| 생체재료공학 - 인체부품시대 선도하는 꿈의 기술 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 글 | 안철희/서울대 재료공학부 교수ㆍchahn@snu.ac.kr |
6백만 불의 사나이를 기억하는가. 사고로 잃은 눈과 팔다리를 6백만 불 어치의 인공물질로 대체한 그는 미래 생체재료공학이 빚어낸 작품이다. 현실 세계에서도 6백만 불의 사나이를 만날 수 있을 날이 머지않았다. 기계를 오래 쓰면 부품이 닳고 접합부분이 낡아서 고장이 잦아지듯이, 인간도 늙어가면서 조직들이 낡고 약해지기 마련이다. 머리카락이 하얗게 세며, 피부는 탄력을 잃고 주름살이 늘어간다. 치아는 약해져 빠지고 시력과 청력이 떨어지며 순환기관이 제 기능을 발휘하지 못해 혈관벽이 막히는 등 심혈관 질환이 생기기도 한다. 우리나라는 급속한 경제발전과 함께 의료수준의 향상으로 노령인구가 빠르게 증가하고 있다. 2000년에 65세 이상 인구 비중이 총 인구의 7.2%를 기록해 ‘고령화 사회’에 들어섰고 2019년에는 14%를 웃돌아 ‘고령 사회’로, 2026년에는 20%를 넘어서 ‘초고령 사회’로 진입할 전망이다. 이처럼 인간의 수명이 늘어나면서 노령화로 인한 신체 기능의 상실은 막대한 의료비 지출로 이어져 사회적인 문제로까지 대두되고 있다. 자연적인 노화현상 이외에 교통사고나 과도한 운동으로 인해 장기가 손상을 입을 수도 있다. 인체가 회복될 수 없을 정도의 손상을 입으면 현재의 의학기술은 외과수술로 손상된 부위 조직을 제거하고 남아있는 정상적인 인체 조직을 보존해 사용기간을 늘린다. 20세기 후반 들어 눈부시게 발달하기 시작한 생체재료분야는 의료공학기술의 급속한 발전을 가져왔다. 손상된 인체 기능을 정상 조직이나 장기로 대체하거나 재생시키는 수준으로까지 발전시킴으로써 환자들에게 좀더 향상된 삶의 질을 보장할 수 있게 된 것이다. 인체 손상 부위 대체하는 인공물질
신체의 손상 부위를 인공물질로 대체하고자 하는 노력의 시작은 기원전으로 거슬러 올라간다. 기원전 4세기 이집트에서는 아래턱뼈가 골절된 경우 이를 고정시키기 위해 금속 와이어를 사용했다. 그만큼 질병으로부터 벗어나기 위한 인간의 노력은 뿌리가 깊다. 손상된 장기를 아예 다른 장기로 대체하는 장기이식의 경우 현재 이식받기를 기다리고 있는 대기자의 수가 기하급수적으로 증가하고 있다. 하지만 공여자는 크게 늘지 않아 장기수급의 불균형이 심화되고 있는 상황이다. 따라서 사람의 세포를 조작하거나 장기를 인위적으로 처리해 생명활동이 가능한 인공조직을 개발하는 의학적 접근이 다양하게 이뤄지고 있다. 예를 들어 인간 유전자를 삽입한 돼지, 원숭이 같은 동물로부터 심장, 간, 신장 등의 장기를 얻는 방법, 특정한 장기로 분화하는 속성을 갖고 있는 자신의 줄기세포(stem cell)를 체외에서 배양해 특정 장기로 재생시켜 이식하는 방법 등이 대표적이다. 그러나 다른 종(種) 간 장기이식은 세균 감염의 위험성을 지니고 있어 20~30년 뒤에나 실용화될 전망이고, 인간배아 줄기세포에 대한 연구는 윤리적인 문제로 제한을 받고 있다. 게다가 줄기세포 분화에 대한 연구는 이제 시작 단계로 실용화되기까지는 상당한 시일이 걸릴 것으로 예측된다. 따라서 인체의 손상 부위를 대체하는 인공물질을 개발하는 생체재료공학 연구가 중요하다. 생체재료는 크게 생체불활성(bioinert) 재료, 생체활성(bioactive) 재료, 생분해성(biodegradable) 재료로 구분할 수 있다. 생체불활성 재료는 몸 안에 이식된 후 염증이나 독성과 같은 거부반응을 유발하지 않으면서 형태와 구조를 유지하는 재료다. 생체활성 재료는 몸 안에 삽입되면 주위의 조직과 직접 결합해 기능을 나타내는 재료이며, 생분해성 재료는 이식 후 체내에서 서서히 분해되면서 재생하는 장기로 바뀐다. 인공심장 시대도 열려
인체의 조직이 상실됐을 때 이를 회복시키기 위해 삽입하는 각종 임플란트는 어느 하나의 재료로만 이뤄져 있는 경우는 드물다. 대개 각 부위마다 필요로 하는 재료의 성질에 따라 고분자와 금속, 세라믹을 복합적으로 사용한다. 예를 들어 인공심장의 경우 심장 본체는 고분자로 이뤄져 있고 판막이나 밸브, 박동기 등은 금속으로 만들어진다. 미국 텔레비전 드라마 ‘6백만 불의 사나이’에서 우주비행사였던 주인공은 사고로 두 다리와 한 팔, 눈을 잃는다. 하지만 생체재료공학으로 다시 만들어진 그의 신체는 마치 로봇과 같은 엄청난 성능을 보인다. 과연 실제로 6백만 불의 사나이가 가능할까. 현재 인공심장, 인공혈관, 인공폐, 인공간, 인공관절, 인공귀, 인공피부, 인공신장 등 거의 대부분의 장기와 조직이 생체재료공학 기술로 개발돼 임상시험 중이거나 사용 중이다. 인공심장은 심장 기능의 일부 또는 전체를 대신할 수 있는 장치로서 인공적으로 개발한 ‘혈액 펌프’라고 할 수 있다. 1982년 미국 유타대에서 심장병 환자에게 인공심장을 이식해 112일간 생명을 유지시킨 임상시험이 성공한 이후 각국은 인공심장 개발에 박차를 가하고 있다. 인공심장은 크게 두 종류로 나뉜다. 하나는 정상적인 기능을 완전히 상실한 자연심장을 제거하고 이식하는 완전인공심장이고, 다른 하나는 심장을 제거하지 않고 심실 기능의 전부나 일부를 보조하는 심실보조장치다. 심실보조장치는 여러가지 제품이 이미 1990년대 중·후반부터 실용화돼 지금까지 1만명이 넘는 환자에게 시술됐다. 2001년에는 미국 회사인 아비오메드가 세계 최초로 환자의 병든 심장을 완전히 제거하고 인공심장을 이식해 완전인공심장 시대를 열었다. 우리나라의 경우 2003년에 인공장기센터가 설립됐다. 이곳은 세계 최초로 심장 좌·우심실의 기능을 보조하는 체내 이식형 인공심장 ‘애니하트’를 개발한 서울대 의대의 성과를 이어받아 국내 인공심장, 인공신장, 인공간 개발의 사령탑 역할을 수행하고 있다. 신장은 체내에 생긴 노폐물을 걸러서 배설한다. 신장의 이 같은 기능이 저하되면 혈액 속에 독성 물질이 축적돼 심한 경우 구토, 출혈, 호흡곤란 등이 일어나고 생명이 위태로워진다. 이때 인공신장을 사용하면 혈액을 몸 밖으로 빼내 반투과성막을 통해 혈액 속 단백질 같은 큰 분자는 통과시키지 않고 요소 등의 노폐물과 물 같은 작은 분자만을 통과시켜 제거한 후 다시 몸 안으로 깨끗한 혈액을 넣어줄 수 있다. 인공신장은 1943년 임상시험에 성공한 뒤 여러가지 형태로 개발됐다. 신장은 일종의 화학공장이라고도 불릴 만큼 기능이 매우 복잡해 세계적으로도 아직 체내 이식형 인공신장이 개발돼 있지는 않다. 현재 인공신장은 기능은 향상시키되 이식이 가능하도록 소형화시키는 방향으로 활발한 연구가 진행 중이다. 인공치아나 인공뼈, 인공관절 기술은 이미 상당한 수준으로 발전돼 널리 쓰이고 있다. 세라믹 또는 금속 재료를 이용해 세계적으로 2백여가지의 다양한 수술이 이뤄지고 있다. 그러나 아직까지는 인간의 특정 신체 부위를 완벽하게 재현하지는 못한다. 현재 널리 사용되고 있는 인공관절의 수명은 10~15년 정도로, 젊은 환자의 경우 재수술이 필요하기 때문에 장기간 사용할 수 있는 인공관절이 개발돼야 한다. 최근 아이슬란드에서는 사고로 무릎관절을 잃은 환자의 관절 안에 센서를 부착해 이식 후 환자의 걸음걸이 특징을 파악함으로써 스스로 움직임을 조절할 수 있는 인공관절을 개발했다. 미국 시사주간지 ‘타임’이 이를 2004년 올해의 발명품에 선정하기도 했다. 세포로 장기 만드는 생체조직공학
생체조직공학 기술을 이용하면 장기이식시 부족한 공여자의 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 인체 내 이물질 삽입으로 인한 거부반응을 유발하지 않고 인체의 모든 조직과 장기를 재생할 수 있다. 현재 생체조직공학을 이용해 뼈, 심장 판막, 요로, 치아, 유방, 방광, 간, 췌장, 피부, 연골, 신경세포, 혈관 같은 인공장기가 활발하게 연구되고 있다. 그 중 대표적인 것이 인공췌장이다. 췌장은 인슐린을 분비해 혈액 내의 당 수치를 조절하는 기관이다. 인슐린은 혈당량을 낮춰주는 역할을 한다. 만일 췌장이 인슐린을 생산하지 못하면 혈당 수치가 상승해 소변에 포도당이 섞여 나오는 당뇨병에 걸린다. 즉 혈액에는 포도당이 많고 정작 포도당이 필요한 신체 곳곳의 세포는 기아 상태에 시달리게 되는 것이다. 증가하는 혈당을 조절하지 못하면 시력이 떨어지거나 신장 기능이 저하되는 등의 합병증이 생긴다. 이를 방지하기 위해 환자들은 적당한 주기마다 일정량의 인슐린 주사를 맞아야 한다. 당뇨병 환자의 이런 불편함을 개선하기 위해 개발되고 있는 인공췌장은 기계적 방식과 생체공학적 방식의 두 가지로 나뉜다. 기계적 인공췌장은 혈당측정기, 인슐린 또는 포도당 펌프, 혈당측정기와 펌프간의 적절한 상호관리 프로그램으로 이뤄져 있다. 생체공학적 인공췌장은 동물이나 사망한 사람으로부터 췌장세포를 떼어내 고분자 재료 안에 넣어 환자의 체내에 삽입, 몸속을 돌며 체내의 상황에 맞게 인슐린을 분비하도록 한다. 현재 인체에 이식이 가능한 포도당 감시장치와 인공췌장 등이 상당 수준 개발된 상태다. 부작용 걱정 없는 성형수술 가능
화상으로 심하게 훼손된 피부를 감쪽같이 되살려 낼 수 있는 인공피부도 임상에 사용되고 있다. 지금까지 화상 환자에게는 주로 환자 본인 신체의 다른 부위에서 떼어낸 피부를 이식하는 자가이식 치료법을 사용해왔다.그러나 자기 피부를 이식하더라도 떼어낸 피부 부위에는 흉터가 남고, 손상된 부위가 넓을 경우에는 자가이식에 한계가 있다. 이에 따라 대량으로 공급 가능하고 안전한 인공피부의 개발이 요구되기 시작한 것이다. 콜라겐과 같은 천연조직재료나 합성고분자를 사용해 만든 인공피부는 피부에서 떨어지기 쉽고 장기간 동안 피부를 보호하기 어려운 단점이 있다. 생체조직공학을 이용, 세포의 일부를 생체에 적합한 지지체에 배양해 직접 이식하는 배양피부는 이와 같은 단점을 개선할 수 있다. 인공피부는 다른 입체적인 장기나 조직에 비해 단순한 평면 지지체를 이용해 만들 수 있다. 최근 세계적으로 세포 배양을 이용한 인공피부에 대한 특허출원이 증가하고 있다. 현재 아프리그라프(Aprigraf)와 더마그라프트(Dermagraft)라는 이름으로 이 같은 배양피부가 개발돼 시판 중이다. 우리나라에서도 원자력병원 연구팀이 개발한 인공피부가 판매되고 있다. 연골조직은 혈관이나 신경이 없으며 재생이 잘 되지 않는 독특한 조직이다. 연골조직을 대체하기 위해 과거에는 세라믹, 금속 같은 인공재료를 사용했으나 최근에는 환자 자신의 세포를 이용하는 연구가 이뤄지고 있다. 즉 만들고자 하는 귀나 코 모양의 생분해성 고분자 틀에 환자로부터 떼어낸 조직세포를 심어 배양한 후 체내로 이식하는 것이다. 고분자 틀은 몸 안에서 시간이 지나면 자연스럽게 분해돼 없어지므로 완전한 연골조직의 생성이 가능하다. 이물질을 넣었을 때 일어나는 거부반응을 염려할 필요도 없다. 국내에도 생분해성 고분자 틀에 토끼나 사람의 연골세포를 배양해 인공연골 개발에 성공한 사례가 있다. 성형외과에서 기존에 콧대를 높이는데 사용된 실리콘은 부작용에 대한 위험과 이물질이 들어있다는 찜찜함이 있었다. 그러나 앞으로 수년 안에 실리콘 대신 생체조직공학을 이용한 인공연골을 사용함으로써 이런 문제점을 해결할 수 있을 것이다. 인공혈관 연구도 오래 전부터 이뤄져왔다. 1952년 나일론관이 최초로 사용된 후 다양한 소재로 만든 인공혈관이 나왔다. 현재 임상에 널리 사용되고 있는 것은 다크론(Dacron)과 테플론(PTFE)을 소재로 한 인공혈관이다. 대동맥처럼 혈액의 흐름이 빠른 부위는 인공혈관을 사용할 수 있으나 직경이 4~6mm 이하의 가는 혈관은 시간이 흐름에 따라 혈액이 응고돼 막힐 위험이 있다. 생체 내 혈관은 환경에 따라 다양한 물질을 분비해 혈류와 혈압을 조절하고 혈액의 응고를 방지하지만 인공혈관은 이런 생리적인 기능이 없기 때문이다. 이 같은 문제를 해결하기 위해 재료 표면의 구조를 변화시키는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 생체와 조화 이루는 재료 개발이 과제
최근 생체재료공학에 대한 수요가 확대되고 응용범위가 다양해지면서 주로 의료비 지출이 높은 선진국에서 유망산업으로 대대적인 연구개발 투자를 하고 있다. 생체재료의 수요가 소량, 다품종이라는 제한점은 있으나 경제적인 부가가치가 매우 높아 국내 생체재료 분야에서도 많은 연구인력의 양성과 지원이 필요한 상황이다.생체재료를 개발하고 대량생산으로까지 이어가기 위해서는 재료과학, 의학, 세포생물학, 의공학, 생화학 등 관련 연구자들 간의 공동 연구가 필수적이다. 특히 의료 현장의 요구를 잘 파악해 그에 맞는 재료를 개발하는 재료 연구자는 생체재료공학 성공의 열쇠를 쥐고 있다. 공상과학 소설이나 영화에서나 접할 수 있었던 6백만 불의 사나이가 현실로 다가오고 있다. 자동차에 이상이 있을 때 부품을 교체하거나 고치듯, 가까운 장래에는 인체의 일부분이 제품화돼 필요할 때 인공재료로 교체할 수 있는 ‘인체부품시대’를 향해 나아가고 있는 것이다. 그러나 아직 인간이 만든 어떤 인공재료도 오랜 진화과정을 거친 본래의 장기를 완벽하게 대체할 수는 없다. 인체는 이물질이 침입하면 기능이 떨어지거나 질병에 걸리는 등 심한 거부반응을 나타낸다. 따라서 되도록 실제 장기와 비슷하고 인체와 접촉했을 때 거부반응 없이 완벽하게 조화되면서 제 기능을 발휘할 수 있는 생체재료의 개발이 가장 큰 과제다. 인공장기를 포함한 생체재료는 뇌사자에 의한 장기기증, 인간복제 방식을 통한 장기공급 등 최근 윤리적으로 논란을 야기하는 문제점을 해결할 수 있는 유일한 대안이다. 인간의 수명을 연장시키고, 건강하고 행복한 생활에 대한 인류의 욕구를 충족시키기 위해 생체재료는 앞으로도 끊임없이 연구·개발될 것이다. |
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