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  • 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

    CERAMIST https://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

    CERAMIST 생체 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