의공학 분야에서 사용되는 의용생체재료의 연구 동향 및 전망 · 의공학 분야에서 사용되는 의용생체재료의 연구 동향 및 전망 KIC News,

18 공업화학 전망, 제13권 제6호, 2010

의공학 분야에서 사용되는 의용생체재료의 연구 동향 및 전망

정 구 인⋅김 지 선⋅최 주 현⋅전 재 훈†

건국대학교 의학공학부, 건국대학교 의공학실용연구소

The Trend and Prospect of Biomaterials in the Biomedical Engineering Field

Gu-In Jung, Ji-Sun Kim, Ju-Hyeon Choi, and Jae-Hoon Jun†

Department. of Biomedical Engineering, Konkuk University

Research Institute of Biomedical Engineering, Konkuk University

Abstract: 자연적으로 모든 생물은 노화에 따라 기관이나 조직의 퇴행성 변화가 현저하게 진행되어 기능감소로 인해

항상성 유지가 어려워지고 몸이 쇠약해지며 외부 사고, 질병 등으로 인하여 신체적 기능의 손실이 발생된다. 손실된

기능을 되찾기 위한 방법으로는 장기이식과 같은 방법이 있지만, 이는 공급보다 수요가 많은 문제가 있다. 이러한

이유로 인공적으로 신체의 기능을 회복 또는 대체할 수 있는 인공 생체 이식재료를 개발하게 되었다. 의학적으로 질병

을 진단하거나 치료 시 보조적으로 쓰이는 여러 가지의 금속, 세라믹, 고분자, 합성재료 등의 특성과 장단점에 대해

기술하였고, 각각의 재료들이 의료적으로 여러 분야에 적용되는 예시 등을 설명하고, 의용생체재료 기술들의 최근동

향을 기술하였다.

Keywords: biomaterials, biometals, bioceramics, biopolymers

1. 서 론

1)

현대사회는 의학의 발전, 생활수준 향상으로 인

한 인간의 평균 수명이 증가하고 있다. 이러한 이

유로 노인의 건강 문제는 큰 사회적 문제로 대두

되고 있다. 우리나라의 경우 2000년에 이미 UN이

정한 고령화시대에 진입하였으며, 2026년에는 노

인 인구 비율이 20%가 넘는 초고령 사회가 될 것

으로 예상된다(Figure 1). 또한 각종 산업재해, 교

통사고, 각종 질병, 노화 등에 따른 신체의 손실

역시 증가하는 추세이고, 장기이식 대기자 수도

급증하고 있다(Figure 2). 그러나 손실 부위의 기

능을 회복하기 위해서는 장기이식을 받아야 하는

데, 이는 공급보다 수요가 많은 문제점이 있다. 노

화, 외부 사고, 질병 등으로 인하여 신체적 기능의

손실되는 골다공증, 치아노화, 당뇨병, 심혈관 질

병, 치매 등이 자연적으로 증가되고 있다. 이런 이

†주저자 (E-mail: [email protected])

유로 잃어버린 신체의 기능을 되찾기 위한 인간의

노력으로 의용재료가 개발되었다.

의용재료란 의약품을 제외한 인공, 천연 또는

그것들의 복합재료로서 인체 내에서 단기 또는 장

기간 동안 인체의 조직이나 기관의 기능을 치료,

보강, 대치 또는 회복시키는데 사용되는 모든 재

료를 말한다.

의학적으로 사용되는 재료는 크게 의용재료와

보조 재료로 나눌 수 있으며 이는 다음과 같다.

ⅰ) 의용재료：인체 내에 삽입되는 인공장기나

치과재료와 같은 인체의 기능을 대체하는

재료

ⅱ) 보조재료：위생을 중심으로 여러 종류가 있

고 넓은 의미로 병원들의 의료 시스템을 구

성하고 지원하는 시설재료 및 주변재료 등

을 포함한다.

의용재료나 의료기기는 그 적용 대상이 사람이

기 때문에 고도의 생물학적 안정성과 유효성을 동

기획특집: 의료소재


KIC News, Volume 13, No. 6, 2010 19

Figure 1. 노인 인구의 증가추이[1].

Figure 2. 우리나라 장기 이식 대기자 수 증가추이[2].

시에 갖추어야 한다. 유효성은 인체 내에서 일정

수준 이상의 기능, 성능, 강도 등을 유지하는 것이

며, 안정성은 인체에 위해하지 않다는 것이다. 인

체장기가 물리적 또는 기능적으로 손상을 입게 되

면 과거에는 고전적인 외과수술 방법으로 일단 손

상된 장기나 조직을 제거한 후 나머지의 신체기능

으로 살아가게 되었다. 그러나 최근에는 의료기술

과 의학공학의 눈부신 발전으로 기능이 손상된 기

관을 외과적 수술을 통하여 손상 부위의 신체기능

의 단순대체가 아닌 잃어버린 본래 기능까지 회복

할 수 있는 생체 소재의 개발 연구가 활발히 진행

되고 있다. 또한 생체재료연구의 국제적인 동향은

기초재료의 개발보다는 이미 개발된 생체재료에

표면개질방법에 의한 생체적합성 향상에 중점을

두고 있다. 따라서 소재에 대한 생체적합성 평가

의 중요성 뿐 아니라 소재의 생체 내 기능성 및 상

호 작용기전 연구가 중요하기 때문에 의용재료 개

발의 초기 단계부터 기초의학, 임상의학 및 재료

개발 연구팀간의 긴밀한 공동연구가 필수적으로

Figure 3. 의용재료 개발에 있어 다양한 학문간 융합체계.

요구된다(Figure 3).

2. 의용재료

2.1. 의용재료의 정의 및 조건

생체재료(biomaterials)는 생체에 직접 접촉하고

있는 재료라는 뜻에서 유래되었으며, “생체에 유

해한 영향을 미치지 않고 생체와 밀접하게 접촉되

어 사용되는 물질”로 정의할 수 있다. 생체재료로

서 요구되는 특성 중에서 필수불가결한 특성은 생

체적합성(biocompatibility)이며 기계적․물리적 성

질 및 성형가공성이 그 사용 목적 및 용도에 따라

요구된다.

인공조직 및 인공장기의 기본 재료인 생체재료

는 질병의 진단, 치료 및 예방의 수단으로 생체조

직에 직접 접촉하는 소재를 총칭하며 특히 손상되

었거나 기능을 상실한 인체조직 및 기관을 대체하

여 사용된다. 실제로 고분자, 금속, 세라믹재료가

이용되며, 그 적용범위는 매우 다양하다. 이외에도

수많은 분야에서 생체재료가 이용되고 있으며 현

재까지 해결하지 못하거나 효율적으로 해결하지

못하고 있는 분야에 더욱 발전된 재료가 요구되고

있다[3].

생체재료서 필수 불가결한 특성인 생체적합성

을 위해서 다음과 같은 조건들이 충족되어야 한다.

ⅰ) 생체안정성(Biostability)은 생체 내에서 발

열반응, 염증반응, 면역반응(항원성), 세포

의 위해성 및 독성, 그리고 발암성 등과 같

은 부작용을 초래하지 않는 것을 말한다.


20 공업화학 전망, 제13권 제6호, 2010

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

∙ Titanium

∙ Stainless steels

∙ Co-Cr alloys

∙ Gold

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

∙ PMMA

∙ Nylon

∙ Silicones

∙ Teflon

∙ Dacron

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹

(Ceramics)

∙ Aluminum Oxide Carbon

∙ Hydroxyapatite

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

∙ Carbon-carbon

∙ Carbon-Ti

∙ HApolymer

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

Table 1. 의료용으로 사용되는 재료의 종류, 장단점 및 응용 예[6]

Figure 4. 의용생체재료의 재료의 근원에 따른 분류[4].

ⅱ) 생체적합성(Biocompatibility)은 기계적 강

도, 마모, 탄성, 취성 등이 주변 생체조직과

비슷하여야 하며 체내에서 변형되지 않는

것을 말한다.

ⅲ) 계면친화성(Interfacialcompatibility)은 생체

조직과 화학적 결합을 통한 일체화 또는 직

접 결합하지 않으면서 부작용이 발생하지

않아야 되는 것을 말한다.

2.2. 의용재료의 종류

의용재료는 재료의 근원에 따라 천연재료와 인

공재료로 구분되고, 의용인공재료는 금속, 고분자,

세라믹, 복합재료로 분류된다(Figure 4).

Table 1은 앞서 언급한 재료의 종류와 장단점,

그리고 응용 예를 보여준다. 금속과 세라믹은 치

과 및 의학 분야에 공통적으로 사용되지만 재료의

특성이 매우 달라서 이용되는 분야는 다르다. 금

속재료나 세라믹 재료는 고분자 재료에 비해 영률

과 경도 등이 좋아서 비교적 연한 부위보다는 단

단한 조직인 뼈, 치아와 같은 부위의 대체 재료로

많이 이용된다. 그리고 세라믹은 금속재료에 파괴

인성이 낮아 취성을 나타내는 성질을 가지고 있어

서 단단한 부위인 경조직 중에서도 기계적 하중을

크게 받지 않는 부위에 사용된다.

모든 인체 내에 삽입되는 의용재료는 인체의 조

직과 장기간 접촉되어 사용되므로 인체에 대한 안

정성을 나타내는 지표인 생체적합성에 위배되지

않아야 된다[5]. 생체적합성은 인체 내에 삽입된

재료 주위의 생체조직의 세포분열을 방해하지 않

고, 급성 또는 만성 염증 반응을 일으키지 않는 것

을 말한다. 이 생체적합성은 크게 세 가지로 분류

할 수 있고, 이러한 성질들을 모두 만족해야 인체

에 안전한 의용재료로 사용될 수 있다.

ⅰ) 생물학적 친화성(biological compatibility)은

독성, 염증 야기성, 면역성, 응혈성, 발암성

등을 일으키지 않는 것이다.

ⅱ) 화학적 친화성(chemical compatibility)은 흡



분야 최종응용제품

바이오센서 및 생명공학

흉부외과

일회용품

약물전달/인공장기

치과

안과

정형외과

위생용품

일반외과

성형외과

체내 및 체외에서 여과 정제용 분리막, 세포배양기, 검진기 효소 및 세포 고정화 기재

인공혈관, 심장판막, 인공심장

카테타, 주사기, 수술 장갑류, 각종 벤디지, 지혈제

경구, 피부투여용, 각종 서방 의약품, 인공췌장, 합성 산소 운반체, 인공신장, 인공심폐기

인공치아, 잇몸 인공턱, soft tissue

콘택트렌즈, 백내장용렌즈, 인공수정체, 생체접착제, 인공안구

인공관절, 인공힘줄, 뼈고정용 plates와 screws

일회용품, 각종 기저귀류, 위생용품

봉합사, 붕대, 화상치료제, 봉합용 staples, 생체접착제, 카테타

안면보전제, 인공유방, 피부, 코, 귀

Figrue 5. 의용생체재료가 인체에 사용되는 예.

Table 2. 각 분야에서 의용재료가 응용되어 사용되는 예[6]

수성, 흡착성, 열화성, 내효소성, 용출성, pH

등을 일으키지 않는 것을 말한다.

ⅲ) 기계적 친화성(mechanical compatibility)은

강도, 영률, 피로강도, 경도, 마모, 비중 등

의 성질을 말한다.

의용재료란 금속(metals), 세라믹(ceramics), 고

분자(polymers), 복합재료(composites)에 대한 기

초 공학을 바탕으로 응용공학(생체공학, 화학공학,

기계공학 등) 분야에 의해 의료용으로 사용하기

위한 기구의 목적으로 개발되며 기초의학적인 검

증과정을 통해 생체에 대한 안정성이 확인되고 임

상적으로 생체적합성이 검증된 후 사용되는 재료

를 말한다. 의료용 일회용품을 비롯하여 정형외과,

성형외과, 심장 및 혈관외과, 피부비뇨기과, 안과,

뇌신경외과, 치과재료, 세포배양 등의 생체공학 등

에서 광범위하게 응용되고 있다(Figure 5). Table

2는 의용재료의 각각의 적용 분야별로 최종적으로

응용될 수 있는 것들의 예시를 보여주는 것으로

정형외과, 치과 등에서 사용하는 금속이나, 세라믹

재료로 구성된 생체 경조직용 재료와 인공심장,

인공혈관, 투석막, 혈장분리막 등에 사용되는 합성

고분자재료 및 생체조직을 처리하여 사용하는 생

체고분자재료 등이 있다.


22 공업화학 전망, 제13권 제6호, 2010

연도 발전 내용

18세기말∼19세기

1860년∼1970년

1886년

1893년∼1912년

1912년

1924년

1926년

1931년

1936년

1938년

1939년

1946년

1940년대

1947년

1952년

1958년

1960년

1970년대

1985년

골절된 뼈를 고정시키기 위한 다양한 금속기구(FE, Au, Ag, Pt으로 만든 금속선, 핀 등)

무균 외과 기술

Ni Steel로 만든 뼈 골절 고정용 플레이트

금속나사와 플레이트(Lane 골절 플레이트)

바나듐강(Vanadium Steel) 플레이트(부식 및 함몰을 줄여 의학용으로 처음 제조)

Co, Cr, Mo를 합금한 Stellites의 소개

18-8sMo 스테인스강의 소개, 대퇴부 Neck 골절에 사용되는 Carpenter 나사

스테인리스강으로 대퇴부 Neck 골절고정기구를 처음으로 만들어 냄

비탈리움(Vitalium: 19-9 스테인레스강) 소개, 치과 외과용으로 사용

전 대퇴부 대치술

탄탈(백금 대용물질) 소개

의공학적으로 처음 만들어진 대퇴두(Head)대치술 관절대치에 사용된 첫 번째 플라스틱(PMMA)

각막대치에 아크릴(PMMA)을 처음으로 사용함

티타늄과 티타늄 함금을 처음으로 소개

내부에서 조직이 성장되는 섬유로 만든 첫 번째 성공적인 혈관대치

첫 직접 심장 자극 성공, 전 대퇴부 대치술에서 아크릴 뼈 접착제의 첫 사용(D. Smith의 방법)

첫 상업적 심장밸브

전 심장 대치

콜라겐 피부(collagen Skin)

Table 3. 의용재료의 발전과정[7-9]

2.3. 의용재료의 발전과정

재료가 의료적인 측면으로 발전되어온 과정을

보면 Table 3과 같다. 초기의 재료의 의학적 응용

은 금속재질의 재료가 주로 사용되었고, 금속의

부식으로 인하여 인체 내 주위 조직에 피해가 가

는 것을 방지하기 위해 각종 합금이 발달되었고,

생체적합성이 뛰어난 세라믹 재료가 사용되기 시

작하였으며, 20세기 중반에는 고분자 재료가 사용

되기 시작하였으며, 최근에는 인체 내에 천연적으

로 존재하는 세포의 기질을 사용하여 주위의 조직

이 재생될 수 있도록 만들어 주는 방법이 연구 개

발되고 있다.

3. 의용재료의 종류

3.1. 의용금속재료(Metals)

사람의 뼈와 치아, 관절과 같은 경조직(hard

tissue)은 노화하거나 손상부위가 클 경우 완전한

재생이 어렵고 재생속도가 느려 심한 고통과 불편

을 겪게 된다. 이 경우 인공경조직을 삽입하여 시

술하게 되며, 체내에 삽입되므로 인체조직과 최대

한 가까운 소재로 구성된 의용재료를 사용해야 한

다. 이때 주로 사용되는 금속재료는 세라믹스, 고

분자 등 타 재료에 비해 강도, 피로저항성, 성형가

공성 등이 우수하여 인공고관절(artificial hip joint),

무릎관절(knee joint), 플레이트(bone plate), 스크

류(screw), 척추추간판 고정기구(spinal fixation),

치과용 임플란트(dental implant) 등과 같은 경조

직 대체용 의용재료로 주로 사용되고 있다[10]. 현

재 인체에 사용되고 있는 금속재료로 가장 많이

사용되고 있는 스테인리스강, 코발트 합금, 타이타

늄 합금 등은 다른 금속재료에 비해 내식성이 우

수하고, 인체 조직 내에서도 안정한 특성을 보여

혈관을 확장시켜주는 스텐트(stent), 인공심장판막

(heart valve), 심장박동기(pace maker) 등의 핵심

소재로 다양하게 사용되고 있다(Figure 6).

3.1.1. 의용금속재료의 조건

의용금속재료로서 크게 두 가지의 조건을 만족

해야 한다. 첫째로 생체적합성이 우수해야 한다.

이 식물에 사용되는 모든 금속(Fe, CR, Co, Ni, Ti,

Mo)은 생체 내에서 극소량으로 존재할 경우에는

거부반응을 일으키지 않는다. 그러나 다량의 금속

은 생체 내에서 거부반응을 일으키며 이로 인해

이식금속은 부식하여 원래의 특성이 변하게 되어

기계적 강도가 떨어지게 되고, 또한 부식물질이



(a) 골절부위에 사용되는 금속재료의 예

(b) Medical tubing (c) Catheter

(d) Stents (e) hip joints

Figure 6. 금속재료가 의료용으로 사용되는 예.

주위조직으로 침투하여 심각한 부작용을 일으킬

수 있다. 이러한 부작용이 나타날 수 있는 금속 이

식물을 제작할 경우 금속재료의 생체적합성을 해

결해야 된다. 둘째로 인체부위의 기능 수행에 있

어 무리가 없어야 한다. 기계적 성질(강도, 마모,

탄성, 취성, 내구성, 비열화)이 우수하고 동시에 체

내에서 물성의 저하가 없어야 한다. 그리고 사용

부위에 따른 필요기능 및 사용시간에 따라 요구되

는 특성을 충분히 만족해야 한다. 이러한 이유로

단일 원소로 구성되어 있는 순금속을 거의 사용하

지 않는다. 그 이유는 부식으로 인하여 인체 내에

서 부작용으로 해롭기 때문이다. 그래서 생체적합


24 공업화학 전망, 제13권 제6호, 2010

성을 향상시키고 좀더 효율적이고 특성이 우수한

합금재료를 의용금속재료로 사용한다.

3.1.2. 의용금속재료의 종류

3.1.2.1. 스테인리스강(stainless steel)

스테인리스강의 주성분은 Fe + Cr + Ni + Mo

이며 자성을 갖지 않는 특성이 가진다. 이식물로

최초로 사용된 스테인리스강은 Cr(18%)-Ni(8%)

으로 이 재료는 바나듐강보다 기계적인 강도와 부

식에 강한 장점을 가지고 있어 뼈를 고정하는 뼈

플레이트에 이용되었다. 의료용 스테인리스강은

임시적인 뼈 플레이트, 나사, 못 등으로 주로 사용

된다[11].

3.1.2.2. Co-Cr 합금

의료용으로 사용되는 Co-Cr 합금은 높은 내마

모성과 체액과 생리적 부하에 대한 내부식성이 우

수하다는 특성을 지닌다. 일반적으로 하중이 많이

걸리는 대퇴부와 무릎관절의 축으로 사용되고, 치

과재료의 주조에 많이 사용된다. 그리고 최근에는

인공관절의 주조에 많이 사용되고 있다.

3.1.2.3. 티타늄(Ti) 및 티타늄 합금

티타늄은 공업적으로 1937년에 실용화되었고,

1947년 J. Cotton에 의해서 생체재료로 처음 사용

되었다. 티타늄과 티타늄 합금은 비중과 탄성계수

가 다른 생체금속재료에 비해 약 절반 수준이다.

이것은 강도가 높으면서 탄성계수가 다른 금속들

보다 자연적인 뼈의 탄성과 가깝다는 것을 의미한

다. 그리고 표면이 산화막으로 피복되면 금속이온

이 유출되지 않기 때문에 우수한 내식성을 가지고

있고, 스테인리스강의 결점인 응력부식이 거의 없

다는 장점을 지닌다. 또한 산화막을 형성하여 부

식에 강하기 때문에 의용재료로 인공관절, 인공치

근, 금속나사, 핀, 와이어 등과 같은 고정 장치로서

쓰인다[12,13].

3.1.2.4. 형상기억합금

형상기억합금이란 일정한 형상을 기억하여 힘

을 가해 변형시키거나 마텐자이트(martensite) 변

태점 이하의 온도에서 변형시키더라도 온도상승

과 함께 본래의 기억된 형태로 복귀하는 성질을

가진 금속이다. 이러한 장점을 이용하여 의료용으

로 치과교정용 와이어, 응혈제거용 필터, 척추측만

증 교정용 폴(pole) 등이 있으며 형상기억효과와

초탄성특성을 이용하여 골절을 정복하기 위한 의

료기기 개발이 활발하다[14-16].

3.2. 의용세라믹재료(Ceramics)

세라믹은 고온으로 열처리하여 만든 비금속의

무기질 고체재료를 통틀어 이르는 말로, 금속에

의존해왔던 여러 의용재료들을 세라믹제재로 대

체하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이전에

는 구조재의 물리적 향상에 관심이 많았으나 최근

에는 심미성이나 조작성은 물론 생물학적인 기능

성이 주요시되어 재료의 생체에 대한 위해성 및

친화성을 더 많이 고려하고 있다. 세라믹이 치과

재료 및 안과에서 콘택트렌즈로 오래 전부터 이용

되었으나 최근에는 세라믹을 이용한 인공 뼈와 같

은 재료로 많이 상용되고 있다[17-19]. 1960년대

초부터 바이오세라믹스의 기초연구가 시작되어

골수복재, 인공치근 및 치아, 인공관절, 인공신장

등 골 대체용 소재로 이미 실용화되어 있다. 알루

미나, 수산화아파타이트, 글라스 세라믹스, 카본

등이 이미 대표적인 바이오세라믹스로 상용화 되

어있다(Figure 7).

3.2.1. 의용세라믹재료의 종류

3.2.1.1. 알루미나 - Alumina (Al2O2)

1960년대 초기 치아와 유사한 색조를 가지는 알

루미나는 치관수복제로 세라믹 중에서 인체에 가

장 먼저 사용되었다. 그 후 내마모성과 생체 내 안

정성의 우수함이 밝혀져 1974년 Boutin에 의해 인

공관절에 이용하려는 본격적인 시도로 인공치근

으로까지 발전하여 실용화되었다. 높은 친수성으

로 표면에 수막을 형성하여 내마모성, 저마찰, 윤

활특성, 생체 안정성의 특성을 갖는다.



Figure 7. 세라믹재료가 의학적으로 사용되는 예(Artificial bone, femoral head and cup, dental crown, hip bearing 등).

3.2.1.2. 지르코니아 - Zirconia (ZrO2)

순수한 지르코니아는 지르콘(Zircon)의 화학적

치환으로부터 얻는 무기질 침전물로 용융점이 높

고 화학적으로 안정적이다. CaO, Y2O3 등을 첨가

하여, 기존의 세라믹이 가지지 못한 인성을 얻을

수 있다. 지르코니아 자체가 생체안정성이나 친화

성을 가지고 있지만, 점차 강도가 저하되는 현상

이 있기 때문에 장기간 충분한 강도를 유지할 수

있는 방법이 연구되고 있다.

3.2.1.3. 수산화아파타이트(수산화인회석) -

Ca10(PO4)6(OH)2

척추동물의 경조직에 다량으로 함유되어 있는

성분으로 인공적으로 제조할 경우에도 새로운 뼈

와 견고하게 결합하는 특성을 지닌다. 주로 인공

뼈의 재료로 많이 연구되며 뼈나 이의 무기질은

수산화인회석 결정과 비슷한 칼슘과 인회석으로

만들어졌다. 이 물질은 뼈에서 콜라겐이나 폴리사

카라이드와 같은 유기질을 제거함으로써 얻을 수

있다. 수산화아파타이트는 골 유착성 세라믹제로

생체 내 활성형, 높은 취성과 우수한 생체친화성

으로 생리적 부하가 많은 부위에 사용된다.

3.2.1.4. TCP (Tricalcium Phosphate)

생체흡수성 세라믹스로 인체 내에서 용해되어

흡수되는 속도를 조절할 수 있다. 분해 속도가 매

우 빨라서 용해도가 매우 낮은 수산화아파타이트

와 혼합하여 사용함으로써 흡수 속도 조절이 가능

하다. 이러한 흡수성 세라믹은 복합재료의 충진재

로 사용하여 오랜 기간에 걸쳐 뼈가 안정적으로

채워지게 되는 공간으로 변형되기도 한다. 장기적

인 부작용의 가능성이 없다는 장점을 가진다.

3.3. 의용 합성고분자재료(Synthetic Polymers)

의용 합성고분자는 무수히 많은 단위분자가 서

로 화학적 결합으로 형성되는 유기물질이다. 결합

하고 있는 분자의 수가 증가할수록 고체화되는 특

성을 가지고 있다.

Figure 8과 같이 의료용으로 IV set, 카테터, 캐

뉼라, 일회용 주사기, 의료용 봉합사, 인공 관절,


26 공업화학 전망, 제13권 제6호, 2010

(a) 인공관절 (b) 골 접착제

(c) 의료용 봉합사 (d) IV set

Figure 8. 의용고분자재료가 의학적으로 사용되는 예.

인공 피부, 인공혈관, 골 접착체와 같은 형태로 응

용되어 사용된다[20,21]. Table 4는 의료적으로 사

용되고 있는 고분자의 대표적인 사용 예를 보여준다.

3.3.1. 의용 합성고분자재료의 종류

3.3.1.1. 폴리비닐크로라이드(PVC,

Polyvinylchloride)

범용합성수지의 하나로서 폴리염화비닐로 불린

다. 값이 저렴하고 강도가 크며 특히 가소제와 잘

혼합된다. 디옥틸프탈레이트(DOP)가 대표적인 가

소제이며 연산 PVC 제품을 사용하였을 경우에 인

체 속으로 녹아 나오므로 그 유해성 여부가 꾸준

히 제기되고 있지만, 유해하다는 증거로 밝혀진

사례는 없다. 부드러운 필름으로부터 딱딱한 파이

프, 시트, 튜브, 혈액백(수혈용 주머니)으로 가공된

다. PVC 시트(sheet)나 필름은 혈액이나 각종 용

액의 용기와 Surgical paking에 사용되며, PVC

tubing은 주로 IV set, 투석장치, 카테터, 캐뉼라

등에 사용된다.

3.3.1.2. 폴리프로필렌(PP, Polypropylene)

대표적인 범용합성수지로 담배포장 필름, 포장



고분자 의학적 적용 예

Polyvinylchloride (PVC)

Polyethlene (PE)

Polypropylene (PP)

Polymethylmethacrylate (PMMA)

Polystyrene (PS)

Polyethylenterephthalate (PET)

Polytetrafluoroethylene (PTFE)

Polyurethane (PU)

Polyamide (Nylon)

혈액 및 용액의 Bag, Surgical packing, IV sets, 투석장치, 카테터 bottle, 콘넥터, Cannulae 등

약제용 병, Nonwoven fabric, 카테터, Pouch, Flexible 용기, Orthopedic implants 등

일회용 주사기, 혈액 Oxygenator Membrane, 봉합사, Nonwovenm fabric, 인공혈관 등

혈액 펌프 및 Reservoirs, 혈액투석 멤브레인, 뼈접착제, Implantable ocular lens 등

Tissue culture 플라스크, Roller Bottle, Filterwares

이식용 봉합사, Mesh, 인공혈관, 심장판막밸브

카테터, 인공혈관 등

필름, 튜빙, 각종 부속물 등

포장필름, 카테터, 봉합사, Mold part 등

Table 4. 의용 합성고분자의 의학적 적용 예[22]

필름, 생활가구뿐 아니라 자동차 내장재 등 산업

용으로 다양하게 쓰이고 있다. 폴리프로필렌은 높

은 유연수명(Flexlife)의 특성을 가지고 있기 때문

에 인조손가락의 관절용 경첩(Integrally model

hinge) 등에 이용된다.

3.3.1.3. 폴리아마이드(Nylons, Polyamide)

나이론으로 잘 알려져 있는 폴리아마이드는 단

계반응이나 개환반응으로 고분자화된다. 체인 내

부의 수소결합과 높은 결정화도 때문에 길이방향

으로 강한 특성이 있어서 좋은 섬유적 특성을 지

니고 있다. 체내에서는 물 흡수성 때문에 수소결

합이 파괴되는 성질이 있어서 생물 분해성 응용인

흡수성 봉합사 등에 이용된다.

3.3.1.4. 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA,

Polymethylmethacryulate)

상온에서 쉽게 중합반응이 일어나서 뼈 접착제

(Bone cement)의 주원료가 되며 치과용 임시치아,

치아 접착제, 골 접착제, 하드 콘텍트렌즈 등으로

사용된다. 투명도가 뛰어나고 굴절률이 높고 화학

반응에 강하며 생체적합성도 우수하다.

3.3.1.5. 실리콘(Silicon)

규소계 합성고무로서 열적, 화학적으로 가장 안

정한 상태이다. 우수한 내열성, 전기절연성, 발수

성, 불휘발성, 내열화성의 특성이 있으며 생체에

대한 안정성이 우수하여 튜브 이외에도 인공 귀,

인공 코, 인공 유방 등 정형외과, 성형외과에서도

쓰인다. 특히 실리콘 고무(silicon rubber)는 비이

물형 생체친화성과 더불어 뛰어난 점탄성으로 의

료용 재료로 널리 사용된다.

3.4. 생체고분자재료(Biological Polymers)

의용재료로서의 고분자 재료는 원래 공업용 목

적으로 중합, 합성시킨 것이 의료 목적으로 사용

되는 것을 말한다. 의용 의용재료는 반드시 인공

으로 합성된 재료뿐만 아니라 단백질처럼 생체에

서 유래된 재료 또한 포함되며, 고분자공학의 발

달로 천연단백질 이상의 인공단백질의 설계와 합

성도 가능하게 되었다. 고분자 재료가 의용재료로

사용되기 위한 필수 조건은 생체적합성(biocompa-

tibility)으로 혈액과 접촉하는 경우의 혈액적합성

(blood compatibility)과 혈액이외의 생체조직이나

세포와의 세포조직 적합성(cell, tissue compatibi-

lity)으로 나눌 수 있다. 고분자 재료가 생체조직에

악영향을 미치지 않고 원하는 기능을 발휘할 수

있다면 이 재료는 생체적합성이 좋은 것이라 할

수 있다. 그러나 고분자 재료를 생체조직에 삽입

하면 여러 가지 조직 반응을 일으키기 때문에 아

무리 기능이 우수하더라도 생체적합성에 위배되

면 사용될 수 없다. 예를 들면 생체 내의 고분자

재료표면에 형성된 혈전이 인공장기의 기능 부전

을 가져오고 또한 혈류에 의해 탈리한 유리 혈전

이 뇌혈전증 등의 합병증이 원인이 된다.


28 공업화학 전망, 제13권 제6호, 2010

3.4.1. 생체고분자재료의 종류

3.4.1.1. 콜라겐(collagen-교원질)

교원질은 동물조직의 기본단위로서 조직의 형

태를 유지하는 구조체이다. 세포분열은 세포외기

질을 근본으로 기질 간의 접촉이 이루어진 후에

발생하므로 인공적으로 세포의 분화기능을 촉진

하고 분해기능을 억제하면 세포의 성장과 증식이

유리하다.

열변성체인 젤라틴(gelatin)이나 견고한 크로스

링크(cross-link) 유도체(chemical irradiation)에서

도 세포접착능력을 유지하므로 세포배양기질, 인

조혈관, 인조피부, 인골골 등 거의 모든 조직공학

에서 기본물질로 사용된다.

3.4.1.2. 다당질

키틴(Chitin)은 다당질 가운데 의용생체재료로

이용하기 위해 가장 관심을 가지는 것으로 셀룰로

오스(Cellulose)를 구성하고 있는 d-glucose의 C-2

자리에 있는 수산기를 아세트아미드(Acetamide)

기로 치환한 것이다. 이는 물이나 열에 의해 녹지

않고, 세균의 세포막구성 성분 중의 하나이고, 동

물의 체내에서 소화는 되지만, 사람의 소화기 내

에서는 거의 분해되지 않는 특성을 가진다. 또한

생체 내에서 급성독성이나 발열반응이 없고, 용혈

시험에서도 매우 안정된 반응을 보이는 등 생체친

화성이 뛰어나다.

4. 의용재료의 시장 동향 및 전망

의료용 소재 관련 기술시장은 전 세계적으로

2001년 기준 8,000억 달러에 이른 것으로 보고되

었으며, 그 증가추세가 매우 크다.

미국에서는 정형외과 분야에서만 조직이식(im-

plant)과 관련된 의료기구, 재료 등의 시장규모가

이미 1991년에 20억 달러를 넘어섰다. 이 가운데

금속재료의 인공관절 시장이 13억 달러로 전체시

장의 약 60% 이상 큰 비중을 차지하고 있고, 각종

외상 치료제가 3억 4천만 달러, 의료시술용 기구

가 2억 6천만 달러 순이었다. 2002년에는 의용재

료 시장이 약 60억 달러에 달한다. 그리고 매년 미

국에서 행해지고 있는 약 360만 회의 이르는 정형

외과 수술의 40% 정도가 금속이식과 관련된 것으

로 골절된 뼈의 접합이나 손상된 무릎, 엉덩이 등

의 인공관절 치환술이 그 예이다. 이 밖에도 금속

재료는 의치나 치아교정에 사용되는 치과재료와

기형적인 턱을 교정시키는 재료, 인공장기의 부품

으로 사용되고 있다.

우리나라에서도 매년 많은 인공관절이나 인공

장기의 수술이 시행되고 있지만, 생체용 금속재료

에 관한 연구개발은 아직도 초보적인 수준을 벗어

나지 못하고 있어 막대한 금액의 임플란트 관련재

료를 거의 수입에 의존하고 있는 실정이다.

국가과학기술위원회는 21세기 선도 기술 로드

맵 자료 중에서 생체재료를 이용한 인공장기의 세

계 시장규모는 2002년 6억 달러에서 2005년에서

8,400억 달러, 2012년에는 2조 달러로 폭발적인

증가를 나타낼 것으로 전망하고 있다(Table 5).

현재까지의 기술개발 동향을 살펴보면, 인공장

기 및 생체재료 관련 국내 기술개발은 1995년 이

후 활성화 되고 있다. 1980년대 인공심장 개발에

이어 1990년대 중반 이후 산업화가 시급하고, 비

교적 기술적 장애가 낮은 제품을 필두로 개발이

진행되고 있으나, 선진국에 비해 전반적으로 기술

수준이 뒤떨어지며(약 50% 수준, 2001년 보건의

료기술평가단 자료 참고), 산업체 및 전문 인력의

부족 등 전반적인 기반이 취약한 실정이다. 그리

고 의료기관의 질병 치료분야에 광범위하게 적용

되는 의용생체재료 분야에 대한 국가적 차원의 지

원 필요성이 대두되고 있고 향후 국내 원천기술

확보를 위한 연구 사업이 보다 활성화될 것으로

예상된다(Figure 9).

5. 맺음말

생명연장의 꿈을 실현하기 위해서는 인간의 생

체에 적합한 재료를 활용하여 장기 및 피부 등과

같은 대체물의 개발이 필수적이다. 국내의 장기이

식 대기자는 2002년 10,144명으로 그 중에서 각



제품구분 시장 2002년 2012년

인공장기 및

생체적합성재료 개발

세계시장 300,000백만(달러) 1,000,000백만(달러)

한국시장 2000백만(원) 20조(원)

바이오 인공장기세계시장 610백만(달러) 2,000,000백만(달러)

한국시장 - 10조(원)

세포 및 조직의 인공배양기술세계시장 100백만(달러) 100,000백만(달러)

한국시장 5조(원)

Table 5. 바이오인공장기 국내외 제품시장 전망[23]

Figure 9. 의료용 재료의 국내외 기술수준[23].

막, 골수 이식 대기자 4,987명을 제외하면 신장

4,005건, 심장 117건, 간장 893건, 췌장 106건, 폐

36건으로 전체 5,157건에 달한다. 이 중에서 장기

이식 수술을 받은 경우 2002년 국내 뇌사자에 의

한 신장이식 70건, 간이식 28건, 심장이식 11건,

폐 이식 2건, 췌장이식 8건으로 총 119건인데, 이

것은 장기이식 대기자의 1%를 겨우 넘는 수준이

다. 따라서 장기이식을 원하는 많은 환자들의 수

요를 충족시키기 위하여 인공관절을 비롯한 의료

용구의 개발이 필수적이다.

인체에 대체 재료로 사용되는 대부분이 경조직

에 관련된 것이며 이의 주류가 되는 인공 고관절,

인공 무릎관절과 인공치아이다. 이러한 재료는 안

정하고 튼튼하나 마모와 생체와 어떤 반응도 없어

서 이질적 재료로 인체 내에 남아있어 재수술을

해야 하는 문제점과 이에 따르는 고비용과 고통이

따른다. 생체친화적인 재료를 임플란트 하거나 이

식하면 이러한 재료들이 새로운 조직을 만들고 생

성된 조직이 제 역할을 하고 인체 내에서 염증반

응과 같은 부작용이 없이 소멸된다면 이식된 생체

재료는 성공적일 것이다.

바이오산업 분야는 선택이 아니라 필수이며, 생

체재료 분야의 인력과 장비 인프라 구축에 전폭적

인 투자가 필요하다. 또한 재료 분야의 전문 인력

과 장비 인프라 구축에 대한 전폭적인 국가적인

투자가 절실히 필요하다. 그리고 생체재료의 제조

및 평가 기술을 표준화하고 새롭게 개발되는 의료

용구의 인증 및 관리 체제의 정비가 시급하다.

국내 의용재료 관련 산업의 큰 문제점은 의료기

기 분야의 산업화에 대한 전반적인 이해가 부족한

것을 들 수 있다. 의료용 분야의 장기적인 연구개

발 투자에 익숙하지 않아 중도에 포기하거나 외국

의 제품을 수입하거나 기술을 들여와 제조하여 단

기간 내에 수익을 내려는 것과, 의료시장 분야의

유통구조에 익숙하지 않고, 선진국의 다국적기업

에 비하여 판매망도 작고 규모면에서 경쟁이 되지

않는다. 또한 제품개발에 대한 창의적이고 진취적

인 사고가 부족하고, 실질적인 사업화보다는 실적

위주의 연구개발이 많은 것이 현실이다. 이러한

문제점이 해결된다면 의료용 재료에 대한 기술 발

전으로 말미암아 질병 및 노화, 외상으로 인하여

고통 받는 사람들에게 보다 좋은 환경의 의료서비

스를 제공할 수 있을 것이고 삶의 질 향상에 기여

할 것으로 전망된다.


30 공업화학 전망, 제13권 제6호, 2010

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정 구 인

2008 건국대학교 의학공학부 학사

2010 건국대학교 의학공학부 석사

현재 건국대학교 의학공학부

박사과정

김 지 선

2009 건국대학교 의학공학부 학사

현재 건국대학교 의학공학부

석사과정

최 주 현

2009～현재 건국대학교 의학공학부

학사과정

전 재 훈

1986 고려대학교 화학공학과 학사

1993 MS. chemical Engineering,

Texas A&M University,

College Station, USA

2001 Ph. D, Biomedical Engi-

neering, Texas A&M,

College Station, USA

2001～2004 Research Associate,

Biomdedical Engineering,

VCU-MCV Campus, Virginia,

USA

2004～2008 건국대학교 의학공학부

부교수

2008～현재 건국대학교 의학공학부

부교수



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