바이오인

 웰니스 바이오융합생체소재 개발 동향 및 전망

 2023년도 KRIBB 워킹그룹 이슈페이퍼 제1호

 저자 : 한국생명공학연구원 바이오나도연구센터 이창수 외 3인

1. 개요 및 이슈

■ 바이오나노 융합기술

● 기존의 기술적 한계를 극복하여 혁신 기술을 창출하는 대표적 융합기술

 - 나노와 바이오기술을 기존 기술에 접목하여 기존 제품의 성능을 개선·혁신하거나 전혀 새로운 기능에 의존하는 제품을 창출하는 기술

 - 마이크로 수준의 기술 대체로 혁신을 유발하는 고부가가치 산업으로, 전통과 첨단 산업의 연결고리 역할을 하며 IT, BT, ET, ST, CT 등 모든 기술과 융합하여 새로운 혁신을 창출하는 미래 성장 산업

 - 바이오나노 융합기술은 기존 의료기술의 기술적 한계 극복과 새로운 기능의 창출, 생명현상 규명 등 바이오메디컬 분야에 적용하여 질병의 조기 진단 및 치료, 건강한 먹거리 생산에 기여

 - 바이오나노 융합기술은 비교적 최근에 연구개발이 시작되었고, 주요 연구개발분야인 진단기기, 바이오센서, 의료용 치료 재료 등은 대부분 중소기업에서 개발, 생산하고 있어 향후 중소벤처기업 산업분야에 한 축을 담당할 것으로 예상

                                                                                                                                                                             출처 : 미래유망기술 프로그램, 2017

[그림 1] ‘웰니스 개인 맞춤형 관리’ 기술 적용 분야

■ 웰니스 바이오융합소재 정의

●  국민 생활수준 향상 및 고령사회 진입에 따른 환자맞춤형 생체기능 복원, 증강, 유지, 빠른 치유 등을 위한 바이오융합 소재

 - 웰니스는 웰빙(well-being), 행복(happiness), 건강(fitness)의 합성어로 건강하고 행복한 삶을 의미하며, 바이오융합소재는 인체조직, 장기, 기능을 치료, 개선 및 대체하여 단/장기간 인체 시스템 전체 또는 일부 사용되는 천연 및 합성물질을 뜻함. 즉, 웰니스 바이오융합소재는 건강하고 행복한 삶의 실현을 위한 기술에 적용되는 소재

 - 손상된 조직, 기능을 대체 및 재생하는 인체삽입형 소재, 질병 진단, 예측하는 치료기기(체외진단형/착용형/삽입형) 소재, 치료 후 기능회복 재활 소재, 신체기능 증강 의료장치에 활용되는 소재뿐만 아니라, IT 기술이 접목된 전자약, 초연결 의료장치 등 디지털의료에 활용되는 소재를 포함한 인간 생명현상에 관여하는 소재

                                                                                                                                                                        출처 : 집필진 작성

[그림 2] 전주기적 웰니스 바이오융합소재 활용을 통한 건강한 미래사회구현

■ 웰니스 바이오융합소재 현황

●종래기술의 문제점

 - 기존 바이오융합소재는 단일 기능 발현, 단순 치료 위주의 개발이었으나 미래에는 환자 신체환경(나이, 질환, 트라우마 등)에 맞추어 치료 가능한 복합기능, 생체적합성, 기능성, 면역성 등이 우수한 장기 및 체내이식물(임플란트)을 제조하고 삽입시 최소 절제로 최대 효과 발휘 필요

 - 고령화에 따라 환자의 치료 경과 상시 모니터링으로 질병 재발 예방과 수술 시 발생한 상처를 원상태로 복원하는 기술 니즈가 증대되고 있으며, 보다 빠르고 효율적인 치료와 더불어 부작용 등의 추가 질병발생 방지, 질병치료 후 생체기능 복원 혹은 향상 가능한 치료법과 이를 실현할 수 있는 전주기적 웰니스 바이오융합소재 기술개발 필요성 증대

                                                                                                                                                                           출처 : 집필진 작성

[그림 3] 종래 기술 기반으로 해결하고자 하는 문제

 - 기존의 연구는 의료부품용 원천소재 개발보다는 기능성에 집중된 연구개발 투자로 인해 원료소재는 대부분 수입에 의존하고 있으며, 체내환경에 맞추어 기계적·화학적 물성 제어에 필요한 소재의 연구개발은 매우 미비함. 또한, 대부분 고분자 기반의 연구가 수행되어 왔으며 하중을 받거나 높은 기계적 물성을 요구하는 부위의 의료부품에 사용되는 고분자, 금속, 세라믹, 복합재에 관한 핵심소재 연구는 매우 미흡한 실정

 - 이에 기존 바이오융합소재의 다양한 한계 극복과 더불어 새로운 기능성을 부여하여 환자맞춤형 설계가 가능한 웰니스 바이오융합소재 개발 필요. 특히, 이식부위의 형상·물성의 모방을 기반으로, 1) 인체 연조직 모사형 바이오소재, 2) 환자 생체조건에 따라 기능성 제어 가능한 경조직 동기형 소재, 3) 상처를 빠르게 치유하도록 설계된 바이오소재 4) 이식된 의료부품의 체내거동 관찰로 치료효율을 높이는 소재, 5) 체내 부작용 없는 고안정성 고분자소재 및 6) 수술부위 상처의 효율적 치료로 환자의 삶의 질을 향상시킬 수 있는 고기능성 코스메틱 소재 등의 기술개발이 중요한 이슈

● 해결하고자 하는 문제

삶의 질 추구 및 고령화에 따른 인체의 연·경조직/임플란트 인공장기 수요 급증 → 국내 웰니스 바이오융합소재 산업 경쟁력 제고

초고령 사회 대비 건강한 미래사회 구현을 위한 환자 생체환경 및 의료현장 맞춤형 의료디바이스 제조를 위한 핵심 소재기술 확보

▣︎ 2.2 국내외 연구개발 동향

■ 해외 연구개발 동향

● 미국, EU, 일본 등 선진국 중심으로 다양한 연구개발이 활발하게 진행 중

- (미국) 최근 펜실베니아 대학교 생의공학 연구팀은 혈액 응고를 활성화시키는 조합물에 반응하는 인간 혈소판을 수백 번 시험할 수 있는 로봇을 이용하여 혈관 내 혈류 조건을 바탕으로 혈액 기능에 대한 대규모 환자 맞춤형 시뮬레이션 기법을 개발

※ 환자의 혈소판을 이용하여 혈액이 흐르는 동안 혈액 응고 작용을 예측 가능하게 하는 최초의 모델로서, 본 프로그램을 통해 몇몇 약물의 효능을 예측 가능

- (EU) UK 10K project라는 프로젝트명으로 영국 내 1만명의 염기서열 결정연구를 진행함. 4천명은 전체 염기서열을 결정했고 6천명은 전체 exomes 염기서열을 결정. 스위스 로잔공과대학 연구팀은 14mm의 칩을 피부에 이식하여 환자의 건강 상태를 확인하고 측정된 정보는 환자의 휴대전화에 있는 블루투스 기능을 이용해 의사에게 전송, 건강진단을 받을 수 있게 하는 의료기기 개발

- (일본) 일본은 재생의료 분야에 대한 범부처 연구개발, 뇌과학 연구의 단계적 추진, 기관 간 통합 데이터 베이스 센터 구축 등 고령사회에 대응하기 위한 생명공학 분야의 전략적인 육성을 추진중

- 생체소재 사용을 위해 생체안정성, 생체적합성, 계면친화성 등의 특성 외에 기능성이 보강된 바이오융합소재들이 개발되고 있음. 만성 창상 모니터링과 치료를 동시에 하는 Smart Bandage 시스템(미국 Havard Medical School)이 개발되어 유연성 생체소재에 pH센서를 포함하여 실시간으로 상처 환경을 모니터링하고, 그에 따른 적절한 약물방출을 통한 치료를 하는 스마트 드레싱 시스템을 개발, 현재 창상 치료의 비효율성과 단점을 극복하는 미래기술로 평가

                                                                                                                                                                                                     출처 : Small, 2018

[그림 4] 치료와 모니터링을 동시에 진행하는 스마트 창상 시스템

- 골시멘트와 생체재생환경을 인지하는 생체소재의 융합으로 약물이 녹아서 방출되는 관절 임플란트 개발(Massachusetts General Hospital, Boston, 2017년 ‘Nature Biomedical Engineering’ 게재). 미생물 감염에 의한 한계점 극복을 위해 기존 IV를 통한 항생제 전달이 아닌 임플란트 자체 개질로 항생제 담지. PMMA 기반 골 시멘트에 높은 분자량의 PE를 이용, 약물 클러스터를 녹아나오게 설계한 관절 임플란트에서 시간이 지남에 따라 항생약물이 녹아나오는 형태로 새로운 패러다임 제안

                                                                                                                                                                        출처 : Nature Biomedical Engineering, 2017

[그림 5] 약물전달형 골시멘트를 이용한 관절 임플란트 치료

■ 국내 연구개발 동향

● 치과용 임플란트를 제외한 대부분의 국내 바이오융합 소재 기반 의료기기 회사는 시장 진입 초기 단계에 있음. 최근 다양한 연구개발을 진행하고 있으나, 대부분 최종 제품의 디자인과 표면처리에 집중되고 있는 실정으로 원천소재 개발 연구는 상당히 미흡

● 인체 연조직 모사형 섬유 소재

- 한림대 한강성심병원은 실제 피부처럼 진피와 표피를 가진 바이오 인공피부를 세계 최초로 개발하였으며, 울산과학기술대는 3D 바이오프린팅을 이용하여 초소형 인공 심장, 인공 척수 및 미니 간 제작에 성공

- 서울대병원은 1cm 크기의 실리콘 위에 인체 세포를 키워 피부 마이크로칩을 개발하여 피부의 정상상태, 염증상태 등 손상 정도를 측정

- 가톨릭대 서울성모병원에서는 3D 바이오 프린팅으로 죽은 심근 조직에 혈관이 생성되도록 돕는 심근 패치를 개발함. 차세대 인공장기는 세포조직공학을 이용한 인공장기로, 현재 혈관, 방광, 귀 등에서 성공하고 있으며, 향후 더 복잡한 기능을 가지는 신장, 간 등으로 확장될 것으로 기대

- 아직 생체적합성, 생체기능성, 독성, 기계적성질, 면역거부성 등에서 완벽한 기능을 구현하지 못하고 있으며 현재까지 인공장기용 소재로 사용되어 온 세포외기질 재료의 대체가 필요한 상황

● 인체 경조직 동기형 금속 및 세라믹 융합소재

- 한국재료연구원 중심의 생체의료용 티타늄 관련 연구가 활발하게 진행되면서 독자적으로 생체용 저탄성계수 티타늄 합금 개발로 관련 특허 보유 및 상용화 추진 중이나 국내 관련기업이 영세하고 국가 투자 또한 제한적이라 고전 중

- 매년 수 많은 인공관절, 인공장기 수술이 시행되고 있지만, 생체용 금속재료에 관한 연구개발은 치과용 임플란트를 제외하고는 초보 수준을 벗어나지 못하고 있어 수입에 의존한 막대한 비용이 소요

- 또한 한국재료연구원은 생체세라믹 고기능화를 위해 소결(고온열처리)이 필요 없는 소재공정기술 확보로 약물, 단백질 및 세포를 세라믹 구조체 내부에 분포시켜 장기간 약물방출 또는 시차적 약물방출이 가능한 기술을 확보, 최근 골다공증환자유래 골절환자에게 적용 가능한 신개념 기능성 골이식재 제조법 개발에 성공

- KIST와 충남대에서 생분해성 금속소재 연구를 시작으로 세계 최초 생체대사에 관여하는 생체적합성 Mg합금 개발로 상용화에 성공함. 하지만 세계시장 진입을 위해 제약 제조공정 수준의 생체적합성 제조공정 기술확보와 함께 생체내 분해량을 고려한 3차원 제품 설계 기술 등에 대한 세밀한 연구가 필요함

- 자동제어 형상 가공 기술, 생체분해성 임플란트의 세척, 포장, 멸균 기술 및 유효성 평가 기술 등 관련 연구에 대한 국가적 표준화가 반드시 필요하며, 이는 앞으로 개발되는 생체용 바이오융합소재에 반드시 필요한 부분임

● 상처 자가치유/쾌유형 바이오융합소재

- 국내 파이온텍, 리포브화장품, 스템셀로, 메디힐 등의 기업에서는 나노바이오 리포좀 기술을 통한 약물전달시스템 개발로 상품에 적용함. 이 기술은 피부세포막 구성과 유사한 라멜라 구조를 가진 리포좀으로 약물을 둘러 피부와 만났을 때, 약물의 피부흡수를 보다 효과적으로 증가시키는 기술임

- 또한 이 기술은 혁신적으로 약물 피부투과율을 증가시켜준 반면, 피하주사 혹은 경구투여할 시, 리포좀 안정성이 높지 않아 생체 내에서 쉽게 분해되어 버리기 때문에 화장품 등 피부에 직접 맞닿는 약물전달에만 큰 효과가 있다는 한계가 있음

                                                                                                                                                                                                출처 : CNC News, 2019

[그림 6] 리포좀을 이용한 피부투과 화장품

- 포항공대에서는 류마티스 관절염 치료용 금나노입자 및 항체 의약품을 이용한 융합형 소재를 개발하여 염증반응을 최소화함. 이 기술은 금나노입자에 다양한 항체 및 염증제어 의약품 탑재로 효과적으로 염증세포에 전달하는 기술이며 관절염 진단 및 치료 시스템(theranostic system)으로 개발중. 하지만 상용화하게 될 경우 금나노입자와 항체가 복합적으로 들어간 제품의 비용문제 해결이 시급할 것으로 보임

                                                                                                                                                                  출처 : ACSNano, 2014

[그림 7] 금나노입자의 류마티스관절염 치료 및 원리

- 한국전기연구원(KETI)은 치과용 임플란트 소재 관련 쉽고 빠르게 붙는 임플란트용 나노표면처리기술 개발 특허를 확보함. 현재 상용화된 치과용 임플란트 재료는 주로 티타늄 및 티타늄 합금재료에 마이크로 크기의 거칠기가 들어가 있는 소재로 이를 전기화학적 표면처리하여 나노크기 거칠기로 임플란트 표면적이 극대화되고 골유합 속도를 크게 증가시킴. 이에 따라 골유합 속도 증가 즉, 수술 후 환자 치유 기간을 크게 감소시키는 장점이 있지만 상용화에 앞서 저비용, 대량생산 문제 해결 필요

                                                                                                                                                                            출처 :한국전기연구원 나노융합기술연구센터, 2018

[그림 8] 임플란트 재료 표면개질을 통한 나노크기 표면 거칠기 형성

- (주)오스코텍은 골이식재 표면에 인산칼슘 코팅의 표면개질 기술로 골재생 능력을 향상시킨 제품 개발. 이와 유사하게 나이벡, 제노스는 골이식재의 골유도 능력 향상을 위해 골재생 펩타이드로 표면개질을 하는 기술 개발 및 골이식재 자체를 세포외기질인 콜라겐 기반 혹은 콜라겐 함유 물질로 제작한 골이식재 제품을 개발

● 체내 환경 진단용 바이오융합소재

- 바이오센서에 대한 수요가 가장 큰 분야는 의료 부문이며, 특히 대부분의 나노바이오 연구개발은 의료진단을 목적으로 진행중. 바이오센서는 센서를 구성하는 소재와 센서소자 부문으로 나눌 수 있으며, 국내 나노바이오센서 소자기술은 높은 수준에 있으나, 소재 부문은 아직 선진국에 뒤쳐져 있고 정부 지원도 미미한 실정

- 세계적으로 높은 스마트폰 점유율을 가지고 있는 삼성에서는 자사 플랫폼과 연동한 손목시계 형태의 밴드를 통해서 사용자의 실시간 심박동수, 혈압 모니터링 하는 제품을 출시함. 체외에서 측정 가능한 물리량을 중점적으로 측정하며, 땀과 같은 체액에서 채취 가능한 분자화학적 정보는 다루지 않고 있음

- 예방, 진단, 치료 관리 부문으로 나뉘는 헬스케어 분야 중 최근 각광받고 있는 부문은 진단의학이며, 그 중 환자의 체내조직 이상 유무를 정밀하게 분석하는 CT, MRI 등 체내진단 분야가 핵심으로 꼽히고 있음

- 국내 전략산업인 분자세포진단 산업의 발전을 위해 대학, 산업체, 연구소 및 관련 기관을 클러스터링하여 연구개발과 상용화를 추진 중

● 체내 고안정 기능성 고분자융합소재

- 현재 국내기업은 소재기술의 한계로 인해 선진사 제품 디자인을 개량한 제품 위주로 개발이 진행되어 왔기 때문에 의료현장의 다양한 요구조건에 대응하기 힘든 실정

- PLA 기반 소재가 대부분인 생체흡수성 고분자의 경우 소재 특허, 임상 등의 문제로 신규 소재 개발 리스크가 높아 개발진행이 어렵고, 기존 소재의 물성 개량 역시 기초 연구 수준에 머물고 있음. 또한 Suture의 경우에도 염색, 강도 향상, 기능성 부여 등의 개발이 진행되고 있지 못하고 있음

● 기능성 코스메틱 바이오융합소재

- 국내 화장품 기업, 기초 기능성 화장품 분야에서 차별화된 소재 특허 기술 확보, 특히 항노화와 미백 부분에서 강점을 가지고 있음. 따라서 향후 화장품 시장 내 기술적 혁신과 브랜드 차별화는 더욱 중요해질 것으로 판단됨

- 소재기술은 화장품 연구의 가장 핵심이 되는 분야로 신규 타깃 탐색 및 천연소재 발굴, 안정적 확보를 위한 바이오 생산기술 연구가 진행 중

- 제형기술은 유효성분 전달 및 지속성 향상 기술을 지닌 다양한 소재 개발 필요성이 제기되나, 종래 기술을 뛰어넘은 고기능성 소재 확보 및 대량화에 어려움을 겪고 있음(코스메카코리아). 고분자-세라믹 기반 생리활성물질 담지 및 방출 제어를 통한 기능성화장품 개발이 진행 중이며(LG생활건강 등), 새로운 소재를 이용한 미세먼지 차단용 화장품 개발이 진행 중

● 웰니스 바이오융합소재 관련 국내 기술개발 지원 현황

- 2002년 이후 국내 웰니스 바이오융합소재 관련 기술개발 지원 현황을 보면 적극적인 지원이 이루어지고 있으며, 특히 소재, 부품, 공정, 장비 분야에서 다양하게 지원이 이루어지고 있음

                                                                                                                                                                              출처: 과제별 자료 검색 후 집필진 작성

 [표 1] 최근 웰니스 바이오융합소재 관련 국내 기술개발 지원 현황