1. 생체적합성 소재
현대 의학이 발전함에 따라 질병의 단순한 치료를 넘어, 환자의 삶의 질을 유지하고 예방 중심의 공중보건 모니터링을 강화하는 방향으로 의료 패러다임이 변화하고 있다. 이러한 변화를 현실로 만드는 핵심 기술 중 하나가 바로 인체와 거부 반응 없이 융합되는 '생체적합성 소재(Biocompatible Materials)'다. 그 중 '생분해성 금속 임플란트'와 '하이드로젤 기반 웨어러블 바이오센서'에 대해 알아보았다.
2. 생분해성 마그네슘 합금
골절 등 뼈에 심각한 손상을 입었을 때, 기존에는 티타늄이나 스테인리스 스틸 같은 금속 기기를 체내에 삽입하여 뼈를 고정했다. 하지만 이 방식은 뼈가 완전히 붙은 후 금속을 제거하기 위해 전신마취를 동반하는 2차 수술이 필수적이었다.
이를 해결하기 위해 연구되고 있는 것이 마그네슘(Mg) 기반의 생분해성 합금이다. 마그네슘과 칼슘(Ca)은 본래 인체의 뼈를 구성하는 필수 영양소이기에, 따라서 이들로 구성된 합금은 뼈가 회복되는 동안 지지대 역할을 한 뒤, 체내에서 자연스럽게 분해되어 흡수된다. 초기 마그네슘 합금은 체내 부식 속도가 너무 빨라 뼈가 낫기도 전에 지지력을 잃는 한계가 있었으나, 최근 국내 연구진들은 금속 가공 과정에서 미세구조를 제어하는 압연 및 열처리 기술을 통해 이 문제를 극복했다. 합금 내부의 입자를 극도로 미세화하여 체내 부식 속도를 늦추고 기계적 강도를 동시에 높였다.
3. 하이드로젤 바이오센서
최근 공중보건 및 예방의학 관점에서 일상생활 중 지속적인 생체 신호 모니터링의 중요성이 커지고 있다.
하이드로젤은 물을 대량으로 함유할 수 있는 고분자 네트워크로, 인체의 피부나 연성 조직과 매우 유사한 유연성을 지닌다. 이 소재에 전도성 나노 입자나 이온성 액체를 결합하면 100% 이상 늘어나도 전기가 통하는 신축성 전극이 만들어진다.
최근 학계의 연구들은 잦은 변형이나 피부의 땀, 수분에도 떨어지지 않는 강한 접착력을 구현하는 데 집중하고 있다. 특수한 고분자 결합 기술이 적용된 하이드로젤 센서는 500회 이상의 반복적인 변형에도 심전도나 근전도 같은 미세한 생체 신호를 오차 없이 읽어내어, 24시간 끊김 없는 데이터 기반 건강 관리를 가능하게 한다. 피부 위에 바로 프린팅 가능한 하이드로젤 센서가 개발되기도 하였다.
4.전망
생분해성 소재를 사용하여 환자의 2차 수술을 생략하게 되면 수술실과 입원 병상의 회전율이 크게 향상된다. 특히 중증 환자가 몰려 항상 자원 병목 현상을 겪는 3차 병원의 입장에서는 한정된 의료 자원을 보다 효율적으로 분배할 수 있어 전반적인 병원 경영의 효율성이 극대화될 수 있다.
현재 개발된 생분해성 마그네슘 합금은 재료의 물성 한계 때문에 손, 발처럼 비교적 힘을 덜 받는 부위에만 쓰이지만 앞으로 강도와 연신율(길게 늘어나는 정도)이 향상된 마그네슘 합금이 개발되면 연간 30조∼40조원에 달하는 시장이 창출될 것이다. 생분해성 금속 임플란트가 뼈로 대체되는 메커니즘이 밝혀지고 이 소재의 안전성이 입증됨에 따라 앞으로 좀 더 강도가 높으면서 유연한 금속 임플란트 소재가 개발될 것으로 기대하고 있다.
또한 하이드로젤 웨어러블 센서를 활용한 원격 모니터링은 환자의 불필요한 외래 방문을 줄이고, 잠재적 질환을 조기에 예측하게 해준다. 결과적으로 첨단 신소재 기술은 환자의 신체적 부담을 덜어주는 동시에, 미래 의료 서비스의 질과 관리 효율을 한 단계 끌어올리는 강력한 촉매제가 될것이다. 전도성과 조직접착성을 가져 인간-기계 상호작용 분야에 적용 될 수 있을 것으로 기대된다.
특히, 피부 위에 바로 프린팅 가능한 하이드로젤 센서가 개발 되었기에 기존에 조직공학 분야에서만 다수 이용되었던 하이드로젤 마이크로 입자의 낮은 응집력에 대한 한계를 극복하여, 우수한 조직접착력, 이온전도성을 갖는 바이오 신소재를 개발했다는 점에 그 의의가 있으며, 이후, 체내 조직 인터페이싱 등 바이오 전자 및 의료기술 분야에서도 활용 가능할 것으로 기대된다.
5. 참고 문헌
- 웨어러블 신축성 전자소자의 접착력 강화를 위한 경화 방해물질 확산 기법 연구
https://scholar.kyobobook.co.kr/article/detail/4010070331313
- 골절치료용 '뼈 생성 금속임플란트' 원리 규명
https://www.yna.co.kr/view/AKR20160113089800017
- 성균관대, 피부 위에 바로 프린팅 가능한 하이드로젤 센서 개발