◈ 조직재생을 촉진하는 신개념 금속임플란트 개발

◆ 배터리 기술을 응용하여 금속이 혈관 생성을 촉진 - 기존 의료용 금속소재에 쉽게 적용할 수 있어 상용화 가능성 높아 - 의료용 금속소재는 강도가 우수하고 쉽게 깨지지 않는 고유의 성질을 바탕으로 정형외과, 치과, 심혈관계 등 강도와 안정성이 요구되는 전 분야에 걸쳐 인체 내 이식소재로 사용되고 있으나, 체내에서 생화학적인 활성을 기대하기는 어려웠다. 이를 극복하기 위한 방법으로 생화학적인 활성을 부여할 수 있는 세라믹이나 고분자 코팅 등을 많이 사용하지만 금속과의 결합력이 약하여 의료기기의 내구성과 신뢰성을 저하시킬 수 있는 등 제약이 많다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 의공학 연구소 생체재료연구단 옥명렬 박사 연구팀은 기존의 의료용 금속 소재에 간단한 처리만으로 혈관 형성을 유도하여 조직 재생을 촉진하는 기능을 가지는 신개념 금속 기능화 기반기술을 개발했다. 티타늄이나 코발트-크롬 합금과 같은 의료용 금속 소재는 일반적으로 체내에서의 부식을 막아주는 나노미터 두께의 자연 산화막이나 의도적으로 형성시킨 더 두꺼운 산화막으로 덮여있다. 연구팀은 이들 금속의 산화막이 광촉매반응 또는 전기화학적 촉매반응을 통해 적절한 저농도에서 혈관 생성을 촉진한다고 알려져 있는 활성산소를 만들어낼 수 있음에 착안하여 본 기술을 개발하였다.    체내에는 이들 산화막을 촉매로 사용하는 데에 필요한 광원(光源) 또는 전원(電源)이 없다는 문제가 있다. 연구팀은 KIST 생체재료연구단의 대표 발명품인 몸에서 녹는 금속의 주성분인 마그네슘을 활용하여 이 문제를 해결했다. 즉, 의료용 금속소재와 마그네슘을 접촉시켜 배터리와 같은 구조를 만들면 마그네슘의 부식반응으로 생성된 전자가 도체인 의료용 금속 소재의 표면으로 확산되고 산화막 표면에서 산소를 환원시켜 활성산소를 만들어 낼 수 있다는 것이다. 연구팀은 산화막의 두께, 마그네슘과 의료용 금속 소재의 표면적 비율과 같은 재료과학적인 인자를 조절하여 활성산소의 생성 속도를 제어했다. 활성산소의 농도를 조절시켜 가면서 활성산소의 독성은 나타나지 않으면서도 혈관내벽세포는 활성화시키는 최적의 농도를 찾았다. 이를 통해 혈관 생성 촉진을 통한 조직 재생 유도형 의료용 금속의 개발이 가능하다는 것을 세포실험을 통해 확인하였다.  특히, 가능성의 검증에서 멈추지 않고 개발 기술의 상용화를 목표로 정형외과 및 치과에서 많이 사용하는 나사 형태의 시작품을 개발하였다. 이렇게 만들어진 시작품에서도 충분한 농도의 활성산소가 발생하고 그에 따른 혈관형성 촉진 효과를 세포실험을 통해 확인하였다. 개발된 기술의 장점은 오로지 금속과 그 산화막만으로 이루어진 기술이므로 금속 의료기기의 강도를 손상시키지 않고 코팅층의 박리와 같은 신뢰성 관련 문제가 발생하지 않는다는 점이다. 또한 새로운 재료의 개발 없이 기존에 널리 사용되는 의료용 금속소재간의 간단한 조합을 통해 개발한 기술인만큼 제품 인허가에 소요되는 시간을 단축하여 실용화 할 수 있으며 기존 시장 전체를 공략 대상으로 할 수 있다는 장점이 있다.  옥명렬 박사는 “본 기술은 KIST의 금속공학, 촉매화학, 전기화학, 조직공학, 나노공학 등 다양한 분야의 전문가들이 협력하여 개발한 융합기술로 특히 고대병원과의 협력을 통해 상용화를 위한 개발 방향 설정이 가능하였다. 간단한 추가 공정을 통해 기존의 거의 모든 금속 의료기기에 직간접적으로 적용될 수 있어 상용화 되면 경제적 파급효과가 클 것이다.”고 밝혔다. 본 연구는 KIST 의공학연구소 미래원천 연구사업과 플래그쉽 연구사업의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 독일에서 발행되는 화학 분야의 세계적 학술지인 앙게반테 케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition) 10월 20일자 온라인판에 게재되었다.   * (논문명) Magnesium corrosion triggered spontaneous generation of H2O2 on oxidized titanium for promoting angiogenesis       - (제1저자) 한국과학기술연구원 박지민 연구원       - (교신저자) 한국과학기술연구원 옥명렬 선임연구원          <그림자료> <그림 1> 일차전지 반응을 이용한 활성산소 생성에 대한 개념도. 광원이나 전기 에너지와 같은 외부 자극 없이 오로지 마그네슘의 부식을 통해서 자발적으로 전자와 활성산소를 발생시키는 원리에 대한 설명 (좌). 마그네슘의 산화과정을 통해 만들어진 전자가 티타늄 쪽으로 이동하여, 티타늄 주변의 산소를 환원시켜 과산화수소를 만들게된다 (우) <그림2> 개발된 조직재생용 임플란트 내 활성산소 생성의 전기화학적 평가. 티타늄 주변에서 자발적으로 과산화수소가 발생하는 것을 다양한 전기화학 방법을 통하여서 확인하였음. 특히나 질소가 포화된 용액과 산소가 포화된 용액에서의 특성을 비교함으로써, 활성산소 생성을 확인할 수 있었음. <그림3> 개발된 조직재생용 임플란트에서 발생되는 과산화수소의 농도를 혈관내피세포 배지와 생체유사용액에서 측정. (위) 측정된 농도 데이터를 기반으로, 혈관 내피세포에 임플란트를 30분 동안 도입한 결과, 성장인자가 없음에도 불구하고  현저하게 많은 혈관 네트워크가 생성됨을 확인함. 실제로, 임플란트를 도입하지 않고, 성장인자가 없는 경우 (negative control) 거의 혈관 네트워크가 생성되지 않는 것을 확인할 수 있음. 이는 본 임플란트 기술이 성장인자 없이도 혈관생성을 유도할 수 있다는 것을 나타냄. (아래) <그림4> 앞서 이용한 마그네슘과 티타늄을 하나의 형태로 결합한 “일체형” 임플란트 모형. 앞선 결과와 유사하게, 일체형 임플란트에서도 성장인자 없이 혈관 네트워크가 생성되는 것을 확인함. <그림5> 전체 연구 결과의 모식도. 일차 화학전지 기술을 이용하여, 자발적으로 활성산소가 만들어진 마그네슘 -티타늄 기반 금속 임플란트를 개발함. 자발적으로 발생된 활성산소는 조직재생에서 중요한 과정 중에 하나인, 혈관신생  능력을 향상시키는 것으로 확인됨. 자료관리 담당 l 홍보팀 한귀향  / 연락처 02-958-6313  / e-mail -  kiwihyang@kist.re.kr