216 || 세라미스트

Status of Bioactive Glass

Hyeong-Jun Kim†

Engineering Ceramic Center, Korea Institute of Ceramic Engineering and Technology, Icheon 17303, Korea

생체 활성 유리 국내외 현황

김형준†

한국세라믹기술원

(Received August 22, 2018; Revised August 30, September 6, 2018; Accepted September 7, 2018)

바이오세라믹 특 집

CERAMISThttps://doi.org/10.31613/ceramist.2018.21.3.03

Ceramist Vol. 21, No. 3, pp. 216~232, 2018.

Abstracts

The average life span is over 80 years of age, and various biomaterials have being studied. Many research

institutes and companies around the world have been commercializing bioactive glass through R&D, however, there

is not much research in Korea. Most bioactive glass is applied to bone regeneration in powder form due to its

excellent bio-compatibility. Recently, new applications such as scaffolds for tissue engineering and nerve regeneration

have been found in composite form. The global market size is not as large as US $ 556 million in 2019, but the growth

rate is very high at a CAGR of 14.35 %. This field is waiting for the challenge of new researchers.

Keywords : Bio-active glass, Bio-glass Composite, Scaffold, Physical Contradiction

1. 서론

과학기술부의 『18년도 정부R&D 투자방향 기술분야별

투자전략(소재·나노분야)』에서 “나노 기반 질병 조기 진

단·치료·예방 등 생체 삽입·부착형 유연 소자 원천기

술 개발 지원”으로 투자방향 설정될 정도로 중요성 대두

되고 있다. 고령화 및 건강 등을 위한 인체 삽입 치료형

세라믹 소재에 대해 국가 정책 차원의 지원 필요성이 높

아지고 있다. 또한 산업부의 2016.12 『제4차 소재부품기

본계획』에서도 5대 신산업 중 3D 프린팅에 바이오 세라

믹이 포함되어 있으며, 기본계획상 100대 품목 중 바이오

세라믹이 5개가 선정되었고, 골격재에 해당하는 유무기

복합체, 다공성 소재 등이 포함되어 있어 다공성 세라믹

소재에 대한 중요성은 충분히 설명될 수 있다.

제21권 제3호, 2018년 9월 || 217

CERAMIST생체 활성 유리 국내외 현황바이오세라믹 특 집

한편, 경제적으로, 바이오산업에 있어서 전방 산업인

국내 의료산업의 우수성이란 강점과 고령화 및 많은 기업

들의 의료산업으로의 진출 등으로 인한 시장 확산이 예상

되는 시점으로 바이오 세라믹산업을 발전시킬 최적의 기

회가 도래하고 있다. 국내 바이오 세라믹은 2016년 기준

약 3,700억원 규모로 전년대비 3.5% 이상 증가, 2020년

4,250억 원 규모로 성장할 것이 예상되고 있으나, 고가

인 고관절용 제품은 대부분 수입되고 바이오 세라믹 경쟁

력은 감소 중이다. 무역특화지수는 ’11년(-0.59)부터 ’15

년(-0.90)까지 감소한 것으로 나타나 국내 기업의 수출

량이 감소하고 있는 것으로 나타났으며, 국내의 바이오

세라믹 제품의 해외시장진출이 감소, 즉 수출 경쟁력 감

소 중에 있다.

산업적으로, 대부분의 의료용 바이오 세라믹 산업은 조

직공학 (tissue engineering)과 연계하여 재료 자체의 개

발에만 국한되지 않고 인체 내에서 재료와 생체조직 간의

생체 적합성까지 고려한 제품을 공급하는 산업이다. 바이

오 세라믹에 관한 연구에서는 생체 모방법(biomimetic

process)을 이용한 인체 친화적인 공정과 생체 분해성 인

산칼슘계 세라믹 다공체를 조직공학용 지지체(scaffold)

로 이용하는 연구가 수행되고 있으며, 조직 공학과 연계

하여 바이오 인공 장기에 대한 연구 개발이 활발한 산업

이다. 의료용 바이오 세라믹은 대부분 인체 내에서 사용

되기 때문에 세포 반응을 통한 in-vitro 시험, 동물 체내

에서의 in-vivo 시험 등을 통해 재료 자체의 특성 향상뿐

아니라 인체 내에서 재료의 세포 조직 적합성에 대한 연

구가 필수적인 학제간 연구가 필요한 산업이다. 의료용

바이오 세라믹 시장은 소수의 다국적 기업이 지배하는 독

과점 구조이지만, 산학연 협력체계와 임상데이터 관리로

틈새시장 공략이 가능한 산업이기도 하다.

사회·문화적 측면에서 보면, 통계청 자료에 따르면 국

내 65세 인구비율의 증가로 인해 임플란트 시술환자는

2010년 500 만명에서 2030년에는 1,200 만명으로 증가

가 전망되고 있다. 한편 기존 임플란트는 환자 시술 후

조직재생율이 떨어져 임플란트 시술기간이 길기 때문에

생체 친화적이고 조직접합 및 재생율이 높은 바이오 세라

믹 특성 개발 및 니즈 증가가 전망된다.

기술적인 측면에서 국내 여건상 중소기업 중심으로 기

술 개발에 도전해 볼 수 있는 기술은 이식 가능 소재와 생

분해성 소재이나, 3차원 지지체에 있어 기계적 물성 향상

에 대해서는 여전한 문제를 안고 있다. 즉, 세라믹이 구

조재료로서 생체 반응을 위한 다공질이란 상태를 유지하

면서 강도를 유지하는 것은 단순한 물성 간 Trade-off

관계가 있는 기술적 모순 이상의 물리적 모순형 난제로서

극복이 쉽지 않다. 기존의 문제해결법들은 세라믹이 다공

체이면서도 강도가 있어야 한다는 조건을 만족시키기 위

해 필러, 코팅, 휘스커형 복합체 등으로 문제 해결 시도

로 일정 수준 성과도 있었으나, 이는 생물학적 적합성과

기계적 물성 모두를 향상시키는 것이 아니라 두 개의 요

구 조건을 절충하는 수준이었다. 따라서 이와 같은 다공

성과 생체적합성 및 기계적 강도를 동시에 갖도록 하는

기술적 모순 해결법은 두 개의 물성 동시에 해결하기 위

해 물질과 디자인을 동시에 접목할 필요가 있다.

본 보고는 학술적 연구 보다는 기술과 시장에 대한 동

향에 대해 기술하고자 한다. 주로 생체 활성 유리를 중심

으로 기술하고자 했으며 일부 시장 자료는 바이오 세라믹

전반에 걸친 내용이기도 하다는 점을 미리 알려 둔다.

Table 1. Application of Bio-Ceramics 1)

Application Ceramic Materials

Orthopedic load bearing Alumina, partially stabilized zirconia

Dental orthopedic Bioactive glasses, glass ceramics, alumina, partially stabilized zirconia

Dental implants Alumina, hydroxyapatite, bioactive glasses

Temporary bone space fillers Tricalcium phosphate

Alveolar ridge Bioactive glass ceramics, alumina

Spinal surgery Bioactive glass ceramics, hydroxyapatite

Maxillofacial reconstruction Bioactive glasses, glass ceramics

218 || 세라미스트

김형준특 집

CERAMIST

2. 본론

2.1 생체활성유리 국외 현황

2.1.1 기술현황 바이오 세라믹은 Table 1에 나타낸 것처럼 생체에 다양

한 분야에 적용되고 있으며, 생체 활성 유리도 중요한 역

할을 하고 있다. 생체 활성 유리는 일반적인 유리와 같이

필요에 따라서 조성을 계통적으로 변화시키는 것이 가능

하며 생체활성이나 생체내의 안정성 또는 흡수성을 비교

적 쉽게 제어할 수 있고 금속, 세라믹스 등의 이종재료 등

과의 복합화, 코팅으로 시너지 효과 발현 가능하다.

생체 활성 유리는 1970년 초 영국의 Hench에 의해 최

초로 개발되었고2), 우수한 생체적합성으로 인해 골형성

촉진을 위한 바이오 유리(bio-glass)를 분체화 하여 중이

의 인공 이소골 및 턱뼈용 매립재로서 상용화 하였다.

Hench 등은 골에 강한 결합력을 갖는 B2O3와 CaF2를 첨

가한 Na2O-CaO-P2O5-SiO2의 조성 발표한 바 있다. 기

본 조성은 45S5 조성으로, 45는 45wt% SiO2, 5는 CaO/

P2O5의 비율을 의미한다.3) 생체 활성 유리의 생체내 환경

에서 ① 체액과 반응으로 재료에서 Ca2+이온이 용출, ②

골조직과 재료의 계면 부근 체액의 아파타이트에 대한 과

포화도가 상승, ③ 재료 표면에 수화실리카겔층이 생성,

④ 이 겔 층에 아파타이트의 핵이 생성하고 결정이 성장,

⑤ 탄산 이온을 함유한 미결정 아파타이트층이 재료 표면

에 형성하는 아파타이트의 자발적 석출 기구로 인해 생체

적합성이 우수하다고 한다. Table 2에 대표적인 생체활성

유리 조성을 리스트 했다.

이러한 생체 활성 유리 소재 제조 기술은 1) 유리 용해

법, 2) Sol-Gel법, 3) 결정화유리법 등으로 분류3)가능하

며, 응용에 있어서 1) 골형성촉진용 충전재, 2) 3차원 지

지체, 3) 코팅재, 4) 치과재료 등이 있다. 그러나 생체 활

성 유리는 낮은 기계적 물성(인성)에 의해 두개골, 치조

골, 척추골 매립재, 턱과 얼굴뼈, 경피접촉기구 등의 부

하가 적은 부위의 골대체재로만 사용된다. 본 절에서는

주로 3차원 지지체를 중심으로 기술하고자 한다. 생체활

성 유리와 관련된 기술적으로 심도 있는 논문 자료의 경

우 참고문헌을 검토해 보면 좋겠다3-11).

Table 2. The Compositions of Bioactive Glasses 5)

Composition(wt%)

45S5 13-93 6P53B 58S 70S30C 13-93B1 13-93B3 P50C35N15

Na2O 24.5 6 10.3 0 0 5.8 5.5 9.3

K2O 0 12 2.8 0 0 11.7 11.1 0

MgO 0 5 10.2 0 0 4.9 4.6 0

CaO 24.5 20 18 32.6 28.6 19.5 18.5 19.7

SiO2 45 53 52.7 58.2 71.4 34.4 0 0

P2O5 6 4 6 9.2 0 3.8 3.7 71

B2O3 0 0 0 0 0 19.9 56.6 0

Table 3. The Comparison between Thighbone and Artificial Bone Materials 13)

PropertyThighbone(femur)

PMMA(Bone Cement)

CAH

Density, g/cm3 1.6-1.7 1.1-1.2 2.2-2.5

Young modulus, GP 10-15 1-3 10-20

Tensile Strength, MPa 90-130 30-70 10-20

Compressive Strength, MPa 130-200 80-120 100-250

Fracture Strain, % 1-3 0.1-0.3 0.5-1

Tounghness, MPa.m1/2 1-2 1-3 0.5-2

Hardness(Vickers) 50-100 50-100 50-100

제21권 제3호, 2018년 9월 || 219

CERAMIST생체 활성 유리 국내외 현황

생체 활성 유리의 낮은 기계적 물성에도 불구하고 생체

활성 유리의 우수한 생체 친화력을 이용한 3차원 지지체

로의 응용연구는 진행되어 왔다. 특히 두개골 함몰 등과

같은 3차원 형상을 지닌 구조체를 제조하는 방법은 1) 생

체 활성 유리 지지체, 2) 폴리머 코팅 생체 활성 유리 지

지체, 3) 폴리머 복합체, 4) 나노스케일 복합 지지체 등이

개발 되고 있고, 세라믹소재의 기계적 물성으로 인해 주

로 폴리머 복합화 및 나노화 시도 등이 있었다.14)

Table 3 인체 대퇴골과 인공 골로 사용되는 대표적인

인플란트 소재의 기계적 물성을 비교한 것이다. 유기물

재료은 PMMA나 아파타이트 모두 대퇴골 같은 고인성

소재로서는 아직 한계가 있을 알 수 있다. Fig. 1은 생체

활성 유리 세라믹의 생체 재료로서의 기계적 물성의 한계

를 보여 준다. 따라서 골 재생을 위한 인플란트형 세라믹

지지체는 폴리머와 복합체 형태로 연구개발 되고있다. 세

라믹-폴리머 복합체에 사용되는 폴리머는 주로 PDLLA

(Poly-D,L-Lactic Acid)) PLGA(poly(lactic-co-

glycolic acid)) 등으로 이는 Table 4에 정리되어 있다.

이러한 골재생을 위한 지지체 구현 방법에 대해 생체 활

성 유리를 중심으로 조금 더 설명해 보고자 하며, Chen

등의 연구 결과를 배경으로 기술한다11).

Fig. 1. Young’s modulus of an fcc scaffold microstructure and of bone as a function of porosity14)

Table 4. Biodegradable and bioactive composites for bone tissue engineering11)

BiocompositePercentage of ceramic(%)

Porosity(%) Pore size(㎛)

Compressive(C),Tensile(T),Flexural(F)

strength(MPa)

Modulus(MPa)Ceramic Polymer

Non-crystalline CaP

PLGA 28-75(wt.) 75 > 100 65

β-TCP Chitonsan-Gelatin 10-709(wt.) 322-355 0.32-0.88(C) 3.94-10.88

β-TCP PLGA 30(wt.)400 (macro)10 (micro)

- -

HAPLLAPLGAPLGA

50(wt.)60-75(wt.)

85-9681-9130-40

100x300800-1800110-150

0.39(C)0.07-0.22(C)

-

10-142-7.5

337-1459

nHA PA 60(wt.) 52.-7050-500 (macro)10-50 (micro)

13.20-33.90(C) 0.29-0.85

HA PCL 25(wt.) 60-70 450-740 76-84

HA PLAGA 50-87(wt.) 80(C) Up to 120

Bio-glassⓇ

PLGAPLGA

PLGAPDLLA

75(wt.)20-50(wt.)

0.1-1(wt.)5-29(wt.)

4377-80

94

89~100 (macro)~10 (micro)

50-300~100 (macro)~1050 (micro)

0.42(C)1.5-3.9(T)

0.07-0.08

51137-260

0.65-1.2

CaP glass PDLLA 20-50(wt.) 93-96.5 80-450 0.05-0.2

A/W Phosphate glass

PLA-PDLLAPDLLA

40(wt.)20-40(wt.)

93-9785.5-95.2 98-154 0.017-0.020(C) 0.075-0.12

Human Cancellous Bone

4-12(C) 100-500

220 || 세라미스트

김형준특 집

CERAMIST

(1) 생체 활성 유리 지지체

생체 활성 유리로만 지지체를 형성하는 방법은 1) Sol-

gel*, 2) Foam Replica법**이 있다. Sol-gel법에 의한

방법에 있어서 glass foams 제조를 위한 전구체는

Ca(NO3)2와 two alkoxides: tetraethylorthosilicate

(TEOS)와 triethylphosphate (TEP)이며, 젤화 촉매로

는 희석 HF를 이용하면 20 ~ 50 nm 메소기포(반응촉

진)와 10 ~ 500 ㎛의 거대기포 생성(세포증식)이 가능하

다고 한다.

한편 Foam Replica법은 다공성 폴리머 스폰지에 세라

믹(생체 활성 유리) 분체를 코팅하여 구조를 만드는 방법

이며, Fig. 2에 Foam Replica법에 의한 생체 골격 형성

개념도를 보여 주고 있다. Fig. 3은 Foam Replica법에

의해 제조된 지지체의 주사전자현미경 사진을 보여 주고

있다. 동등한 수준의 다공성을 갖는 Hap 보다 높은 기계

적 강도를 보인다. 이는 소결 과정 중 생성되는 미세 결정

(Na2O·2CaO·3SiO2) 때문으로 판단하고 있다.

(2) 폴리머 코팅 생체 활성 유리 지지체

다공성 세라믹 또는 생체 활성 유리 지지체의 기계적

물성을 개선하기 위해 생체 활성 폴리머(PDLLA (Poly-

D,L-Lactic Acid) ; PHB (Poly-(hydroxybutyrate))

를 수차례 코팅하는 방법 적용한 것이다. (Fig. 4 참조)

이 방법은 생체 활성 유리 지지체의 표면 균열 등을 폴리

머로 보완해 주는 효과는 있지만, 생체 활성 유리 골격 자

체가 기계적 물성이 약하기 때문에 이와 같은 방법으로도

한계가 있다. 따라서 좀더 창의적인 소재 디자인이 필요

하다.

Fig. 2. Foam Replica법에 의한 생체 골격 형성 개념도11)

Fig. 3. Foam Replica법에 의한 제조된 지지체의 주사전자현미경 사진5) (a) 전체 구조, (b) 지지체 단면

제21권 제3호, 2018년 9월 || 221

CERAMIST생체 활성 유리 국내외 현황

(3) 폴리머 복합체형 지지체

다공성 복합체형 지지체 제조를 위해 네트워킹 물질을

폴리머로 하고 세라믹을 보강재로 사용하는 방법이다.

1) Solvent Casting, 2) Solvent Casting/Particle

Leaching and Microsphere Packing, 3) Thermally

Induced Phase Separation(TIPS)/Freeze-Drying, 4)

Microsphere-Sintering, 5) Polymeric Foam-Inorganic

Coating, 6) Solid freeform (SFF) 기술 등이 있다.5)

•Solvent Casting : 유기용매에 폴리머를 녹이고 유

리나 세라믹 입자를 혼합 후 모양이 정해진 3차원 금

형에 넣어 성형하고 유기용매는 차후 증발시키는 방

법으로 일반적인 세라믹 공정과 유사하다. 단점 1) 형

상 한계, 2) 독성 용매 잔류, 3) 용매에 의한 단백질

폴리머의 생체친화성 감소란 문제점을 가지고 있다.

•Solvent Casting/Particle Leaching and Microsphere

Packing : 에멀전법으로 폴리머 입자를 만들고, 이를

생체 활성 유리나 세라믹 입자 및 소금 또는 설탕과

혼합 후 소금 또는 설탕입자와 에멀전으로 만든 폴리

머 입자를 녹여내 다공질 폴리머 세라믹 복합체 제조

하는 방법이다.

•TIPS / Freeze-Drying : 중합체 및 무기 물질의 현

탁액의 온도를 낮추면, 용매가 먼저 고형화 되고(얼

고) 폴리머 및 세라믹 혼합물을 간극 공간으로 채워

지고 냉동 된 혼합물을 동결 건조시키면 얼은 용매가

승화하여 높은(95 %) 기공율과 기공간 연결성과 다

양한 크기의 기공을 지닌 복합 지지체 형성시킬 수

있다. 예) PLGA & PDLLA + 생체 활성 유리

• Micorosphere-sintering : 폴리머가 세라믹 또는

유리입자를 감싸는 형태가 되게 폴리머 용액에 유리

입자를 분산시켜 스프레이 등의 방법으로 복합 입자

를 먼저 만들고 이를 성형 틀에 넣어 제조하는 방법

이다. 예) PLGA(poly(lactic-co-glycolic acid)) +

생체 활성 유리

•Polymeric Foam - Inorganic Coating : Foam

Replica법과 유사하게 다공성 폴리머 기지체 위에

세라믹분체를 Dipping 또는 전기 영동법

(electrophoretic deposition methods, EPD) 등으

로 복합화 하는 방법으로, Fig. 5는 TIPS 방식으로

폴리머 다공체를 세라믹 슬러리를 담가 만든 것의 미

세구조를, Fig. 6는 PDLLA Foam 위에 생체 활성

Fig. 4. Polymer solution dipping method11)

Fig. 5. SEM image of the cross section of PDLLA/BioglassⓇ com-posite scaffold produced by the TIPS method11)

222 || 세라미스트

김형준특 집

CERAMIST

유리로 코팅한 것의 미세구조를 보여준다. Fig. 7는

EPD법의 개념도를 나타내었다.

•Solid Freeform (SFF) : 3D 프린팅 방식으로 다공체

를 형성하는 것으로, Selective LASER Sintering

(SLS), Multi-phase Jet Solidification, Fused

Deposition(FDM) 등이 있다. 3D 프린팅 방식은 기법

상 60%이상의 고밀도 성형체를 얻기 힘든 방법으로 오

히려 다공성 골결체를 얻기에 매우 유리한 면이 있다.

(4) 나노스케일 복합 지지체

나노스케일 복합 지지체는 1) 나노 소재를 이용하여 천

연 뼈를 모방한 3차원 구조체나, 2) 폴리머에 나노 세라

믹입자를 적용하여 반응성과 기계적 물성을 동시에 향상

시키는 방법 등이 있다. 특히 카본 나노튜브(CNT)를 적

용하여 기계적 물성을 증진시킨 예가 다수 있으나, CNT

의 독성에 대한 문제가 잔존하고 있다. Fig. 8은 CNT가

코팅된 생체 활성 유리 소결체를 보여준다.

(5) 결정화 유리 (Glass-ceramics)

바이오 결정화 유리 조골재 보다는 치관재료로서 주목

받고 있다. Kokubo가 1985년 무알칼리 MgO-CaO-SiO2-

P2O5계 유리에 아파타이트와 Wollastonite 결정이 분산된

구조의 결정화유리(석출 결정상의 첫 글자를 따 A-W계 결

정화유리라 명명)를 제조 하였고, A-W계 결정화유리는 형

상가공이 가능하며 꺾임강도 또한 아파타이트 소결체보다

높은 값 나타내었다. Holland 등은 Lithium Disilicate계

결정화유리로 전치(前齒) 뿐 아니라 다양한 부위에 적용

되면서 세계시장에서 주목 받고 있다.

(6) 용해조절유리(CRG:Controlled Release Glass)

생체 활성 유리의 용해 특성을 이용하여 용해조절유리

(CRG:Controlled Release Glass) 제조 가능하다. CRG

재료에 약을 포함시킨 후 치료할 환부에 넣어두면 서서히

Fig. 6. SEM image of the porous surface in a PDLLA foam coated with Bioglass particles11)

Fig. 8. Coating of CNTs on the surface of a sintered BioglassⓇ substrate obtained by electrophoretic deposition11)

Fig. 7. Schematic diagram of the electrophoretic deposition (EPD) cell used to coat and infiltrate PDLLA foams with charged BioglassⓇ particles in aqueous suspension11)

제21권 제3호, 2018년 9월 || 223

CERAMIST생체 활성 유리 국내외 현황

녹아나면서 투약의 효과를 오랜 기간 지속 또한 직경 20

~ 30 ㎚의 Y2O3 40, Al2O3 20, SiO2 40 wt% 조성을 가

진 구상 유리는 간암의 치료에 유효한 역할을 한다.

최근까지의 기술 개발은 기계적 물성 증진과 반응성을

위해 나노 및 마이크로 크기의 유리 분체 기반 복합체화

연구가 대부분이나 기계적 물성 자체의 개선은 아직 많은

연구가 요구된다 하겠다.

2.1.2 세계시장현황세계 바이오 세라믹·유리 전체 시장은 조사 기관에 따

라 다르게 나타나지만, 2011년 Market Report를 재인용

한 문헌15)에서 2010년 98억 달러로 CAGR 6 ~ 7 %로,

2015년 153억 달러, 2018년 185억 달러로 기대하고 있

다. 1990년대 중반부터 활발한 조직 공학적 골 재생에 대

한 연구는 현재의 골 조직 이식방법에서 발생 가능한 모

든 문제점을 해결할 수 있는 가장 이상적인 방법으로서

조직 공학적 골 조직을 이용해 선천적 또는 후천적인 골

조직의 결함을 효과적으로 치료할 수 있을 것으로 예상하

고 있다. 조직공학적으로 골조직을 재생하는 기술이 상업

화 단계까지 이르지 않아 바이오 세라믹 지지체 시장 형

성은 초기단계이지만 조만간 시장이 형성될 것으로 기대

전망한다. 세계 생체활성 유리의 대부분은 SiO2, Na2O,

CaO, P2O5계로 구성되어 있으며, 시장 전문 조사기관인

Technavio의 조사에 의하면 2014년 2.85 억 달러에서

2019년 5.56 억 달러로 될 것을 전망(CAGR 14.35 %)하

고 있다(Fig. 9).18) 이 정도 추세로 성장하게 되면 5년 내

에 10억달러를 넘어 설 것으로 예상한다.

Technavio의 조사에 의하면 생체활성 유리의 응용분

야별로는 정형외과 분야 즉 골대체 시장이 가장 크고, 다

음으로 치과재료용으로 활용이 많이 되며, 골대체재 분야

는 2014년 36.24 %에서 42 %정도로 비약적 성장이 기대

하고 있다(Fig. 10). 특히 정형외과(골대체)용 시장은 다

른 품목에 비해 성장 속도가 상대적으로 매우 커서, 2014

년 103 백만 달러 2019년 234 백만 달러로 성장(CAGR

Fig. 9. Global Bioactive Glass Market 2014-2019 ($ millions)18)

Fig. 11. Bioactive Glass Market in Orthopedics Segment 2014-2019 ($ millions)18)

Fig. 10. Global Bioactive Glass Market by Application 2014 and 201918)

* Others : 1) Coatings for implants, 2)Construction of medical devices, 3)Co-chlear implants, 4) Manufacture of ceramic foams, 5) Drug delivery of antibiotics

Fig. 12. Segmentation of Global Bioactive Glass Market by Ge-ography18)

224 || 세라미스트

김형준특 집

CERAMIST

17.77 %)할 것으로 전망하고 있다(Fig. 11). 한편 치과용 시

장은 2014년 63.9 백만 달러, 2019년 108.58 백만 달러로

성장(CAGR 11.19 %)이 전망되고 있다.7)

생체활성 유리의 지역별 시장 점유는 미국이 주도하고

있으며, 이는 다른 생체 재료에서도 비슷한 추세를 나타

낸다. 특히 미주시장은 130.45(2014)에서 268.98(2019)

백만 달러로 성장하고(CAGR 15.57 %), 유럽은 81.57

(2014)에서 147.41(2019) 백만 달러로 성장한다(CAGR

12.56%). 한편 우리나라가 포함된 아시아태평양시장은

65.78(2014)에서 130.11(2019) 백만 달러(CAGR 14.62

%)로 유럽 수준으로 성장할 것으로 예측하고 있다(Fig

12).18)

생체활성 유리 분야별 시장은 전체 품목이 매우 높은

성장이 기대된다. 그중 성장 가능성이 가장 큰 것으로 골

대체재(골이식) 분야이며, 다음으로는 의료 기기 분야와

약물 전달체(안티박테리아용)가 기대치가 높은 것으로

조사되었다(Fig. 13).18)

2.1.3 대표기업 현황바이오 세라믹 시장은 대부분 다국적 기업이 지배하는

구조로, 과점폐쇄시장으로 미국의 Zimmer, Stryker,

Howmedica, Johnson & Johnson, 영국의 Smith &

Nephew, 일본의 Kyocera 등 몇 개의 다국적 기업이 지

배하고 있다. Kyocera의 경우, 자사 고유의 기술을 바탕

으로 소재, 소자 및 장치의 개발과 판매를 전개하고 있으

나, 시장점유율에서는 기대에 미치지 못하는 것으로 알려

져 있기도 하다. 생체활성유리 분야, 즉 생체 활성 유리

업체는, Biomet Inc. DePuy Synthes, Medtronic plc,

Stryker Corp. Zimmer Holdings Inc. 등이 있다.

Biomet Inc.는 2007년 사모펀드에 인수되었다. 고관

절 및 무릎 재건 제품, 척추, 스포츠 의학, 뼈 치유 및 미세

고정 제품, 말단 및 외상 제품, 치과 재건 제품 및 시멘트,

생물학적 제제 및 기타 제품을 제조 판매하고 있다. 특히,

뼈 관련 의료 소재 분야 전문 기업으로 종업원 수도 10,000

명이상으로 대형 이다. 2014년 1.7 억 달러 R&D 투자를 하

Fig. 13. Trends and their Impact of Bioactive Glass18)

Fig. 15. DePuy Synthes, DBXⓇ 20) Fig. 16. Prosidyan, FIBERGRAFTⓇ 21)

Fig. 14. Biomet, BiogranⓇ 19)

제21권 제3호, 2018년 9월 || 225

CERAMIST생체 활성 유리 국내외 현황

였고 치골 충전용 소재를 판매하고 있으며, Fig. 14에 보여

지는 주사제 형태의 제품으로 BiogranⓇ (300 ~ 350 ㎛ 입

자)이 있다.

Stryker는 세라믹 타입의 엉덩이 뼈 대체 시스템을 포

함한 무릎, 척추 계 임플란트 소재를 비롯하여 뼈와 조직

을 복원 교정하는 소재 및 수술시스템 등 종합적인 의료

산업을 선도하는 미국기업으로 전세계 114개 영업망과

16개 공장 보유하고 있다.

DePuy Synthes는 1998년 존슨앤존슨사에 합병된 회

사로 인공무릎관절이 주력상품이며, 전 세계 인공관절 시

장의 약 30% 점유 중이며, 척추 조직흡수형 세라믹 소재

(DBXⓇ) 판매 중에 있다. 한편, 메이저 업체는 아니지만,

Prosidyan 사는 FIBERGRAFTⓇ를 판매하고 있다.

Table 5와 Table 6에 해외의 대표적인 바이오 세라믹

업체와 생체 활성 유리 관련 기업들을 정리해 보았다.

2.1.4 지식재산권 현황김종헌 등이 2012년에 생체용 바이오 세라믹 관련 특

허 정보를 분석 논문을 인용하여 보면23), 2000년 이후

지속적 증가 경향을 나타내고 있으며, 고령화에 따른 그

수요가 증가하고 있어 새로운 소재의 개발, 특성 향상 등

에 관한 연구개발이 지속되는 것으로 예상하고 있다

(Fig. 18).

2016년에 출간된 중소기업 기술로드맵25)에 따르면,

2010년이후에도 점진적으로 특허 출원이 감소하고 있고

2007 ~ 8년을 정점으로 감소 추세로 확인된다(Fig. 19).

국가별로는 선진국들이 생체용 바이오 세라믹스의 기술

개발을 주로 주도하고 있으며, 특히 중국은 2004년부터

한국을 추월하여 가파른 증가세 보인다. 2010년 이전은

미국 30.7 %, 일본 19.7 %, 독일 12.6 %, 중국 10.3 %,

Fig. 17. Stryker Vitoss Bone Graft22)

Fig. 18. World patent application trends by year24)

Table 5. Representatives of the world’s bioceramics

회사 관련사항

Zimmer(미국) 인공골, 척추용

Stryker(미국) 고관절 시스템

3M ESPE(미국) 인공치아용 지르코니아 블록

Interpore Cross(미국) 아파타이트 골 대체물

Himed(미국) 아파타이트

CeramTec(독일) 인공관절

VITA(독일) 인공치아용 지르코니아 블록

Biomatlante(프랑스) 합성골 시멘트 특화

Novel Biocare(스웨덴) 골유착형 임플란트

Straumann(스위스) 임플란트 나노표면처리

Kyocera(일본) 고관절, 인공치아

Medtronic plc (인도) 인공골, 척추용

Table 6. Bioactive glass related companies18)

회사 관련사항

Aap Implantate혁신적인 생체재료와 정형외과용

임플란트 제품

Arthrex 정형외과 관련 소재 개발과 교육

Curasan 골 재생 및 대체재용 합성 생체재료로 특화

Dentsply 치과 및 기타 헬스케어 재료

Integra life Science 외과 및 치과 의료 기구

NovaBone 골 대체재 특화

Schott 유명 유리 제조업체, 특수유리 소재 개발

Wright 외과적인 특수 제품 공

226 || 세라미스트

김형준특 집

CERAMIST

그리고 한국 5.6 %(5위권)이었다. 2010년 후 : 미국

57.4 %, 일본 20.4 %, 유럽 8.1 %, 한국 14.0 % 정도를

유지했던 것으로 보인다(Fig 20). 한국의 출원 현황을 살

펴보면 ‘12년 이후 출원이 점차 감소하는 경향을 보이고

있으며, 외국인의 출원이 점차 감소하며, 출원인 대부분

이 자국 출원으로 한국 내의 기술력이 우수한 것으로 추

정하고 있다. 외국인의 출원 감소현상이 두드러지는 이유

를 살펴보면 바이오 세라믹 분야의 국내 시장에 대한 외

국인의 선호도가 감소하고 있는 것으로 판단하고 있다.

일본의 출원 현황은 ‘10년부터 꾸준히 감소하다가 ’13

년부터 ‘14년까지는 증가로 전환되는 추세를 보이고 있

다. 미국의 출원 현황은 ‘11년 이후로 감소하는 경향을 보

이며, 내국인 및 외국인의 출원 비율이 비슷하게 나타나

고 있으며, 유럽은 ‘10년 이후 지속적으로 감소하는 추세

를 나타내고 있다.

2.2 생체활성유리 국내 현황

2.2.1 기술현황2000년대 이후 생체 활성 유리 소재만으로 연구하는

Fig. 19. World patent application trend according to year since 2010 23)

Fig. 21. Electrospinning법에 의해 제조된 Nano Glass fiber26)

Fig. 20. Trend of Patent Application by Major Countries23) US(United States of America), JP(Japan), DE(Deutschland), CN(China), KR(Korea), GB(Great Britain), CH(Switzerland) and FR(France).

제21권 제3호, 2018년 9월 || 227

CERAMIST생체 활성 유리 국내외 현황

것 보다는 생체 활성 유리와 응용분야가 동시에 연구하는

융합 연구 중심으로 변화되는 것으로 보인다. 특히 단국

대 김해원, 서울대 김현이 등 여러 그룹이 글라스 나노 파

이버, sol-gel 복합체, 다공성 유리, 물질 전달체 등의 논

문들이 발표하고 있다.26) 특히 단국대의 경우 의공학적

측면에서 생체 활성 유리 섬유 지지체를 이용한 신경 재

생과 관련된 주목할 만한 융합 연구 결과를 제시하기도

하였다.27) Fig. 21와 22 은 단국대 연구팀에서 진행된 결

과들이다. Fig 21는 Sol-gel을 이용한 전기 방사법을 바

탕으로 한 나노 glass fiber를 제조한 결과이고 Fig. 22

은 이를 이용한 신경 복구를 위한 3차원 인산계 섬유유리

와 콜라겐 복합체에 생체 실험 결과 이다.

그러나, 생체 활성 유리 연구가 인하대학교 김철영 교

수님 퇴임 이후 급속도로 연구가 감소하고 있다. 특히 해

외에서 연구되는 것과 같은 생체 활성 유리 지지체에 대

한 연구는 다소 부족한 것으로 생각된다. 이러한 연구 부

진 이유는 국내 유리전공자의 부족과 더불어 의생학과 유

리공학의 융합 연구 자체가 부족하기 때문으로 생각된다.

국내 생체활성 유리에 대한 기술 개발은 제노스와 바이오

알파에서 제품화 경험을 가지고 있으나, 글로벌 시장을

지배할 수 있는 원천기술에 대한 필요성을 지속적으로 요

구하고 있다.

2.2.2 시장현황국내 바이오 세라믹 공급업체는 주로 치과용 소재 및

골재를 생산하는 중소/중견기업들이다. 국내 바이오 세

라믹 시장은 2016년 기준 약 3,700 억 원 규모로 전년대

비 3.5 % 이상 증가하고 있으며, 2020년 4,250 억 원 규

모로 성장할 것이 예상되고 있으나, 고가인 고관절용 제

품은 대부분 수입에 의존하고 있다.

Fig. 22. (A) Fabrication of phosphate glass fibers (PGFs), (B) PGF–collagen gel complex after dehydration and (C) three-dimensional PGF–collagen scaffold (C’: magnified image of the yellow box in C). (D–H) Procedure for implantation of three-dimensional scaffolds into completely transected rat spinal cords: (D) exposure of dura mater at T8-9 of adult rat spinal cord; (E) complete transection and gap formation; (F) Implantation of PGF–collagen scaffold in the experimental group; (G) implantation of collagen scaffold in the control group; and (H) closure of the dura mater with microstaples16)

Table 7. Domestic market size and forecast of bioceramics13) (단위, 억 원)

구분 2015 2016 2017 2018 2019 2020 성장률(%)

국내시장 3,580 3,705 3,835 3,969 4,108 4,252 3.5

출처 : 치과용 충진재 관련, 메타바이오메드자료, 인공관련관련, 건강보건심사평가원 보험수가로 추정

228 || 세라미스트

김형준특 집

CERAMIST

국내에서 개발·생산되는 바이오 세라믹 소재 관련 제

품은 다양하지 않으나 생산하는 업체의 숫자는 많은 편으

로 대부분 치과용 임플란트 업체를 모기업으로 하는 기업

과 작은 규모의 영세한 기업 등이 대부분이다. 제품으로

는 대부분 인공적으로 합성한 인산칼슘계 세라믹을 이용

한 골대체재가 주를 이루고 인산칼슘계 세라믹을 이용한

치과용 임플란트의 표면개질 제품과 골 시멘트도 생산하

고 있다. 치과용으로 세라믹 도자기 제품이 생산되고 있

고 최근 들어 올세라믹(All Ceramic) 타입의 지르코니아

블록 제조회사가 많이 등장하고 있으나 생산 규모와 기술

적인 면에서 세계적인 기업과 많은 격차를 보이고 있다.

현재 많은 기업들이 골 형성이 향상된 골대재 소재를 개

발하기 위해 골 성장인자나 약물을 골이식재에 접목시키

는 기술을 상품화 진행하고 있고, 국내 여러 치과용 임플

란트 회사들은 임플란트 표면에 생체적합성이 우수한 인

산칼슘계 세라믹으로 코팅하는 기술을 개발 중이다. 유·

무기 나노복합체를 개발해 골 대체물로 이용하는 기술,

고 내마모성 인공관절 개발, 생체활성 결정화유리를 이용

한 경추 및 요추 추간판 대체재 개발 등이 진행 중이다.

국내 인공관절 시장은 거대자본과 기술력을 바탕으로

한 외국계 기업에 점유되었으나, 한국형 체형에 적합한

인공관절이 국산화 개발이 되고 있어 수입대체 효과가 클

것으로 기대하고 있다. 국내에서는 1998년 설립된 오스코

텍이 18년 이상의 임상 사용으로 국내시장을 선점하고 있

으며, 바이오 세라믹 시장은 인공치아, 뼈 이식재, 인공관

절 순으로 성장이 예상된다. 오스코텍은 골다공증치료제,

관절염 치료제 등의 신약개발, 뼈관련 유전체 사업, 뼈이

식재료를 포함한 신소재 및 생체재료의 개발, 항생제 및

항암제의 약물 전달계 개발 등을 목적으로 설립된 연구개

발 중심의 뼈 전문 생명공학업체이다. Hass는 2008년 설

립된 회사로 Ivoclar Viadent사의 Lithium silicate결정

화유리와 유사한 제품들을 개발하여 상용화 하였다. 제노

스에서도 유사한 제품을 개발한 것으로 알려져 있으며 상

용화에 노력 중이다.

바이오 세라믹 기술로 품목의 무역 현황을 살펴보면,

수출량에 비하여 수입량이 급격히 감소하는 추세이다. 바

이오 세라믹 기술의 수출 2011년 384만 달러에서 2015년

593만 달러 수준으로 증가하였으며, 수입 현황은 2011년

1,473만 달러에서 2015년 1,079만 달러 수준으로 감소하

여 무역수지 적자폭이 증가하고 있다. 최근 5년(2011 ~

2015년)간 연평균 성장률을 살펴보면 수출금액은

-37.3%로 감소하였으며, 수입금액은 -7.5%로 감소하

여 전체 무역수지는 -1.6% 감소한 것으로 나타나고 있

다. 무역특화지수는 2011년(-0.59)부터 2015년(-0.90)

까지 감소한 것으로 나타나 국내 기업의 수출량이 감소하

고 있는 것으로 나타났으며, 국내의 바이오 세라믹 제품

의 해외시장진출이 줄어들고 있는 것으로 분석되고 있다.

2.2.3 관련 기관 현황국내 사업은 일부 벤처업체들을 중심으로 인산칼슘계

골 대체 재료나 인공치아용 도재 등 일부 품목을 생산 판

매 중이나 원천 기술이 매우 부족한 실정이다. 한국세라

믹기술원은 충북 오송에 “융합바이오 세라믹소재센터”를

2017년에 신설하였으며, 조직재생, 질병진단, 산업바이

오 및 뷰티케어용 융합바이오 세라믹소재연구개발 바이

오 세라믹 소재/제품의 안전성 및 유효성 평가기반 구축

및 시험분석 인증지원 활동 중이다. 한국세라믹기술원에

서는 진주 본원과 이천 분원에 유리 전문가 및 파일롯 생

Table 8. Trade statistics related to bio ceramics13) (단위 : 천$)

구분 2011 2012 2013 2014 2015 CAGR%

수출금액 3,841 2,984 192 598 593 -37.3

수입금액 14,734 12,608 12,972 13,601 10,792 -7.5

무역수지 -10,893 -9,624 -12,780 -13,003 -10,199 -1.6

무역특화지수 0.59 -0.62 -0.97 -0.92 -0.90

* 무역특화지수 = (상품의 총수출액-총수입액)/(총수출액+총수입액), 지수가 0 경우 비교우위 중간, 1이면완전 수출특화상태, 지수가 -1이면 완전 수입 상태

* 자료, 관세청 수출입 통계

제21권 제3호, 2018년 9월 || 229

CERAMIST생체 활성 유리 국내외 현황

Table 9. Domestic bioceramic companies for bone subtitute24)

기업명 제품명 용도 소재

바이오알파 Bongros-HA 골대체재 합성HA

메타바이오메드 Mega-G, Meta-S 골대체재 산호

제노스 GBAG 골대체재 합성BCP

메가젠 MGSB 골대체재 합성HA

나이벡 OCS / OCS-B 골대체재 합성CMP / 한우골

바이오폴 OssPol 골대체재 칼슘포스페이트 본 시멘트

경원메디칼 Polybone 골대체재 합성HA

오스젠 NT-HA / NT-TCP 골대체재 합성TCA

오스코텍BioCera / BBP / OrthoChip /

OrthoBlock골대체재

송아지 해면골에 생체모방 HA코팅(치과) / 분말(치과) /

과립(정형외과 / 블록) (정형외과)

Fig. 23. Domestic intellectual property status

230 || 세라미스트

김형준특 집

CERAMIST

산을 위한 Test Bed와 섬유실용화센터를 보유하고 있으

며, 3D 프린팅에 의한 바이오 유리, 치과용 유리 제조 원

천기술 확보하고 있다. KIST 생체재료연구단은 자성 나

노입자의 콜로이드 결정화에 의한 자기민감도 제어 및 이

를 이용한 바이오마커의 고효율 자성분리 및 무기 나노소

재를 활용한 세포지지체 디자인 연구 활동 중이다. 재료

연구소는 생체활성 바이오 세라믹 저온코팅 기술 및 나노

세라믹/약물 저온 복합화 코팅기술 및 생체소재개발 활

동 중이며, 특히 3D 프린팅을 이용한 골시멘트 적층 기술

에 있어서 국내에 독보적 위치를 확보하고 있다. 대학은

앞서 기술동향에서 기술했듯이 단국대, 서울대, 충북대

등에서 바이오 세라믹을 이용한 융합 연구를 진행하고 있

다. 그러나, 생체활성 글라스를 이용한 상용화는 거의 이

루어진 것이 없는 상태로 보는 것이 맞을 것으로 판단된다.

2.2.4 지식재산권 현황 및 기타바이오 세라믹 관련 국내 출원인 동향을 살펴보면 대기

업은 삼성전자의 출원건수가 가장 높게 나타났으며, 중소

기업에서는 유앤아이의 출원건수가 높게 나타났다. 그 밖

에 대기업의 주요 출원인은 KCC, 삼성전기 등이 있으며,

중소기업의 주요 출원인은 유앤아이, 디알하이텍, 아이

센스, 하스, 오스템임플란트 등이 주요 출원인이었다.

기업 이외의 주요출원인을 살펴보면 한국과학기술연

구원, 한국세라믹기술원, 한국생명공학연구원, 한국전자

통신연구원 등 연구소/공공기관의 출원이 다수 나타났으

며, 대학은 서울대학교, 고려대학교, 한양대학교, 전남대

학교, 연세대학교의 출원이 높은 것으로 분석된다. 기업

의 경우 출원건수가 작게 나타나는 것으로 볼 때, 바이오

세라믹 분야의 경우 대학에서 주로 연구를 진행 중인 것

으로 분석된다.

중소벤처기업부에서 국내 바이오 세라믹 중소기업에

게 기술 수요조사(2013 ~ 2015)를 행한 결과를 보면 이

식가능 소재와 생분해성 소재에 대한 과제 신청이 다수였

다. 중소기업을 위한 핵심기술로 국내 바이오 세라믹 기

Table 10. Application status and demand survey result of bio-ceramics project conducted by Small & Medium Venture Business De-partment25)

기술 분류 관심 기술

이식가능소재

•세포 친화성 3차원 겔을 이용한 이식•HA를 함유한 생분해성고분자를 결합시킨 골이식용 티타늄 복합 차폐막•성장인자 및 항생제가 탑재된 캐널·비드형 골이식재 개발•이종 연골을 이용한 주입형의 연골 이식재 개발

생 분해성 소재•생분해성 연질 PBAST의 중합체 조성물 개발 및 PBAST Foam Sheet 제품 개발•안와골절 재건용 생분해성 메쉬 플레이트의 개발•생분해성 마이크로구조체를 이용한 메디컬 마이크로패치 기술개발

Table 11. Bio-ceramics core technology of of Small & Medium Venture Business Department25)

분류 핵심기술 개요

생체 활성 소재

생체활성 유리SiO2-CaO-Na2O-P2O5 계 조성에 기타 첨가물 조성 제어로 HCA층 형성시간을 제어하는 기술개발

치과용 골이식제치주치료와 상실된 치아수복을 위한 임플란트 수술에서 골 결손부에 대한 골이식재의 형상유지기술개발

생체활성 물질 탐재 및 방출 제어 기술

고비표면적 세라믹분말 기반의 나노인갭슐레이션 기술을 적용하여 생체활성물질의 흡착능력 향상 기술 개발

생체 불활성 소재

인공관절용 탄화규소 및질화규소 세라믹스 제조

고관절의 비구컵 라이너와 골두 재료간의 조합에서 마모량을 감소시켜 임플란트의 수명을 연장시키는 기술개발

치과 임플란트용 지르코니아제조 기술

반투명성과 심미적이고, 알루미나에 비해 두 배의 굴곡강도와 파괴인성을 갖는 지르코니아 블록의 기계적 특성 향상 기술개발

생 분해성 소재생분해성 인산칼슘계

세라믹스 제조하이드록시 아파타이트계 골시멘트의 기공율, 기공간 연결성, 기공크기 조절로 생분해 특성과 조직공학과의 적합성 향상 기술개발

제21권 제3호, 2018년 9월 || 231

CERAMIST생체 활성 유리 국내외 현황

술수요조사와 특허 등을 분석하여 아래 Table 10과 11 같

은 핵심기술을 선정한 바 있다는 점을 주목하고 있어야

할 것이다.

3. 결론

인간은 지난 100년간 수 많은 질병과 사고에 대처하는

능력이 월등해 졌다. 생체를 구성하는 뼈를 대체하기 위

한 세라믹 분야의 연구도 일조했다 하겠다. 생체 활성

유리는 우수한 생체 적합성 덕분에 낮은 기계적 물성(인

성)에도 불구하고 두개골, 치조골, 척추골 매립재, 턱과

얼굴뼈, 경피접촉기구 등의 부하가 적은 부위의 골대체

재로만 사용되어왔다. 최근에는 복합체 형태로 조직 공

학용 지지체 및 신경 재생 등 새로운 응용분야가 찾아지

고 있다.

생체활성유리의 세계시장규모는 2019년 5.56 억 달

러로 크지 않지만, CAGR 14.3 5%로 성장률은 매우 높

아 5년 이내에 10 억 달러(약 1.1 조 원) 규모를 넘어 설

것으로 기대되고 있다. 특히, 성장 가능성이 가장 큰 응

용분야는 골대체재(골이식)이며, 의료 기기 분야와 약물

전달체와 지지체 등의 기대치가 높다. 국내의 생체 활성

유리 분야의 연구 활동은 아직 많지 않지만, 국가와 산

업체의 발전방향을 고려하였을 때 그 전망은 밝을 것으

로 기대한다.

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김형준

1989년-1991년 두산유리기술연구소 대리

1997년-2000년 한양대학교 무기재료공학과

박사

2000년-2001년 독일아헨공대 세라믹연구소

Post-doc

2001년-2007년 삼성SDI PDP사업부 차장

2011년-2012년 지식경제부 R&D 전략기획단

전문위원

2014년-현재 한양대학교 신소재공학과

겸임교수

2007년-현재 한국세라믹기술원 수석연구원

Abstracts1. 서론2. 본론3. 결론참고문헌