뼈와 같이 단단한 바이오재료

KISTI 미리안『글로벌동향브리핑』 2010-03-03

외과수술에 사용되는 나사들은 종종 티타늄으로 만들어진다. 이들은 어느 정도 지나 제거되고 새로운 다른 나사로 대체된다. 바이오재료로 나사를 만들면 이러한 작업이 불필요하다. 바이오재료는 뼈 성장을 촉진하고 생분해된다. 축구선수, 스키선수, 테니스 선수들은 모두 무릎 십자인대 파손에 대해 염려를 많이 하며 부상도 많이 당한다. 만약 무릎 십자인대가 손상되면 환자들은 일반적으로 결합부위의 안정성이 회복할 수 있도록 외과수술을 받게 된다. 외과 수술에서 찢어진 인대는 다리의 힘줄 조각으로 대체되며 이 힘줄은 간섭나사를 사용하여 뼈에 고정시킨다. 문제는 나사가 티타늄으로 만들어진다는 점에 있는데 일정시간이 지나면 티타늄 나사를 제거하기 위한 또 다른 수술을 받아야 하기 때문이다. 브레멘에 있는 프라운호퍼 연구원의 제조기술 및 응용재료연구부의 연구원들은 무릎 십자인대 및 다른 뼈에 손상을 입은 환자들의 고통을 줄여주기 위해 일정시간이 지나면 생분해되고 인체에 적합성을 가진 나사를 바이오재료로 제조하였다. 연구원들은 바이오재료를 수정하고 특별한 사출성형 공정을 사용하여 튼튼하고 인체에 적합하며, 인체에 흡수될 수 있는 나사를 제조하였다고 연구원의 바이오재료 개발부의 책임자인 Philipp Imgrund 박사는 말한다. 바이오재료의 조성에 따라서 바이오재료는 24개월 내에 생분해된다. 폴리락틱산으로 제조된 생분해 나사들은 이미 의학분야에 사용되고 있으나 생분해될 때 뼈에 구멍을 남기는 단점을 가지고 있다. 따라서 연구원들은 재료의 특성을 향상시켜, 폴리락틱산과 히드록시아파타이트(hydroxylapatite)로 제조된 사출성형이 가능한 복합재료를 개발하였다. 히드록시아파타이트는 뼈의 주된 구성물인 세라믹이다. 이 복합재료는 히드록시아파타이트의 함량이 보다 많으며 임플란트 내로 뼈의 성장을 촉진한다고 Imgrund는 말한다. 연구원의 기술자들은 기존 사출성형 방법을 사용하여 제분과 같은 재료로 만드는 후공정이 필요 없는, 정확하게 제조될 수 있는 바이오재료로부터 낟알 모양의 형상을 개발하였다. 복잡한 형상은 망상 공정 내에서 이루어졌으며 강한 나사를 제조할 수 있었다. 이 프로토타입은 실제 뼈와 매우 유사한 특성을 나타내었다. 압축강도는 실제 뼈가 입방 밀리미터당 130~180 뉴턴인데 이 복합재료의 압축강도는 130뉴턴 이상으로 나타났다. 더구나, 사출성형공정은 우수한 부가적인 특성을 나타내었다. 일반적으로 분말 사출 성형된 부품은 섭씨 1400° 이상의 온도에서 압축하여야 하는데 이 복합재료는 단지 섭씨 140° 에서 제조될 수 있다고 Imgrund는 말한다. 앞으로 기술자들은 에너지절약공정을 사용하여 다른 바이오 임플란트를 개발할 계획을 가지고 있다. <그림> 외과의사들은 무릎 십자인대를 단단히 조우기 위해 간섭나사를 사용하고 있다. 왼쪽부터 폴리락틱산, 히드록시아파타이트 및 스텐레스 스틸로 만들어진 나사 20100303_bone.JPG 출처 : http://www.fraunhofer.de/en/press/research-news/2010/03/bone-hard-bimaterial.jsp