 등 다양한 바이오‧헬스 소재 분야에 광범위하게 활용될 것으로 기대하고 있다.