느지막에 대학에 적을 두고 일하다 보니 그동안 가까이하지 못했던 이런저런 새로운 분야를 접할 기회가 생긴다. 재료 분야를 공부했었지만 주로 철강, 원자력, 그리고 에너지 플랜트 분야에 대해 다루어 왔는데 우연한 기회에 #생체재료 분야를 살펴볼 기회가 있었다. 인체의 손상된 장기나 조직을 대신하기 위한 생체재료는 정상 조직이 가지고 있었던 기능과 특성을 재현할 수 있어야 하며 아울러 주변 조직에 문제를 일으키지 않고 사용될 수 있어야 한다. 생체재료는 정형외과용으로 관절 대체품, 골 고정판, 치과용으로 #임플란트, 심혈관계로 혈관 스텐트, 인공혈관, 인공심장 밸브, 안과용으로 인공수정체, 수술 시 사용하는 클립, 봉합사, 스테이플러 등이 있으며 #금속, 세라믹, 고분자 재료 등이 사용되고 있다. 이중 뼈와 관련된 분야에는 금속 재가 우수한 역학적 특성으로 주로 사용되고 있다. 전체 생체재료에서 금속 재는 70%를 점유한다고 알려져 있다.
생체재료의 필수 조건은 주변의 세포 혹은 조직과 잘 교합될 수 있는 #생체적합성이다. 금속 중에서는 #티타늄계, 지르코늄계, 스테인리스, 코발트크롬 등이 생체적합성 이 뛰어나 치과용 임플란트나 스텐트 등에 활용되어 왔다. 사실 이러한 금속은 내부식성과 중성자 투과성 등에서 탁월한 기능성을 가져서 #원자력발전에서도 핵심 재료로 사용되고 있다. 이러한 연관성이 개인적으로는 금속계 생체재료에 대해 쉽게 이해할 수 있는 계기가 되었다.
치과용 임플란트의 발전사를 보면 먼저 치아 대체재로서의 기계적 특성과 기능성을 고려하여 티타늄계가 광범위하게 활용되게 되었고, 여기에 생체 적합성 향상을 위해 에칭 등 다양한 방법으로 #표면개질 처리를 해 왔다. 아울러 인산칼슘 복합체 등의 #코팅 처리로 골 유착 기간 단축도 이루고 있다. 그리고 주변 조직 세포와 생체재료 사이의 나노구조 연관성을 연구하여, 전자빔이나 레이저 등으로 #나노패턴을 표면에 가공하여 생체 적합성과 기능성을 더욱 향상시킬 수 있는 연구도 진행되고 있다. 치과용 임플란트는 재료 연구자들에게 재질 선정, 표면처리, 나노 표면가공, 생체적합성 등을 종합적으로 연구할 수 있는 융합연구의 한 분야라 할 수 있다.
치과용 소재 분야에서 최근에는 자연 치아와 유사하게 심미성을 중시하는 경향에 따라 세라믹 소재인 #지르코니아의 활용성이 커지고 있다. 지르코니아는 강도와 내구성이 우수하면서도 빛이 투과됨으로 자연 치아가 갖는 자연적 색상을 보인다. 이에 따라 임플란트 상부 및 하부 구조물, 크라운, 브리지, 교정용 브래킷 등에 응용되고 있다. 지르코늄 산화물(ZrO2) 형태인 지르코니아는 세라믹이므로 금속과 달리 인성이 떨어지지만, 확산을 수반하지 않고 격자구조가 변화하는 #마르텐사이트 변태를 일으키는 특성이 있다. 즉, 지르코니아를 가열 후 냉각 시에 1170도 근처에서 정방정계의 결정구조가 단사정계로 결정구조가 바뀌게 되고 이때 부피가 약 4.5% 증대하는 현상이 발생한다. 철강재에서는 강도 증대가 마르텐사이트의 주요 목적이지만, 치아용 지르코니아의 경우에는 잔류하는 불안전상태의 정방정 조직이 단사정으로 변할 때 동반되는 부피 증가를 이용하기 위함이다. 즉 외력에 의해 결함이 발생하면 이에 따른 #응력유기 마르텐사이트 변태로 부피가 팽창하여 결함 입구를 닫게 만들고 따라서 결함 성장이 정체되어 인성을 증대 시킬 수 있기 때문이다(Transformation Toughing Capability).
분말 상태의 지르코니아로 치아 모양을 성형한 후 소결 과정에서 적절한 강도를 얻게 된다. 그 후 그라인딩 등 기계적 가공으로 인공치아를 만들게 되는데, 이러한 과정에서는 다양한 재료공학적 기술이 활용되고 있다. 그리고 지르코늄 합금을 급격한 속도로 냉각시켜 비정질 상태로 제조하여 치아교정용 재료로 활용하는 방법과, 이식한 임플란트 하부구조물이 잇몸 뼈와 정합 되어 치료되는 정도를 #초음파를 이용하여 평가하는 분야도 연구되고 있다. 3차원 스캐너로 입안을 스캔하고 잇몸 뼈의 상태는 3차원 CT로 찍어서 디지털 데이터를 취득 후에 최적의 보철 모양을 설계하고 3D 프린터로 제작하여 식립하는 단계가 치과에서 현실화될 것이다. 의료용 생체재료 분야도 지능화되어 조직의 생리적 인자를 모니터링하며 지속적 영향으로 빠른 치유가 가능하게 될 것이며 아울러 인체 내의 조직이나 면역계 그리고 약물 전달이나 의료기기 등에 활발히 적용되리라 기대해 본다. 의료용 생체재료 분야에서 열린 생각과 도전적 사고 대응하면 Niche 시장의 하나로 성장하리라 기대된다.
2019. 2. 20. 16:20
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