바이오물질은 체내이식장치, 재생의료제품, 연성조직 치료물질 등 주로 의료분야에 적용된다.
체내이식 응용분야로는 정형외과 이식, 골격치료, 심장박동조절장치, 심장밸브, 혈관장치, 연조직이식이 있고 재생의료제품에는 인공심장, 인공췌장, 인공간 등이 있다. 또한 봉합물질, 외과용 접착제, 외과용 망사 등 연성조직 치료물질과 투약시스템 등에 응용된다.
◆체내이식장치
◇정형외과 이식=정형외과에서는 부상, 질병 또는 마모 등으로 인해 기능장애가 있는 고관절, 무릎, 어깨관절 등을 대체하기 위한 이식에 바이오물질이 사용된다. 고령인구 증가와 이들의 건강관리에 대한 관심이 높아짐에 따라 정형외과 이식장치와 치료에 사용되는 바이오물질시장이 꾸준히 성장하고 있다.
세계 근골질병과 관련한 정형외과 이식장치 시장규모는 지난 99년 약 105억달러였다. 미국의 경우 근골질병 환자가 연간 1300만명인데 이 중 50만명이 관절을 교체한 것으로 추산된다. 특히 빠른 성장이 기대되는 정형외과 부문은 스포츠의약 이식장치, 척추교정, 대체 골격이식 제품 등이다. 관절용 이식장치는 표면이 관절의 움직임에 적합해야 할 뿐 아니라 골격속에 이식되어야 하기 때문에 상당히 복잡한 생물학적·기계적 구조를 갖추어야 한다. 초기 제품은 이러한 특성과 구조를 갖고 있지 않아 안정적인 이식이 되지 못했다. 그러나 새로운 금속과 합금이 개발돼 이제는 정형외과용 제품의 기능과 내구력이 크게 향상되었다.
대부분의 정형외과 이식물질에는 표면에 초고분자 중량 폴리에틸렌(UHMWPE: Ultra High Molecular Weight PolyEthylene)을 사용해 관절부분의 표면이 부드럽게 움직이도록 한다. 그러나 이 물질은 오래 사용하면 마모돼 그 조각이 뼈 속으로 들어가 골종양을 일으킬 가능성이 있다. 이 문제를 해결하기 위해 현재 기술을 개발하는 한편 세라믹과 같은 대체물을 사용하고 있다.
앙코르메디컬사가 세라믹으로 관절부분을 처리한 무릎 대용관절을 생산하고 있고 지머와 설저사가 고관절 이식장치에 교차 결합된 폴리에틸렌을 사용할 계획이다. 또 코린메디컬사는 마모조각을 크게 줄여 절제 수술을 최소화할 수 있는 금속 고관절 이식장치를 출시했다.
◇골격치료=골절이나 손상된 뼈를 치료하는 데는 나사못, 접시, 막대, 핀, 줄 등 각종 형태의 물질을 사용한다. 이러한 제품의 소재로 현재 가장 많이 사용되는 것은 금속이며 다음으로 폴리머와 세라믹이 많이 사용된다. 하지만 금속은 부식·노후화해 조직의 부작용을 일으키고 뼈를 약하게 만든다. 금속은 또 뼈가 다 치료된 다음에는 제거수술을 해야 하는 불편이 따른다. 이에 연구원들은 금속의 생체호환성과 내구력을 높일 수 있는 기술을 개발하고 있다. 한편 바이오세라믹이 뼈의 치료에 사용되기 시작했다. 플로리다대학의 래리 헨치씨가 뼈의 성질과 비슷해 골격의 치료에 적합한 바이오세라믹을 처음 개발한 이후 인터포크로스인터내셔널이 최초로 골격치료용 바이오세라믹을 상용화했다.
또 금속 나사, 핀, 압정 등을 대체할 수 있는 흡수성 다인자 물질이 개발되고 있다. 이러한 물질은 2차 제거수술을 할 필요가 없게 해 주지만 강도가 약하고 가격이 비싼 것이 문제다. 지난 10년 동안 정형외과부문에서는 성장인자를 재결합하거나 단백질을 결합, 뼈를 성장시켜 치료하는 기술을 개발해 왔다. 골절된 부위의 접골이나 결합을 촉진하기 위해 연구원들은 성장인자만을 사용하든가 아니면 바이오물질과 함께 사용하고 있다. 이와 함께 아직 초기단계기는 하지만 골격을 통째로 대체할 수 있는 기술도 연구되고 있다.
◇심장박동 조절장치=심장박동장치는 도선과 박동 생성기로 구성되어 있는데
초기 박동조절장치는 고정된 속도로 심장이 박동하도록 자극을 주어 환자의 심장 박동속도가 변하면 문제가 생길 뿐 아니라 환자의 활동도 제약을 받았다. 그러나 새로운 제품은 환자의 신체적 필요에 따라 심장을 사용하기 때문에 부작용없이 환자의 활동을 자유롭게 할 수 있다. 또 최근에는 심장병을 치료할 수 있는 세동방지장치가 개발되었다. 이 장치는 기존의 심장박동 조절장치와 달리 치료조건에 적절하게 심장에 다양한 전기자극을 줄 수 있다. 심장병 치료에는 여러가지 약품도 사용되지만 심장박동 조절장치나 세동방지장치는 환자의 건강을 향상시킬 뿐 아니라 생명을 연장시킬 수 있다. 주요 관련업체로는 메드트로닉, 인터메딕스, 가이던트 등이 있다.
◇심장밸브=심장밸브에는 생체조직 기반의 것과 기계적인 것이 있다. 생체조직 밸브는 보통 소나 돼지의 심장조직과 이를 지탱하는 합금 및 다크론 천으로 되어 있다. 기존 생체조직 심장 밸브의 가장 큰 문제는 석회화로서 일반적으로 시술 후 8∼13개월이 지나면 석회화 현상이 나타나 밸브를 교체해야 한다. 이에 석회화를 방지하기 위한 연구가 추진되고 있다. 또한 기능과 인체 호환성을 향상시킬 수 있는 합금이 없는 생체조직 밸브도 개발되고 있다. 주로 열용해탄소가 함유된 실리콘을 소재로 사용하는 기계적인 심장밸브는 대개 볼밸브나 복엽구조로 되어 있다. 그런데 이러한 밸브는 혈전증을 유발할 가능성이 있기 때문에 장기적인 항응혈 치료를 받아야 한다. 미국 보건 및 표준기관의 지원을 받아 연구원들이 살아있는 세포를 사용해 심장밸브를 배양할 수 있는 기술을 개발하고 있다.
◇혈관장치=바이오물질은 합성혈관 이식조직, 스텐트, 동맥치료 시스템 등 도관장치에 사용되고 있다. 그러나 이러한 제품은 혈전 용해증, 만성 혈관 이상증식 또는 봉합선의 이상 등의 부작용을 유발할 수 있다. 형상기억 합금을 사용하면 경유 혈관을 관상동맥에 재접합하는 데 필요한 시간을 단축할 수 있어 관상동맥 경유 수술기술을 향상시킬 수 있다.
◇연조직 이식=바이오물질은 얼굴이나 신체의 모습을 바꾸는 성형수술에도 사용된다. 성형수술에 주로 사용되는 연성조직 바이오물질은 실리콘이지만 고어텍스 플라스틱, 금속 등의 사용도 점차 늘어나고 있다. 하지만 가슴 수술에 실리콘을 장기간 사용하면 부작용이 일어나 이의 사용이 억제되고 있다. 일부 업체는 가슴 수술용 물질로 콩기름을 함유한 이식물질을 개발하고 있다. 또 연구원들은 연성조직 이식장치의 생체 호환성을 높이기 위해 기공이 없는 얇은 티타늄 층으로 이식장치를 코팅하는 방법을 연구하고 있다.
◆재생 의료 제품
일부 질병이나 부상으로 손상된 기관은 수술로는 치료할 수 없는 것이 있다. 이런 경우 최선의 방법은 해당 장기나 기관을 이식하는 것이다. 그러나 장기나 기관을 이식하려면 기증자와 수령자의 조직이 서로 맞아야 거부반응을 줄일 수 있다. 또한 장기의 공급도 제한되어 있다. 바이오물질을 적용해 이를 대체할 수 있는 재생 의료제품에는 인공심장, 인공혈관, 인공췌장, 인공간, 대용 피부, 대용 혈액 등이 있다.
◇인공심장=인공심장은 지난 69년부터 사용되기 시작해 지금까지 200명 이상이 이를 이식했다. 인공심장은 생체 심장을 이식하기 전에 중간 단계에만 사용하며 장기적으로는 사용하지 않는다. 이를 장기적으로 사용할 수 있게 하려면 혈액을 충분히 공급할 수 있는 펌프, 조직 부작용이 없이 안전하게 인공물질을 첨가할 수 있는 방법 등을 개발해야 한다.
◇인공췌장=초기 인공췌장에는 포도당 센서가 들어있는 이식가능한 포도당 펌프가 사용되었다. 센서가 혈액내 포도당의 변화를 감지해 혈액에서 필요한 분량의 인슐린을 분비하도록 했다. 이것이 인슐린의 주사를 대신할 수는 있지만 생체조직이 하는 것처럼 포도당과 인슐린의 균형을 정확히 맞추지는 못한다. 차세대 인공췌장은 인체나 동물의 췌장세포를 이용해 포도당의 수준에 따라 인슐린을 분비하도록 하게 할 것이다.
◇인공간=간을 대체할 수 있는 이식장치에 대한 수요가 많음에도 불구하고 인공간의 개발은 인공심장이나 인공췌장만큼 진전되지 못했다. 하지만 다른 장기의 개발을 통해 얻은 정보를 활용해 인공간의 개발이 가속화할 것으로 보인다. 인공간을 개발하는 데 가장 어려운 문제는 수많은 간의 기능을 복제하는 일이다. 인공간의 개발은 우선 간의 기능을 보조하는 장치의 개발에 집중돼 있다.
◇기타=이밖에 바이오물질을 응용할 수 있는 재생 의료제품에는 대용 피부, 대용 혈액 등이 있다.
◆연성 조직 치료물질
◇봉합물질=봉합물질은 단일 또는 복수 사상체로서 분해되지 않거나 생체에 흡수되는 것이어야 한다. 초기 봉합물질에는 장선이나 생사가 주로 사용되었으며 최초의 합성 봉합물질에는 폴리아미드가 사용되었다. 그러나 폴리아미드는 체액이 닿으면 늘어나고 부풀며 압력을 받으면 길어지는 문제가 있다. 최근에는 이러한 문제가 비교적 적은 폴리에스테르, 폴리프로필렌 등도 사용되고 있으며 유에스서지컬은 나일론 12에서 추출한 새로운 폴리아미드 봉합물질을 개발하고 있다.
◇외과용 접착제=외과용 접착제로는 섬유소와 시안아크릴산염이 많이 사용되고 있다. 이들 물질은 사용하기가 쉽고 흉터가 작으면서 상처부위가 빨리 치유될 뿐 아니라 가격이 낮아 일부 부문에서 봉합물질을 대체할 가능성이 있다. 그러나 독성이 있고 동물에서 나온 접착제는 오염물질이 있을 위험이 있다. 현재 교원질, 히알루론산, 탄력소 등의 생체폴리머를 사용하는 새로운 접착제가 개발되고 있다.
◇외과용 망사=탈장치료에 주로 이용되는 망사재료에는 폴리프로필렌 단일사상체가 사용되고 있다. 손상된 복벽이나 흉곽벽 등의 치료에는 더 유연한 망사가 필요하다. 이를 위해 폴리에스테르 복수사상체 실이 개발됐으나 이 물질은 강도와 생체조직 반응성이 약해 적용범위가 제한적이다.
◆기타 응용 분야
이밖에 바이오물질은 투약시스템, 연골치료, 치과용 물질 등에 적용된다.