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바이오 인공장기

2002. 12

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머 리 말

과학의 발전에 힘입어 우리는 첨단기술이 고도로 발달한 시대에 살고 있습니다 모든 과학.

분야에서 특히 생명의 신비를 탐색하는 생명과학은 금세기에 접어들어 다른 분야와 비교가,

안 될 정도로 급속도로 발전하고 있습니다 그 하나가 최첨단 생물과학의 지식 정보 그리. ,

고 기술을 토대로 한 생명공학 의 탄생입니다(biotechnology) .

현대의학과 생명공학의 발전은 신체조직과 장기의 손상을 극복하기 위한 다양한 노력에 초

점이 모아지면서 인공장기의 개발이 이루어졌고 세기에는 세포조직 공학적 바이오 인공21

장기의 개발이 실현됨으로써 우리는 이제 인간 스스로 육체를 창조할 수 있으리라는 꿈을

가지게 되었습니다.

년대 초반까지 인공장기는 금속 세라믹 실리콘 등의 소재를 사용하여 기계적으로 만1990 , ,

들어진 것들이었으며 전기적으로 움직이는 인공심장 세라믹으로 만든 인공관절 실리콘으, , ,

로 생산한 인공 피부 등이 사용되었습니다 그러나 세포공학 조직공학기술이 발전하면서. ,

자신 혹은 타인의 세포를 조작 변형 배양하는 첨단 기술을 이용해 인공 장기를 제조할 수, ,

있는 기술이 확보됨으로써 바이오 인공장기의 개발이 성공적으로 이루어졌습니다 우리나라.

도 조직공학을 이용한 인공연골 개발에 성공함으로써 미국에 비해 뒤지긴 했지만 국가경쟁

력을 갖추게 되었습니다.

- 3 -

이와 같이 인공장기의 개발은 많은 기술적 어려움에도 불구하고 현대과학기술의 눈부신 발

달로 많은 부분이 실현 가능해졌으며 앞으로도 발전가능성이 무궁무진한 분야로 인식되고,

있습니다 현재 인공장기 및 인공조직으로 대체할 수 있는 인체부위는 약 군데이며 연구. 50 ,

자들은 세포조직공학 기술의 발전으로 세기에는 뇌와 중추신경을 제외한 인체 주요부분21

을 모두 대체할 수 있을 것으로 전망하고 있습니다.

본 보고서는 국내 보건의료분야의 핵심유망기술로 부각되고 있는 바이오 인공장기에 대한

연구개발 동향분석 특허정보 분석 산업 및 시장분석 내용을 담아 관련 기업 및 개발자들, ,

에게 연구방향 신기술추이 그리고 곧바로 에 적용될 수 있는 심층분석 자료를 제공하, R&D

여 국내 산업발전을 가속화 하는데 도움이 되고자 하였습니다.

끝으로 본 보고서는 손은화 연구원 강현무 선임연구원 김은선 연구원과 성균관대학교 김, ,

경란 박사가 공동집필한 것으로 노고에 깊이 감사를 드리며 수록된 내용은 연구자 개인의, ,

의견으로서 한국과학기술정보연구원의 공식의견이 아님을 밝혀두고자 합니다, .

년 월2002 12

한국과학기술정보연구원

원 장 조 영 화

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목 차

제 장 서 론1

연구의 배경 및 필요성1.

연구의 목적2.

연구의 방법3.

제 장 인공장기의 기술개발동향2

인공장기의 개요1.

가 인공장기의 정의.

나 인공장기의 개발배경.

다 인공장기의 분류.

인공장기의 특성2.

가 인공장기의 법제규제.

나 인공장기의 기능.

인공심장(1)

인공신장(2)

인공혈관(3)

인공피부(4)

인공관절 연골 뼈(5) , ,

인공간 인공췌장(6) ,

인공장기의 연구개발 동향3.

가 인공심장.

나 인공신장.

- 5 -

다 인공혈관.

라 인공피부.

마 인공관절 뼈 연골. , ,

바 인공간 인공췌장. ,

인공간(1) ( )肝

인공췌장(2)

사 기타.

국내기술동향4.

가 인공심장.

나 인공신장.

다 인공혈관.

라 인공피부.

마 인공관절 연골 뼈. , ,

바 인공간 인공췌장. ,

기술의 전망5.

제 장 기술 특허 정보 분석3 ㆍ

기술문헌정보 분석1.

가 분석방법.

정보분석 대상(1) DB

분석범위 및 방법(2)

나 인공장기의 문헌정보 동향.

기술문헌 발표건수 추이(1)

국가별 현황(2)

주요 저자 및 연구기관 현황(3)

기술분야별 동향(4)

주요 저널의 현황(5)

특허정보 분석2.

가 분석의 범위 및 방법.

나 인공장기의 특허출원동향.

전체 특허동향(1)

국내특허동향(2)

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해외특허동향(3)

기술문헌 및 특허출원 전망3.

제 장 시장동향 분석4

산업의 개요 및 특성1.

가 산업의 개요.

나 산업의 특성.

산업환경 분석2.

가 외부 환경분석.

나 시장 기회요인과 위협요인 분석.

시장 기회요인(1)

시장 위협요인(2)

국내외 시장동향 분석3.

가 세계시장 동향분석.

세계(1)

미국(2)

일본(3)

나 국내 시장 동향분석.

시장규모(1)

업체 동향(2)

다 수요예측.

세계시장(1)

일본(2)

국내(3)

제 장 결 론5

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표 목 차

표 인공장기에 사용되는 생체재료에 의한 분류< 2-1>

표 인공장기의 분류< 2-2>

표 인공심장의 분류< 2-3>

표 인공혈관의 분류 및 적용범위< 2-4>

표 인공피부의 분류< 2-5>

표 질환별에 대한 인공장기의 연구와 응용< 2-6>

표 인공심장의 개발 생산업체 현황< 2-7> /

표 혈액투석막 제조회사별 개발현황< 2-8>

표 인공혈관개발 방향< 2-9>

표 인공피부의 종류< 2-10>

표 인공피부의 산업체 기술개발동향< 2-11>

표 바이오 인공간의 비교< 2-12>

표 국내 인공피부를 제조하는 회사 및 연구기관< 2-13>

표 국내 인공관절을 제조하는 회사< 2-14>

표 수록 분야< 3-1> COMPENDEX

표 문헌정보 검색식< 3-2> DB

표 분류코드< 3-3> COMPENDEX (CC: Classification code)

표 특허분석에 이용된 데이터베이스< 3-4>

표 바이오 인공장기의 개발상황 및 판매 예정시기< 4-1>

표 생체재료를 이용한 바이오 인공장기 세계시장 전망< 4-2>

표 년 미국에서의 장기 이식수< 4-3> 1998

표 미국에서의 인공피부의 용도 및 대상자의 규모< 4-4>

표 인공관절의 미국 및 세계 시장규모< 4-5>

표 바이오 인공장기 기업 개요< 4-6>

표 대표적 조직공학 관련 회사의 중점 추진 분야< 4-7>

표 일본의 인공피부 관련 시장규모< 4-8>

표 일본의 바이오 인공장기 관련 주요 연구기관 및 내용< 4-9>

표 국내 인공장기 관련 의료용구 수입 현황 년 기군< 4-10> (2002 )

표 국내 조직공학에 의한 인공장기 관련 벤처기업< 4-11>

표 일본 장기별 개발현황 및 상업화 시기 예측< 4-12>

표 일본의 바이오 인공장기 시장규모추이 년 년< 4-13> (2002 -2010 )

표 일본의 바이오 인공장기별 시장예측 년 년< 4-14> (2002 -2010 )

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그 림 목 차

그림 인공장기 및 조직< 2-1>

그림 인공심장의 사진< 2-2>

그림 임상에 적용되고 있는 인공혈관의 사진< 2-3>

그림 의 인공 피부세포< 2-4> ATS社

그림 인공 연골조직< 2-5>

그림 인공간의 모식도< 2-6>

그림 체내 이식된 인공 췌장< 2-7>

그림 의 체내이식형 인슐린< 2-8> MiniMed DDS社

그림 인공장기관련 문헌 발표건수 추이< 3-1>

그림 인공장기관련 문헌의 국가별 비율< 3-2>

그림 인공장기관련 문헌의 주요 저자의 현황< 3-3>

그림 인공장기관련 문헌의 주요 저자의 연도별 추이< 3-4>

그림 인공장기관련 문헌의 주요 연구기관의 현황< 3-5>

그림 인공장기관련 문헌의 주요 연구기 관의 동향< 3-6>

그림 인공장기관련 문헌의 주요 기술분야별 현황< 3-7>

그림 인공장기 발표자료 형태< 3-8>

그림 국가별 특허출원동향 인공장기 전체< 3-9> ( )

그림 기술별 특허출원동향 인공장기 전체< 3-10> ( )

그림 국가 기술별 특허출원현황 인공장기 전체< 3-11> / ( )

그림 출원인별 특허출원현황 상위 위< 3-12> ( 10 )

그림 연도추이별 출원인별 특허출원동향< 3-13> /

그림 국제특허분류 별 특허출원비율 인공장기 전체< 3-14> (IPC) ( )

그림 기술별 특허출원동향< 3-15>

그림 기술연도별 특허출원동향< 3-16>

그림 기술 국적별 특허출원동향 한국< 3-17> / ( )

그림 출원인별 특허출원현황 한국< 3-18> ( )

그림 국적별 특허출원비율 한국< 3-19> ( )

그림 국적별 특허출원동향 한국< 3-20> ( )

그림 인공장기 관련 주요 출원인의 기술별 특허출원동향 한국< 3-21> ( )

그림 기술별 특허출원동향 일본< 3-22> ( )

그림 기술 연도별 특허출원동향 일본< 3-23> ( )

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그림 출원인별 특허출원현황 일본< 3-24> ( )

그림 연도별 다수 출원인 일본특허 출원동향< 3-25>

그림 출원인 기술별 특허출원현황 일본< 3-26> / ( )

그림 기술별 특허등록동향 미국< 3-27> ( )

그림 기술 연도별 특허등록동향 미국< 3-28> ( )

그림 출원인별 특허등록현황 미국< 3-29> ( )

그림 출원인 기술별 특허등록현황 미국< 3-30> / ( )

그림 기술별 특허출원동향 유럽< 3-31> ( )

그림 기술 연도별 특허출원동향 유럽< 3-32> ( )

그림 출원인별 특허출원현황 유럽< 3-33> ( )

그림 출원인별 연도별 특허출원현황 유럽< 3-34> / ( )

그림 출원인 기술별 특허출원현황 유럽< 3-35> / ( )

그림 인공장기의 세계 시장규모 예측< 4-1>

그림 일본의 바이오 인공장기 시장규모추이< 4-2>

그림 한국의 바이오 인공장기 시장규모추이< 4-3>

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제 장 서론1

연구의 배경 및 필요성1.

인체 장기나 조직이 손상되는 사고나 질병에 의해 사망하는 환자들에게 있어 사실상 유일한

해결책은 장기이식이다 그러나 이식할 수 있는 장기는 절대적으로 부족하고 수요자는 점점.

늘고 있어 장기 수급에 심한 불균형이 초래되고 있으며 마땅한 장기가 있다 하더라도 면역,

계의 부작용과 종종 일어나는 수술시의 복잡함이 문제점으로 남아있다 이에 돼지 및 원숭.

이 등의 동물로부터 심장 간 폐 신장 등 장기를 얻는 방안이 강구되고 있으나 이도 인간, , ,

에 이식됐을 때의 윤리적 문제와 면역체계의 문제점이 남아있는 실정이다 이를 근본적으로.

해결할 수 있는 방법으로 오래 전부터 의학계에서는 인공장기의 개발과 이식이 주목을 받아

왔으며 최근에는 조직배양에서부터 수정란 복제 등 기술 혁신적인 다양한 형태와 방법이,

진행되어 인체기관의 기능을 대신하려는 연구들이 널리 행해지고 있다.

조직배양이나 형질 전환된 동물에 의한 인공장기 이식은 인간복제와 달리 법으로 금지되어

있지 않기 때문에 미국 등 선진국에서는 인공장기 제조기술이 보건의료산업을 이끌 핵심 분

야로 각광 받고 있다 현재 미국에서는 약 백개의 벤처기업들이 산업용 인체부품 생산을. 1

서두르고 있을 정도이다.

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특히 인체 장기형태의 다공성 틀 제조와 대량생산법의 개발이 이루어지고 있으며 생체 인,

공 기관 내에 캡슐화된 세포에 대한 성장조절 혈전방지제 생체적합성 신소재 개발이 등이, ,

주요 기술내용으로 발표되고 있고 특허권을 획득하고 있다 또한 이러한 기술을 상품화 할.

수 있도록 하는 장기 대량 생산법 동물실험법 등이 많은 로열티를 받고 수출할 수 있는 기,

술로 평가되고 있다 국내에서도 이와 관련된 기술 문헌 발표가 급증하고 있으며 특허권도. ,

이러한 기술로 접근하고 있다.

이와 같이 인공장기의 개발은 보건의료산업에 있어서 많은 질병을 해결해 줄 수 있는 기술

분야로 평가되며 매우 고부가가치 산업으로 발전하여 세기를 주도할 신기술의 하나가 될, 21

것으로 전망하고 있다.

연구의 목적2.

최근 산ㆍ학ㆍ연 등 각 분야에서 관심 있는 주요 산업에 대한 종합적이고 신뢰성 있는 분석

정보의 수요가 증대하고 있으나 실제 연구, ㆍ분석기관들을 통한 공급은 미미한 실정이다.

따라서 한국과학기술정보연구원 에서는 최근 시장성 기술성 측면에서 향후 주목할만(KISTI) ,

한 산업으로 각광받고 있는 바이오 인공장기 를 분석대상 기술로 선정하여 해당기술의< > ,

심도 있는 기술동향분석 연구개발 동향분석 특허정보 분석 산업 및 시장분석을 수행하였, , ,

다 이를 통해 국가정책수립자에게는 국가 연구개발 자원의 효율적 활용 유도와 의 성. R&D

공가능성을 높일 수 있는 기초분석 자료를 제공하고 정보획득 및 분석에 한계가 있는 기업,

및 연구기관의 기획 및 전략수립자들에게는 기업의 사업계획 또는 곧바로 에 적용될, R&D

수 있는 양질의 분석 자료를 제공하는데 연구 목적을 두었다.

- 12 -

연구의 방법3.

인공장기는 대체될 수 있는 인체 각 부위에 따라 구분할 수 있으며 인공장기에 사용되는,

생체재료에 따라서 혈액접촉계재료 조직결합성재료 대사계재료로 분류할 수 있다 또한 인, , .

공장기를 연구개발 및 응용과정의 관점에서 분류할 수 있는데 혈관 등의 도관형 뼈나 귀, ,

형상의 기계적인 지지형 형태보존형 등의 단순한 인공장기에서 복잡한 내분비기관을 갖춘,

종합적인 인공장기까지 개발 완성도에 따라 군부터 군까지 구분할 수 있다 본 보고서에1 4 .

서는 인체 각 부위에 따른 일반적인 기술 체계를 바탕으로 국내외 인공장기의 개발동향을

분석하였다.

제 장 기술동향분석에서는 한국과학기술정보연구원 이 보유하고 있는 문헌과 최근2 (KISTI)

해외발표 저널 전문가 자문 등을 통해 인공장기 연구 개발동향 및 전반에 걸쳐 최근, R&D

이슈화되고 있는 문제들에 대해 종합적으로 분석하였다.

제 장 특허정보 분석에서는 인공장기에 관련된 특허자료를 중심으로 특허맵핑3 (Patent

을 수행하였다 즉 여 년간의 기술흐름 추이와 최근 기술동향 출원인 분석을Mapping) . , 20 ,

통한 기술의 우위현황 기술의 주요 분포도 등을 국가 및 기술 분야별 등으로 세분화, ㆍ체계

화하여 다각적으로 분석하였고 도식화된 그래프를 이용하여 인공장기의 연구개발동향을 파,

악하고자 하였다 인공장기에 관한 특허정보 분석에는 한국과학기술정보연구원.

에서 제공하는 각국의 특허정보 데이터베이스를 활용하였다(http://www.kisti.re.kr) .

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제 장 시장동향 및 전망에서는 바이오 인공장기의 산업구조 및 환경을 우선 분석하고 국내4 ,

의 시장동향을 조사ㆍ분석하였다 그리고 국내외의 최근 분석보고서 국내 조사전문기관의. ,

발표자료 업계 및 연구소 실사를 통해 향후 국내의 시장을 전망하였다 마지막으로 바이오, .

인공장기 기술의 추이와 산업동향을 간략하게 정리하면서 바이오 인공장기의 산업화 성공가

능성을 제고하기 위한 전략적 방안을 제시하였다.

- 14 -

제 장 인공장기의 기술개발동향2

인공장기의 개요1.

가 인공장기의 정의.

인공장기를 기능이 불완전한 장기를 대신하기 위해 인체에 적응시킨 인공적 장기 라고 정" "

의한다 인공장기는 유전병 질병 사고 등으로 기능을 상실한 인체의 조직 및 기관을 생체. , ,

조직학적 기반에서 물리화학적 기계적 생리적 기능을 단시간에 회복하고자 하는 것이다, , .

인공장기의 개발은 생체 조직의 구조와 기능을 이해하여 생체 대체물로 이식이 가능하며 기

능을 유지 복원하되 부작용을 최소화 할 수 있어야 한다.

인공장기 구현을 위해서는 다양한 학문분야의 결합이 이루어져야 가능하다 그중 중요한 하.

나의 요소가 인공장기를 구성하고 있는 재료이다 따라서 인공장기를 신소재와 기계공학이.

결합되어 있는 분야라고 할 수 있는데 이 재료를 우리는 생체재료 라고 부른, (biomaterials)

다 이 용어는 생체에 직접 접촉하고 있는 재료라는 뜻에서 유래되었으며 생체에 유해한. , "

영향을 미치지 않고 생체와 밀접하게 접촉되어 사용되는 물질 로 정의할 수 있다 생체재료" .

로서 요구되는 특성 중에서 필수 불가결한 특성은 생체적합성(biocompatibility)1)이며 이와

아울러 기계적 물리적 성질 및 성형가공성이 그 사용 목적 및 용도에 따라 요구된다, .

1) 생체적합성 이란 인공막과 혈액 사이에 발생하는 상호작용에 대한 전신반응에 관(biocompatibility)

련된 용어로써 혈액의 구성 성분에 나쁜 영향을 초래하지 않는 것을 말한다 생체적합물질 이란 생리. " "

적으로 불활성 물질을 가리키며 이와 반대로 생체부적합성 물질들은 체액(inert) , (bioincompatibility)

및 혈액의 구성 성분과 반응하여 전신에 영향을 미치게 되는 물질을 말한다.

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최근에는 생체적합성 뿐만 아니라 생체기능성을 갖는 고분자 재료에 손상되었거나 기능을

상실한 부위의 세포를 배양한 다음 인체에 이식함으로서 원래의 조직이나 기관으로 재생할

수 있는 기술이 등장하였는데 이를 세포조직공학 이라고 한" (cell and tissue engineering)"

다 이는 인큐베이터 또는 생물반응기 에서 인체에 곧바로 이식할 수. (incubator) (bioreactor)

있는 생체조직을 만드는 장기 생산연구에 대표적인 기술혁신 분야이다 년 미국에서. 1988

열린 최초의 생체조직공학 심포지엄에서 과학자들은 세포조직공학을 생체 조직의 대용품을'

만들어 이식함으로써 우리 몸의 기능을 유지 향상 복원하는 것을 목적으로 하는 응용학문, , '

이라고 정의했으며 가장 핵심적인 내용은 사람이나 동물의 세포를 체외에서 배양하여 뼈, ,

연골 간 신장 피부 등의 인공장기를 만드는 것이라고 발표했다 실제로 이 기술을 적용시, , , .

킨 인공장기를 하이브리드" (hybrid)2)형 인공장기 또는 바이오 인공장기 라고 하는데 최" " " ,

근 연구 대상이 되고 있는 것은 인공간과 인공췌장이 대표적이다.

2) 하이브리드 혼성화 하나 또는 그 이상의 인자가 다른 배우자의 결합으로(hybrid) : . (1)

생긴 개체 두 개의 다른 종 품종 또는 변종 사이의 교배에 의한 자손(2) ,

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나 인공장기의 개발배경.

손상된 장기를 대체하려는 노력은 오랜 역사를 갖고 있으며 최근 첨단 의학과 공학기술은

완전하고 영구적인 장기 개발을 목표로 하고 있다 그간의 시도는 기계적인 대체물질 개발.

에서 기계와 생체를 합성한 하이브리드형 인공장기 개발로 이루어졌다 즉 초기의 인공신. ,

장기능은 년에 셀로판지로 반투막을 만들어 노폐물을 걸러내는 것이었으며 그 후 개발1913

된 것은 새로운 합성물질 반투막으로 혈액 및 투석액을 적절하게 순환시켜 부종을 제거 할

수 있는 기계 및 전자장치를 개발하는 것이었다 최근에는 생명공학기술이 발달되어 신체의.

조직 일부 가량 를 떼어내 귀나 코와 같은 장기 모양으로 배양하고 이를 다시 환자의(1cm )

몸에 이식해 복원을 시도하는 연구 세포조직공학기술 가 활발히 이루어지고 있다 이러한( ) .

기술 개발로 년 내에 심장 간 췌장 피부 혈관 등 모든 장기나 조직의 생산이 가능하다10 , , , ,

고 전문가들은 공언하고 있다.

다 인공장기의 분류.

인공장기 개발 기술은 인체 내의 장기가 그 기능의 전체 혹은 일부를 상실하였을 때 이를

인공적으로 대체하여 기능을 회복시키기 위한 제반기술 분야이다 골근육계 감각 및 발성. ,

계 순환계를 비롯한 기타 인공장기와 미래 첨단 인공장기에 관한 연구 등이 이에 포함된,

다.

인공장기는 다음에 소개되는 바와 같이 세가지 측면에서 기술을 분류할 수 있다 첫째는 일.

반적인 기술 분류로 인공장기의 개발을 대체될 수 있는 인체 부위에 따라 구분한 것인데

그림 에서 나타내었다< 2-1> .

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그림 인공장기 및 조직< 2-1>

둘째 인공장기에 사용되는 생체재료에 따른 분류로 혈액접촉계재료 조직결합성재료 대사, , ,

계생체재료 세가지로 구분할 수 있다 표 인공장기에 사용되는 생체재료는 의 약< 2-1>. (1)

용 재료와 같이 거의 강도 가 없는 재료에서 인공뼈와 같이 체중의 몇 배를 감당해( ) , (2)强度

야하는 고강도 재료 인공신장과 같이 몇 시간 정도 혈액과 접촉하는 재료 수명이 다, (3) , (4)

할 때까지 혈액에 접촉하고 있는 인공혈관에 이용되는 재료 충치 치료를 위해서 사용하, (5)

는 피복기능만을 하는 수동적인 기능의 재료 인공췌장과 같이 혈당치를 따라서 인슐린(6)

방출량을 조절할 수 있는 능동적 기능을 갖는 재료 등 다종 다양한 재료가 생체재료 범위에

있다.

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표 인공장기에 사용되는 생체재료에 의한 분류< 2-1>

분류 인공장기의 예

혈액접촉계재료 인공신장 혈액투석막 인공폐 인공혈관 인공심장 인공판막( ), , , ,

조직결합성재료 인공강막 인공치아 인공관절 인공뼈, , ,

대사계생체재료 인공췌장 인공간,

혈액접촉재료는 혈액이 흐르는 특수한 환경 하에 이용할 수 있는 재료를 말하며 혈액접촉재

료 대부분은 유연한 고분자 재료이다 이러한 재료는 인공표면에 혈액이 접촉하면 일반적으.

로 혈전이 형성되고 혈액 순환 및 생체 재료에 지장을 초래하기 때문에 혈전 생성에 대한

방지책이 필요하다 조직결합성재료는 뼈에 잘 결합되는 재료 치아에 잘 붙는 재료 등을. ,

말한다 이 분류에서는 뼈나 치아 같은 경조직뿐만 아니고 피부와 같은 연조직에 대한 결합.

성재료도 포함한다 대사계생체재료라 함은 영양소뿐만 아니라 생체물질의 합성 및 분해를.

주목적으로 하는 장기의 대체 재료를 말한다 대표적인 장기로는 간 췌장 부신 갑상. ( ), , ,肝

선 뇌하수체 등이 있다, .

셋째 인공장기를 연구개발 및 응용과정의 관점에서 분류할 수 있는데 표 에 나타내, < 2-2>

었다.

제 군으로 분류한 인공장기는 일반적으로 혈관 등의 도관형 장기 뼈나 귀 형상의 기계적1 ,

인 지지형 형태보존형 등의 단순한 인공장기를 말한다 따라서 이들의 인공장기에 대해서, . ,

는 주로 생체재료의 연구에 역점을 두고 이루어지고 있으며 그 완성도도 높은 편이다, .

- 19 -

표 인공장기의 분류< 2-2> 3)

분류 연구개발 현황 응용과정

제 군1반영구적으로 생체내에 이식되어 생체장기의 일부로 장기간 그 기능이 계속됨

인공혈관 인공판막, ,인공뼈 인공관절, ,인공유방 인공귀,

인공기관 인공방광,

제 군2현재는 체외에서 장기간 생체기능을 대행하며 가,까운 장래에 체내이식이 가능한 것

인공혈액 인공췌장,

인공심장 인공폐 인공신장, ,

제 군3현재 일반적인 장기기능 대행에는 성공하였으나,한층 더 장기간의 대행을 위한 연구가 계속됨

인공간

제 군4복잡한 장기의 기능대행을 목적으로 연구가 개시단계에 있음

인공자궁

신장이나 심장과 같이 상당히 복잡한 기능을 갖는 인공장기의 경우는 재료뿐만 아니라 구동

장치 제어장치 에너지원 등 기술적으로 곤란한 문제가 동반되기 때문에 이를 완성하기 위, ,

해서는 시간이 걸리게 된다 따라서 이들은 제 군으로 분류한다 개발이 완성되지 못하고. 2 .

임상단계에 있는 도관형 인공장기 인공기관 이나 인공요도 인공방광 나 인공혈액 및( ( ) , )氣管

인공췌장은 제 군과 군의 사이에 둘 수 있다1 2 .

간 의 경우는 간 자체의 기능에 대해서는 대부분 알려져 있지만 전체 기능에 대해서는( ) ( )肝 肝

아직도 확실히 알려져 있지 않으며 상당히 복잡한 기능을 갖고 있기 때문에 인공화 기술이,

용이하지 못하다 이들은 지금까지 부분적이며 단시간적인 기능 대행만 이루어지고 있는 형.

편이다 이와 같은 인공장기는 제 군으로 분류한다. 3 .

인공자궁과 같은 경우는 태반의 기능이 의학적으로도 완전히 해명되지 않은 상황이며 그,

완성은 대단히 먼 미래라고 할 수 있다.

3) 인공장기용 생체재료 김동욱 전기전자재료학회지 제 권 제 호, , 14 3 (2001.3) 28-35

- 20 -

즉 인공자궁은 제 군으로 분류된다 인공자궁은 인공폐 인공심장 인공신장 인공간 그리, 4 . , , ,

고 인공 내분비기관을 갖춘 종합적인 인공장기가 될 것이다 앞으로 의학적인 분석이 한층.

가미되어 생체장기의 기능에 대한 지식이 쌓이고 주변의 응용기술이 발전됨에 따라서 현재,

의 제 군 군 또는 군에 속하는 인공장기가 군의 계단을 뛰어넘어 모두 제 군에 속하게2 3 4 1

될 때 인체의 인공장기가 완성되었다고 할 수 있다.

인공장기의 특성2.

가 인공장기의 법적규제.

인공장기를 실용화하는데 장애가 되는 것으로는 약사법 의약품 형태의 인허가 문(product)

제와 특허등록문제 그 밖에 안전성 확인문제 사회, , ㆍ윤리적인 문제 등이 있다.

의약품 화장품 의료용구 등의 인허가권을 가진 식품의약품안전청의 허가절차에 세포를 이, ,

용하는 제도 자체가 없으며 조직은행에 대한 허가절차도 없다 또 현재 국내 특허청에서도, . ,

어떤 용도로든 인체 세포를 이용하는 방법을 특허로 인정해 주지 않기 때문에 세포에 관한

국내특허를 가질 수 없다 현재 해외의 경우를 살펴보면 미국은 세포 및 조직공학제품은. ,

의료용구에 포함된 인허가를 취급하고 있으며 일본도 지난해 약사법을 고쳐 세포 및 관련,

제품으로 별도 취급하고 있다.

그 밖에도 생체 친화성이 높고 동시에 내구성이 우수한 소재를 개발하는데 있어서 안전성

시험을 위해서는 장기간이 소요되는 문제점이 있다 더욱이 고분자 화합물을 소재로 하는.

경우는 여러 가지 분해 물질의 문제도 있으며 각 물질의 안전성 시험ㆍ확인 방법 역시 문제

이다.

- 21 -

인공장기의 이용이 보편화될 때 몇 가지 사회적 경제적인 문제가 야기될 수 있다 예를 들, .

면 인공심장의 임상 응용에 따른 사회, ㆍ윤리적 문제 환자에게 불가피하게 인공장기를 사,

용해야 할 때 그 환자에게 도움을 주지 못하고 오히려 악화시켰을 경우에 대한 그 신뢰성

및 안전성에 대한 법적 문제이다 또 인공신장기의 장기 사용에 따른 경제적 문제와 경제. ,

적으로 인공장기가 의료용 의약품과 동일하게 건강보험에 적용되는지의 여부 약품의 가격,

문제 등이 인공장기의 기술개발과 이의실용화를 구체적으로 실현하기 위해 해결해야할 과제

로 분석되고 있다.

나 인공장기의 기능.

인공심장(1)

인공심장 이란 심장근육이나 혈관 등에 이상이 생긴 환자가 정상박동을 유(artificial heart)

지할 수 있도록 도와주는 장치다 심장병 환자를 약물이나 수술로 치료할 수 없을 경우 마.

지막 수단으로 사용한다.

인공심장은 전체 심장기능을 대신하는 완전인공심장과 부분적으로 기능을 대신하는 심실보

조 장치로 나눌 수 있다 표< 2-3>.

완전 인공심장 장치는 그 사용 목적에 따라 그 이상의 치료행위를 전제로 하지 않고 영원히

이식되는 경우 와 자연심장이식(permenent implantation) (heat transplantation)4)을 전제로

그 이전까지 일시적으로 이식되는 가교로서 응용 되는 경우로 나눌 수(bridge application)

있다.

4) 뇌사 상태의 공여자로부터 적출한 심장을 이식하는 것

- 22 -

표 인공심장의 분류< 2-3>

분류 역할

완전인공심장 전치환형 인공심장(;TAH: Total Artificial Heart)

전체심장 좌우심실 모두와 좌우심방의 일부분 을 떼( )어내고 이식되어 그 기능을 대신함

보조인공심장(VAD : Ventricular심실보조장치Assist Device, )

심장의 기능이 일시적 혹은 부분적으로 저하되어회복이 가능할 경우 심장을 그대로 두고 이와 병렬로 연결되어 심장의 기능을 부분적으로 대신함

한편 심실보조 장치는 그것이 자연심장의 어느 부분을 보조하고 있는가에 따라서 좌심실,

보조장치 우심실 보조장치 그리고 양심실 보조장(LVAD; Left VAD), (RVAD; Right VAD)

치 로 분류할 수 있다(BVAD; Biventricular Assist Device) .

인공신장(2)

인공신장 혈액투석기 는 만성신부전증 환자의 혈액 속에 있는 노폐물이나 독성물질을 걸러( )

주는 장치로 년 임상실험에 성공한 뒤 여러 가지 형태로 개발되었다 그중 가장 보편1943 .

화된 혈액투석기는 혈액중의 요소가 고분자 투석막 속이 비어 있는 원통 모양의 분리막으로(

안쪽 지름은 머리카락보다 불과 배 긴 정도이며 막의 두께는 약 을 통해 투석액3 4 10 )∼ ㎛

으로 빠져 나오도록 한 것이다 혈액여과기는 요소뿐 아니라 입자가 더 큰 찌꺼기까지 걸러.

낼 수 있다.

- 23 -

인공혈관(3)

동맥경화 협심증 및 맥류와 같이 혈관 순환기에서 발생되는 질병율이 증가하는 추세이고, ,

이들은 대체적으로 수술이나 약리적 치유가 불가능한 경우가 대부분이다 이에 따라. 1950

년도부터 처음 시술이 시도된 인공혈관의 개발은 초창기에 나일론 아크릴로니트릴(nylon),

계통의 공중합체로 시작되어 현재에는 폴리에틸렌테레프탈레이트(acrylonitrile)

5) 폴리데트라플루오로에틸렌,

6)의 두가지 고분자 재료가 주로 쓰이고 있

다.

인공 혈관이 되기 위해서는 다음과 같은 조건을 만족해야 한다 소독이 가능해야 하고. (1)

꼬이지 말아야 하며 적당한 투과성과 봉합성은 물론이고 계속되는 수축 및 팽창작(2) (3) , (4)

용을 통해 혈관 내에서 상당한 압력을 받으며 흐르는 혈류를 견딜 수 있는 유연성과 기(5)

계적 물리적 특성을 지녀야 한다 또한 인체에 이식시 독성이 없고 감염 염증 및 면. , (6) (7) ,

역반응을 일으키지 않아야 할 뿐만 아니라 혈관내벽에서 혈전 색전이 생기지 말아야 한(8) ,

다.

인공혈관은 직경에 따라 보통 대구경 및 소구경 인공혈관으로 구분된다 표 대구경< 2-4>.

인공혈관은 그 직경이 보통 이상이고 소구경 인공혈관은 그 직경이 대체로 이하이5mm 5m

다.

5) 미국의 듀폰 에서 년에 개발한 폴리에스데르섬유로 데이크른 이(DuPont) 1953 (Dacron)社

라는 상품명이다.

6) 미국 듀폰 에서 테플론 이라는 이름으로 년부터 생산을 시작한 플(DuPont) (Teflon) 1950社

루오르수지 불소수지 를 말한다 고어텍스 는 년(fluororesin; ( )) , (Gore-Tex) 1969弗素樹脂

가 기계적 인장프로세스를 이용해서 로부터 을 개발하고 이것을 년Bob Gore PTFE 1社 膜

후에 시장에 출시했던 상품명이다.

- 24 -

표 인공혈관의 분류 및 적용범위< 2-4>

분류현관 내경크기 적용부위

대구경 이상5mm 무릎위 복강 흉부, ,

소구경 이하5mm 주변혈관

CABG* 0.5-4.0mm 관상동맥*CABG : Coronary Artery Bypass Graft

인공피부(4)

인공피부를 사용하는 목적은 화상이나 외상 부위에서 수분이나 체액의 손실을 억제하여 심

한 탈수 증세로 인한 생명의 위협과 세균감염을 방지하며 화상 및 외상부위를 보호하면서

치료를 촉진시키는데 있다 인공피부는 화상 및 외상부위와 밀착성이 좋아야 삼출액을 억제.

할 수 있으므로 인공피부를 개발하는 데는 유연성 신축성 흡수성이 매우 중요하다, , , .

인공피부는 크게 창상피복제 라고 하는 일시적 피복형(wound dressing) (temporary skin

과 배양피부 체내이식용 영구생착형 또는 생체이equivalent) , (permanent skin equivalent)

식용 생인공피부 라고 하는 두가지로 타입으로 나뉠 수 있다 생체이식용(bioartificial skin) .

생인공피부는 보호막 기능은 물론 손상 조직의 재생에 필요한 성장인자와 세포외 간물질을

제공하여 신속한 창상 치유와 상흔의 감소 등 그 탁월한 효과가 입증되고 있다 현재 생인.

공피부는 화상 욕창 성형 난치성 궤양 당뇨병 피부괴사 압력 미란, , , , , (erosive)7) 등에 임상

적용되고 있으며 이식 성공률을 증진시키는 연구 색소 문제 및 피부 부속기관 부재 등의, ,

문제점을 해결하는 연구가 진행 중이다.

7) 병소의 상피가 궤양으로 인해 탈락한 염증성 병변

- 25 -

표 인공피부의 분류< 2-5>

분류 세부분류

일시형 피복형창상피복제( )

생체재료 피복제(natural artificial skin)

합성재료 피복제(synthetic artificial skin)

영구생착형생인공피부( )

배양피부(skin equivalent)

배양표피(cultured epithelium)

복합배양피부(composite cultured skin)

인공관절 연골 뼈(5) , ,

골관절염 류마티스성 관절염 에 의하여 관절(osteoarthritis; OA), (reumatoid arthritis; RA)

이 파괴되면 인공관절의 이식이 필요하게 된다 현재 모든 생체 관절에 대하여 인공관절이. ,

개발되고 있으며 그 중에서도 가장 많이 임상 응용되고 있는 것이 고관절8)이다.

인공간 인공췌장(6) ,

대사계 장기를 대체함에 있어서 인공재료 자체만으로 행하는 것은 생체기능의 일부만을 대,

행하지 않는 한 불가능에 가깝다 현재 이와 같은 대사계 장기의 대행으로써 활발하게 연구.

되고 있는 것은 생체 성분과 인공재료를 하이브리드화 한 인공췌장과 인공간(hybridization)

이다.

8) 고관절은 공모양의 대퇴골두와 이를 감싸고 있는 소켓 모양의 비구로 구성되어 있으며

하지를 골반골에 연결시켜 보행을 가능케 하는 매우 중요한 관절중의 하나로 관절 중에서,

도 가장 큰 하중을 지탱하고 있다.

- 26 -

인공췌장의 개발은 년대 초부터 인슐린을 분비하는 췌장소도1970 ( )膵臟小島 9)를 효율적이며

적절한 조건하에서 캡슐화하는 연구로 진행되어 왔다 인공췌장의 주된 목표는 필요에 따라.

혈당에 반응하여 적정 수준의 인슐린을 공급하는 것이며 이것은 매일 인슐린 주사를 맞는

것에 따른 혈중 인슐린의 심한 변동을 막을 수 있을 것으로 기대되고 있다.

인공간은 간세포 를 성장 유지할 수 있는 분위기를 생물반응기 형태로 만들어(hepatocytes) ,

주어 간세포가 수행할 수 있는 대표적인 해독작용 혈액 정화작용 등을 수행하는 인공장치,

다 그러나 인공간의 개발 수준은 매우 미흡하여 생체기능을 일시적 또는 장기적으로 대체.

할 수 있는 인공장기들이 거의 체내 내장형으로 개발되고 있음에도 불구하고 인공간의 경우

에는 주 정도의 단기간 대체 가능한 기술도 이루어지지 못한 상태다1 .

다 기술의 현안문제.

지금까지 난치성 질환으로 인해 그 기능을 거의 상실한 장기에 주로 사용되는 것은 기계적

인 인공장기였다 인공심장 인공판막 인공관절 인공췌장 인공신장 등 많은 종류의 기계적. , , , ,

인공장기가 기능을 상실한 장기를 대체하고 있으나 생체적합성 혈전현상 기능저하, , 10) 등의

문제점들이 나타나고 있다.

9) 일명 랑게르한스섬 이라고도 한다(islets of Langerhans) .

10) 인공장기 표면에 인체 내의 여러 가지 단백질이나 혈액 구성분들이 흡착됨으로써 본래

의 목적이었던 인공장기의 기능이 시간이 경과함에 따라 저하하게 된다.

- 27 -

또한 간이나 폐와 같은 내부장기의 경우는 소형화 경량화의 문제와 전원을 어떻게 안정적,

으로 오랫동안 공급할 수 있는냐 하는 문제가 있으며 또 이와 동시에 인공장기의 구조와,

기능을 유지할 수 있게 해야 했다 그러나 아직 현재의 기술이 외부장기의 일부를 제외하고.

는 아직도 생체장기의 기능과 같지는 못하며 타장기와의 생리적 리듬을 조화시키는 것도,

아직 해결되지 못하고 있다.

세포조직공학에 의한 인공장기 개발은 현재 사회적으로 문제가 대두되는 뇌사자에 의한 장

기기증의 부족과 인간 및 동물복제에 의한 장기공급의 윤리적인 문제를 해결할 수 있는 유

일한 대안으로 제시되었다 세포조직공학은 질병이나 상해 노화 등으로 손상을 입은 인체. ,

의 조직을 대체하는 기술로서 조직의 세포를 배양하여 인체의 거부반응을 최소화할 수 있,

다 자신의 세포를 떼어내 필요한 인공장기를 만들 경우 면역거부반응 이. (immune rejection)

없기 때문이다 그러나 세포조직공학기술로 제작되는 하이브리드형 인공장기 개발에 있어서.

유의해야 할 점은 합성 고분자에 대한 조직세포의 초기 부착성의 증진 알맞은 성장 배양, ,

조건의 확립 그리고 이들의 세포에서 생성되는 효소 활성력 이 반영구적으(enzyme activity)

로 지켜져야 한다는 점이다 또한 이식시 우리가 원하지 않는 과민면역반응. ,

의 최소화 건강할 때 채취된 각 개인의 조직세포가 문제가 발(hypersensitivity reactions) ,

생하였을 때 다시 꺼내어 쓸 수 있도록 장기적으로 보관할 수 있는 저장법 체내, (in vivo)

상태에서 복잡한 세포들간의 연락체계 등의 복원 및 각각 세포들의 기능이 과연 장기의 기

능과 어떻게 일치할 것인가의 규명 및 신경계통의 재생 등이다.

아직까지의 기술 수준이 해결해야 할 문제점을 많이 가지고 있어 현재 개발중인 인공장기가

인간의 해당 신체부분을 완벽하게 재현하지 못하고 있다.

- 28 -

그러나 현재까지 여러 가지 가능한 모든 인체세포가 연구되고 있어 세포조직공학 기술의 혁

신적인 발전이 간이나 췌장과 같이 복잡한 생리 기능을 담당하는 대사관련 장기까지 모두

가능하게 만들 것이라는 기대가 크다 전문가들은 최소한 년이 지나면 신체 모든 기관. 2015

을 대체할 인공장기가 등장한다고 내다보고 있다.

인공장기의 연구개발동향3.

최초의 인공장기인 인공뼈를 시작으로 인공신장 인공혈관 인공심장에 이어 근래에는 뇌와, ,

일부 위장관 및 내분비 기관을 제외한 거의 모든 장기의 인공화에 대한 연구가 이루어지고

있다 현재 임상에 응용되고 있는 인공장기로는 인공피부를 비롯해서 수십종에 이르며 특. ,

히 의료용 생체재료의 연구가 활발해짐에 따라 우수한 기능을 지닌 인공신장과 인공심장이

개발되고 있고 인공간 및 인공췌장에 대한 연구도 활발하다 해외에서는 이미 인공 피부, . ,

뼈 혈관 폐 심장 눈 방광 혀 등이 개발되었거나 개발완료 단계에 있다, , , , , , .

해외 세포조직공학을 이용한 인공장기 제조기술은 미국이 가장 앞서 있다 미국은 이미 인.

공피부와 인공연골을 상품으로 만들어 내놓고 있다 이들 인공장기는 연구특성상 대부분 벤.

처기업으로 출발해 현재 어드벤스트티슈사이언스 바이(Advanced Tissue Science; ATS),

오메트릭스 크리에이티브바이오 등 여개 업체가 인체부품을(Biometrics), (Creativebio) 100

만들어 내고 있다 미국이 이렇게 인공장기 개발에 심혈을 기울이고 있는 것은 막대한 인공.

장기 시장 지난해 미국은 억 달러 규모 을 의식한 것 외에도 윤리적 문제를 피할 수 있는( 10 )

대안이기 때문이다.

- 29 -

표 질환별에 대한 인공장기의 연구와 응용< 2-6>

장기 병변 또는 질환 생체조직 공학적 접근법

신경계

파키슨씨병 헌틴톤씨병 통증, , 뇌세포 이식 부신수질 크로마핀 세포이식,

중추신경손상 슈반씨 세포이식 신경영양인자 투여,

말초신경손상 신경유도관 슈반씨 세포이식 신경영양인자, ,

심혈관계

동맥경화 혈관손상, 인공혈관

심장판막질환 인공판막

심근경색증 골격근 모세포 이식

혈액 재생불량성 빈혈 골수 조혈 모세포 이식

간 간경화증 대사성 간질환, 인공간

감각기관

각막손상 인공각막

망막변성증 망막세포 망막상피세포 이식,

소음성 난청 청각 세포이식

비뇨생식기

신부전증 인공신장

방광 요로 결손, 인공방광 및 인공요로

남성불임 선천성 고환결핍증, 정자모세포 고환세포 이식,

방광 요관 역류 내시경적 세포 충전제 요법

소화기 짧은 창자 증후군 인공장

근골계

두개골 뇌막 결손, 인공두개골 뇌막,

관절 및 인대손상 인공연골 인대,

수지 절단 인공수지

기관지 손상 및 결핍증 인공기관지

내분비계

당뇨병 췌도 이식(islet cells)

뇌하수체 부전증 뇌하수체 세포 이식

부갑상선 기능 저하증 부갑상선 세포 이식

피부

광범위화상 당뇨성 피부 궤,양

인공피부

미용성형 연골 및 지방조직 이식

치아결손 치주조직결손, 인공 생체 피하 및 치주조직

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인공조직 인공장기는 이제 제품화가 가능한 기술로 받아들여지고 있으며 임상 치료에서도,

새로운 치료 방법으로 제시되고 있어 제품이 에 승인 되고 있다 상품화가 되었거나 지FDA .

금 임상시험 중인 인공장기에는 피부 연골 간 방광 유방 등이 있다 다음 표 은, , , , . < 2-6>

질환별로 적용 가능한 인공장기의 개발 분야를 나타낸 표이다.

가 인공심장.

인공심장이란 심장기능의 일부 또는 전체를 대신할 수 있는 의료기기로서 크게 심실보조장

치와 완전이식형 임공심장으로 구분된다 년에는 미국에서 공기압을 이용한 인공심장. 1982

이 개발돼 최초로 인체에 이식했으나 실패로 끝났다 이 인공심장은 구동장치가 외부와 연.

결돼있어 환자의 운동을 제한하는데다 각종 합병증을 유발 장기간 사용하는데 문제가 있었,

다 인공심장은 혈액순환과 관련된 비교적 간단한 기능으로 기계식 인공장기 중 가장 먼저.

세계 개 연구기관이 년대부터 개발되었으나 이와 같은 산재된 기술적 문제를 극복하는20 50

데 약 년이 소요되었다 최근에는 보조심장도 크고 복잡했던 것에서 크기와 무게가 점차40 .

축소되어 몸 안으로 완전히 이식될 수 있는 기술이 이루어졌고 원래 심장이 있던 자리에,

대신 대체되어 온몸을 지탱해주는 새로운 완전이식형 인공심장이 미국에서 처음 개발되어,

현재는 세계 각국이 몸속에 완전 이식하는 완전내장형 인공심장 개발을 활발히 추진하고 있

다.

생체재료를 이용한 심장의 보조수단에는 완전인공심장 보조(Total Artificial Heart, TAH),

인공심장 외에도 대동맥내 벌륜펌핑(Ventricular Assist Device, VAD) (Intra Aorta Balloon

경피성 심폐보조법 등Pumping, IABP), (Percutaneous Cardiopulmonary Support, PCPS)

이 알려져 있다.

- 31 -

동물실험에서는 완전 인공심장에 의하여 약 개월정도의 생존례가 많았다 생존률을 더 높6 .

이기 위해서는 보다 합리적인 설계와 우수한 생체재료의 개발이 필수적으로 혈액접촉면에

사용되는 재료의 혈액적합성과 다이아프램 과 색 등 반복적인 변형을 받는(diaphragm) (sac)

막 의 유연성 내구성이 우수한 생체재료의 개발이 요구된다 즉 장기간 혈액과 접촉하( ) , . ,膜

여도 혈액의 성상에 유해한 변화를 끼치지 않고 재료 표면에서 혈액이 응고되어 혈전을 형,

성하는 일이 없는 재료와 생체 내에 있으며 혈액과 접촉하고 있는 환경에서 큰 반복 변형을

받고 막 재료에 열화가 일어나지 않는 생체재료의 개발이 필수적이라 할 수 있다( ) .膜

보조인공심장은 심장기능을 회복시키기 위하여 일시적으로 사용되는 경우가 많았으나 최근,

에는 혈액펌프의 성능이 향상되었기 때문에 보조인공심장을 심장이식의 가교로써 사용하는

경우 심장이식이 이루어지기까지 개월 정도의 생명 연장이 가능하게 되었다4 .

그림 인공심장의 사진< 2-2>

- 32 -

혈액펌프도 박동류에서 비박동류 연속류 로 변해가고 있는 추세이며 체내 이식형 완전인공( ) ,

심장은 체내에 내장된 전지를 에너지원으로 하여 메카트로닉스적으로 구동된다.

인공심장의 개발은 수요가 가장 큰 미국을 중심으로 전세계적으로 연구가 진행되었다.

표 인공심장의 개발 생산업체 현황< 2-7> /

분류 회사명 국적 연구개발 및 제품명

완전이식형 인공심장(Total artificial Heart)

Cardiowest 미국 TAH

Abiomed 미국 Abicor

펜스테이트대학Abiomed,(Penn. State. Univ)

미국 TAH

NCVC* 일본 유압식 TAH

동경대 일본 UDTAH†

이식형 심실보조장치(Implantable

Ventricular AssistDevice)

TCI 미국 VE+ Heart Mate

Baxter(Edwards) 미국 NOVACOR

World Heart 미국 Heart Saver

Micromed 미국Devakey AxialFlow Pump

Thoratec 미국 공압식 VAD

Abiomed 미국 BVS5000

Nippon Zeon 일본 Xemex

TOYOBO 일본 공압식 VAD

HIA 독일 MEDOS

Aachen Univ 독일 Acor* 일본국립심혈관기센터NCVC: National Cardio-Vascular Center,

+ VE: Vented Electric

† UDTAH : Undulation TAH

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미국 국립보건원 에 의해 큰 규모의 연구자금이 투입된NIH(National Institutes of Health; )

심실보조 장치의 경우에는 의 시스템 장치가 비록Thermo-Cardio Systems Heart Mate社

공압식11)이기는 하지만 이 분야에서 최초로 완전 상품화에 성공한 사례가 되었다.

현재 미국 일본을 비롯한 전 세계의 인공심장 연구팀이 개발하고 있는 인공심장 시스템을,

분석해보면 혈액펌프와 에너지 변환시스템의 경우 아직도 대부분 년대와 그 이전의 기1970

술을 사용하고 있다 년대 들어와 신기술의 응용으로 인공심장의 효율성과 신뢰성을. 1990

향상시키고 있는데 년 에 의해 새롭게 시작된 차세대 인공심장이라고 할 수 있는, 1995 NIH

자기부상시스템 의 등장이 혁신적인 시스템으로 평가받고(magnetically suspended system)

있다 이는 영구자석과 전자석을 적절히 응용하여 에너지 변환 시스템내의 운동부에서 생기.

는 기계적인 마찰을 없애므로 효율의 증대는 물론 신뢰성의 향상을 동시에 꾀하고 있는 것

이다 이제 이러한 시스템은 미국 내는 물론 우리나라를 비롯한 전세계의 병원으로 경쟁 대.

상이 없이 팔려나가게 될 것이고 의료기기의 성격상 일단 시장을 선점한 제품에 의한 장기

간의 시장독점이 예상된다.

표 은 현재의 인공심장 개발현황과 생산업체를 나타낸 것이다 미국에서도 최근 세포< 2-7> .

조직공학을 이용한 인공 심장 개발이 한창인데 주로 양 의 심장으로 연구가 진행되고 있( )羊

다 간단히 요약하면 심혈관에 액상의 고분자 물질을 주입해 고화시킨 후 심장조직을 화학. ,

적으로 제거하면 심장형태의 형틀을 얻는다 이를 컴퓨터를 이용해 차원적으로 복원하여. 3

생체흡수성 고분자로 원래 모습과 동일하게 제조한다 이에 심장조직세포를 파종해 자라나.

게 하고 동시에 생체흡수성 고분자는 자연히 인체에 흡수하게 함으로써 결국에는 힘차게,

박동하는 심장만이 재생되는 기술이다.

11) 공압장치 등에 의한 원격조작 또는 수동조작으로 토출구 반향을 상하 및 좌우 회전할

수 있는 것

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인공심장의 개발에는 혈액이 지나가는 인공혈관 인공심장 내부와 인공판막 표면의 혈액적,

합성 문제 혈액이 굳는 혈전현상 인체의 가는 혈관에 막히는 문제 적혈구가 큰 힘을 받아, , ,

파괴되는 용혈현상 그리고 수술과 회복과정에서의 감염 등 많은 문제가 남아있다 또한 인, .

공심장이 인체의 생리현상에 민감하게 대처하게 제작하는 것도 힘든 일이다 현재 기술이.

운동과 같이 활동량이 많을 때는 자동적으로 혈액의 박출량을 늘리고 수면과 휴식처럼 활,

동량이 적을 때에는 박출량을 줄이는 수준까지 이르렀지만 정신적 긴장이나 흥분 시에도,

박동이 빨라지는 자연 심장의 기능을 대신하는 것은 아직 쉽지 않은 일로남아 있다.

나 인공신장.

현재 행해지고 있는 혈액투석의 대부분은 환자의 튜브를 통하여 혈액을 체외에 유도하여 투

석막을 사이에 두고 확산에 의하여 혈액중의 요소 및 크레아틴 등의 유해물질을 제거하고,

전해질 및 아미노산을 보충한 후 체내로 혈액을 되돌려주는 체외순환의 방법을 취하고 있

다 다량의 투석액을 사용하기 때문에 체내이식형 인공신장은 개발되지 않고 있다. .

년 에 의해 최초로 고안된 이래 인공신장은 주로 투석 막으로써 셀1943 Kolff (hemodialysis)

룰로오스 를 이용하여 제조되어 왔다 그러나 투석의 질 즉 막성능 및 생체적합(cellulose) . ,

성 등을 향상시키기 위해 기존의 셀룰로오스 소재 이외의 새로운 소재 개발이 이루어지기

시작했다.

- 35 -

년 등에 의해 셀룰로오스막을 이용하여 투석을 시행할 경우 이른바 보체의1977 Craddock

활성화에 의해 백혈구 수가 일시적으로 감소된다는 사실이 밝혀졌고 이후 생체적합성이 우

수한 막소재 개발이 인공신장기 분야의 연구에 있어서 기본 과제가 되었다 아직도 셀룰로.

오스 소재의 막이 가장 많이 사용되고 있지만 년을 기점으로 점차 감소하는 추세이고1985

폴리술폰 과 셀룰로오스아세테이트 소재가 각광을 받기 시(ploysulfone) (cellulose acetate)

작했다 이외에도 보다 생체적합성이 우수한 소재를 개발하려는 노력이 계속 진행되고 있는.

실정이다.

현재 가장 잘 활용되고 있는 인공장기는 인공신장 즉 인공투석기이다 혈액투석기로 언급, .

되는 인공신장기의 가장 중요한 부분은 중공사 형태로 된 혈액투석막이다 효율 좋은 투석.

기를 설계하기 위해서는 성능 좋은 막을 사용하고 중공사막 구멍의 형상이 균일하고 적당,

한 길이와 직경을 갖도록 하며 중공사 사이로 투석액이 흐르도록 할 필요성이 있다 근래, .

에 들어서는 중공사막을 이용한 투석기가 가장 흔하게 이용되고 있다 현재 셀룰로오스계. ,

폴리술폰계 등 다양한 소재가 사용되고 있으며 최근 폴리술폰계 수지가 우, PAN, PMMA ,

수한 혈액적합성 및 투석성능을 바탕으로 그 사용량이 지속적으로 증가하고 있다 다음 표. <

은 각종 혈액투석막의 제조회사별 형태와 막소재의 개발을 나타낸 것이다2-8> .

조직공학을 이용한 인공신장의 개발에는 신장이 노폐물 여과 외에 인체에 필요한 물질을 생

성하는 기능을 갖고 있어 신장내피세포의 기능이 발휘되어야 한다 이를 위해 내피세포배양.

이 시도되고 있다 표면에 응고 방지 세포 면역반응을 조절하기 위한 유전자 조작기술을 가.

미한 인공신장 개발도 시도되고 있다.

- 36 -

표 혈액투석막 제조회사별 개발현황< 2-8>

Membrane material ManufacturerConfiguratio

nRemarks

Cellulose regeneratedby the cuprammoniummethod(RC)

AKZOFlat, hollowfiber

최초의 의료용 투석막

Asahichemical

Hollow fiber 일본 최초의 투석막

Terumo Hollow fiber

Cellulose regeneratedby the diacetylmethod

Cordis-Dow Hollow fiber최초의 형 투hollow fiber석막

Teijin Hollow fiber 에 의한 멸균Steam

Cellulose acetate(CA)Cordis-Dow Hollow fiber 단백질 가교막

Toyo Boseki Hollow fiber 제거용 막2-microglobinβ

Polyacrylonitrile(PAN)

RohnePoulence

Flat최초의 합성고분자를 이용하여 제조한 막

AsahiChemical

Hollow fiber제거를 위2-microglobinβ

한 최초의 비대칭형 막

PMMA Toray Hollow fiber흡착에 의해

제거2-microglobinβ

Ethylene vinylalcholcopolymer(EVA)

Kuraray Hollow fiber 에 의한 멸균Gamma-ray

Polysulfone Fresenius Hollow fiber 투석막Anti-thrombogenic

Polyethersulfonepolyarylateblend(PEPA)

Nikkiso Hollow fiber제거용 비2-microglobinβ

대칭형막

Polyamide Gambro Hollow fiber비대칭형막 조절, pore size이 용이한 막

다 인공혈관.

인공혈관은 년 나일론관이 최초로 사용된 후 폴리에스터 테플론 섬유를 천1952 (polyester),

처럼 직조한 형태가 많이 사용되었다.

- 37 -

인공혈관의 개발역사는 비교적 짧으며 년 이라는 사람이 가공된 유리관 및 알, 1912 Carrel

루미늄관을 대체 혈관으로 사용한 것이 최초의 시도였다 사람에게 사용할 수 있는 유연한.

형태의 구멍이 규칙적으로 있는 다공성 인공혈관은 년 가 처음으로 비니온엔1952 Voorhees

이란 고분자 직물을 이용하여 개발하였다 현재 사용하고 있는 폴리에스테 소재(Vinyon N) .

의 혈관은 년에 상품화되었으며 그 다음해인 년에는 가 폴리테트Dacron 1957 1958 Edward

라플루오로에틸렌 소재의 테플론 혈관을 사용하였다 그 이후 년에(PTFE) (teflon) . 1972

등은 각각 직경이 작은 혈관으로 사용할 수 있도록 좌우로 늘려서 만든 연신된 다공Soyer

성의 인공혈관을 개발하였다 현재 임상적으ePTFE (expanded polytetrafluoroethylene) .

로 사용되고 있는 인공혈관은 주로 이다.

보다 우수한 인공혈관의 개발 특히 미소구경의 인공혈관 개발에는 항 혈전성 생체적합, ( ) ,抗

성은 물론 재료의 역학적 성질 및 이것이 혈류에 미치는 영향 등의 파악을 통한 구조 설계

의 필요성이 요구된다 이와 같은 방향으로 이하의 소구경 인공혈관을 개발하기 위해. 4mm

미국 일본 등을 비롯한 여러 국가에서 많은 연구가 진행되고 있으나 아직까지 상품화가 되,

지 못하고 있다 소구경 인공혈관을 개발하는데 있어서 이론적으로는 직경 이내의 완. 3mm

벽한 인공혈관도 제조가 가능한 것으로 알려지고 있다.

세포조직공학 방법을 이용한 인공혈관은 생체재료 비분해성 및 분해성 에 항혈전성을 유지( )

하는 내피세포 등을 배양함으로써 이전의 폴리우레탄 과 같은 고분자 재료만, (polyurethane)

을 개질하여 인공혈관을 제조하는데 이 경우에 보다 나은 혈관 개통율을 가질 수 있고 감,

염 세포괴사 와 같은 부작용 또한 막을 수 있는 장점을 가지고 있다(infection), (necrosis) .

- 38 -

그림 임상에 적용되고 있는 인공혈관의 사진< 2-3>

앞으로 이하의 소구경 인공혈관이 세포조직공학 방법으로 성공하여 상품화된다면 그5mm

과학적 가치와 더불어 상업적 시장규모가 확대될 뿐 아니라 그 파급효과가 막대할 것으로

예상된다.

현재 인공혈관을 상업적으로 생산하는 나라는 미국의 Gore & Associates , Impra社

와 같은 몇몇 회사에서Medical , Atrium , Boston Scientific , Baxcter International社 社 社 社

전세계 시장을 점유하고 있으며 일본에서도 일부 생산하거나 준비 중에 있다 인공혈관은.

전세계 매출액이 대략 억원 정도로 추정되는 고부가가치 인공장기의 하나이다4,000 .

- 39 -

표 인공혈관개발 방향< 2-9> 12)

구분 연구 방향 개발 방향 비고

비분해성인공혈관

구조적 개질을통한 인공 혈관개발

혼성 인공혈관 폴리카보네이트 우레탄과(을 혼합 및 폴리에스터를 폴리Dacron )

우레탄에 보강

미국Corvita社일 본Nakagawa社

표면개질을 통한인공혈관개발

고유한 인공혈관내부 의 기계적 특(bulk)성을 그대로 유지하면서 표면만의 개질을 통하여 인공혈관개발

생물학적 활성을(bioactive)

가진 물질의 첨가

헤파린과 같은 항혈전성 물질과 산성혹은 염기성 섬유아세포 성장인자(aFGF, bFGF* 리팜피신 항), (rifampicin)생제를 인공혈관 미세공에 넣거나 인공혈관 내부에 가교구조의 형태로 코팅하는 방법

참고 1.2.3

내피세포의이식

콜라겐이나 기타 흡착 단백질 기질을이용하여 여러 인공혈관 내부벽의 내피세포화 를 연구(endothelialization)

분해성인공혈관

고분자재료

빠른 조직성장을 유도할 수 있어서 장기간의 개통율을 보유할 수 있으며 혈,관재생 후 체내에 남지 않기 때문에 세균에 의한 감염이 없고 염증반응에 의한 평화근세포의 비후현상도 크게 감소

참고 4.5

세포외기질

인공혈관 재생에 인공적 지지체 재료를전혀 사용하지 않고 단지 세포의 기질과 같은 생물학적 기질이 세포를 배양하는데 이용

참고 6.7

소장점막하조직(SIS)

신체의 일부를 이용하여 인공혈관을 재생하려는 연구로 소장점막하조직, + 이대표적

참고 8.9

유전자 치료법을(gene therapy)

이용한 인공혈관

네오마이신 저항 휴먼아데노(neomycin) ,

신 탈아민효소 쥐의 성장호르몬을 암호.

화하는 유전자들을 레트로바이러스

운반체를 통해 내피세포에(retrovirus)

전달하여 유전적으로 내피세포를 변형

시킴으로써 소구경 인공혈관의 개통율

을 연장시킴

참고 10.11.12

aFGF, bFGF※ * ; acid or basic fibroblast growth factor

소장점막하조직+ (SIS)12) : small intestinal submucosa

12) 소장조직에서 세포를 거의 제거하여 벌크 성분이 주로 세포외 연결조직인 콜라겐SIS :

으로 되어 있으며 약 의 물을 함유하고 있고 건조무게의 약 가 콜라겐이다87% 40% .

- 40 -

참고

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(1999)

라 인공피부.

현재 인체 성인조직으로부터 성인 간세포(adult stem cell)13)를 분리ㆍ분화하여 손상된 장

기나 조직을 재생시키는 세포조직공학 기술이 상당한 성과를 거두고 있는데 실용화 제품

으로 가장 먼저 개발되고 임상에 적용된 것이 인공(tissue engineered medical products)

피부이다.

피부세포의 배양은 년 미국의 세포배양학자들에 의하여 개발된 후 년에는 화상1975 1980

환자에게 적용된바 있으며 그 후 궤양이 생긴 경우나 수술 후 생긴 피부 손상에도 적용되었

다.

13) 간세포 는 몇 번이나 반복하여 분열할 수 있는 자기 복제 능력과 여러 조직으로( )幹細胞

분화할 수 있는 다분화 능력을 가진 세포로 정의되고 있다.

- 41 -

실험실에서 인간 피부조직을 대량 배양하는 기술이 프랑스의 와 미국의Rochat Rheinwald

와 에 의하여 성공적으로 이루어졌으며 년 미국의 가 인공피부의 임상적Green , 1982 Yannas

용 발표14) 이후 미국의 에서는 이들 세포조직 공학에 의해 제조된 인공피부 생인공피FDA (

부 배양피부 의 시판을 허가하였다, ) .

현재 이용되고 있는 인공피부는 일시적으로 손상된 부위의 보호를 목적으로 하는 창상피복

제 분해성 피복제 와 환자 자신의 정상피부에서 채취한 섬유아세포 혹은 표피세포를 실험실( )

내 에서 배양한 배양피부로 나눌 수 있다(in vitro) .

분해성 피복제에는 콜라겐에 피부 조직세포를 접목 배양시킨 형태 분사 가능한 젤라틴 형,

태 폴리로이신 스폰지 형태 등이 있으며 생체재료를 재구성시킨 것으로, (poly(L-leucine)) ,

콜라겐을 방사하여 제조한 콜라겐 스폰지 게껍질을 채취하여 키틴 을 원료로 하는, (chitin)

키틴 부직포 키틴 필름 키토산 과 콜라겐의 혼합 스폰지 그밖에 합성재료를 사, , (chitosan) ,

용하는 것으로 실리콘막에 미량의 콜라겐을 결합시킨 나이론 편물 폴리우레탄 등이 현재,

연구ㆍ개발되고 있다.

생인공피부 배양피부 는 자가세포를 이용하기 때문에 면역거부반응도 없고 피부의 크기도( )

얼마든지 조절할 수 있어 화상 환자와 같이 피부 손상이 광범위하여 충분한 양의 피부를,

확보하지 못하는 경우에 유용하다 배양피부의 개발은 초기에 인체피부세포를 분리. ㆍ배양하

고 소에서 추출한 콜라겐 용액을 겔화시켜 제조하는 방법으로 이루어졌으나 겔 형태의 인,

공진피를 이용하는데 대량 생산에 한계가 있어 현재는 콜라겐을 스폰지 형태로 제조한 배양

피부가 주로 생산되고 있다 표 에 현재 연구 활동이 활발한 인공피부 종류를 나타. < 2-10>

내었다.

14) I.V.Yannas, J.F.Burke, D.P. Orgill, and E.M.Skrabut, Science, 215(4529),

174(1982)

- 42 -

표 인공피부의 종류< 2-10> 15)

미국의 식품의약안전청 에서 판매승인을 받은(FDA) 미국 오르가노제네시스( , ;

와Organogenesis )社 미국 는 실제 상용화( , ATS; Advanced Tissue Science )社

되어 도 이상의 화상 환자 치료에 크게 도움을 주고 있는 대표적인 배양피부이다 이와 같2 .

이 배양피부는 주위의 자가 세포에 의한 재생능력을 상실한 광범위한 도 이상의 화상이나2 ,

당뇨병 등으로 인한 피부궤양에 적용된다.

15) 김천호 박현숙 손영숙 인공피부의 현황 및 전망 고분자과학과 기술 제 권 호, , . . 13 1

년 월2002 2

- 43 -

그 밖에도 근래에 와서 많은 생체친화성 합성고분자의 개발이 활발해짐에 따라 세포친화성

은 천연고분자에 비해 다소 떨어지지만 천연고분자에서 나타날 수 있는 기계적 강도 및 제

조공정상의 어려움 등을 해결한 분해성 피복제 제품이 개발되고 있으며 대표적인 것으로,

의ATS社 미국 등이 있다( , Integra Lifescience) .

표 인공피부의 산업체 기술개발동향< 2-11> 16)

회사 제품명 기술 내용

IntegraLifescience IntegraTMㆍ유럽피부재건술ㆍ 에서 제품의 유효기간 개월 인정FDA 24

Organogenesis ApligrafTMㆍ미용적 치유효과에 대한 임상실험 시작ㆍ 판매승인 획득FDA

ATS DermagraftTMㆍ 자문위 승인 추천 취득FDA당뇨병 족부 궤양 치료제( )

Genzyme EpicellTM ㆍ배양표피

Dow Hickam BiobraneTM ㆍ실리콘막에 콜라겐을 결합시킴

Miami Univ. ATSDermagraph-

TCㆍ음경의 표피세포와 암소 유래 콜라겐으로구성된 인공피부 개발

코테크 일본( ) 미카큐어 ㆍ 년 항균제가 함유된 인공피부개발1998

클라레 일본(Kuraray;)

크라비아 AG ㆍ 년 일긴산계 인공피부 개발1999

유니치카 일본( )베스킨

(BeschitinWTM)

ㆍ욕창 기까지의 치유가 확인되었고 기용3 4신제품 개발 중

일본조직공학회ㆍ구강에서 떼어낸 점막과 연골을 배양한인공피부 판매

나고야대학 일본( ) ㆍ점막을 이용한 인공피부 기술개발

기타ㆍ저팬테크엔지니어링(J-Tec),함부르크대학병원 등, TransCyteTM. LifeCell

16) 한국보건산업진흥원 내부자료 한국과학기술정보연구원 자료 한국기술거래소 산, (2002),

업기술시장정보 바이오 인공피부 자료( , ) 2002.

- 44 -

그림 의 인공 피부세포< 2-4> ATS社

지금 임상에서 요구되고 있는 가장 중요한 과제는 어떻게 감염을 저지할 것인가이다.

등은 항균제를 서서히 방출할 수 있는 인공피부를 개발하였는데 인공피부로부Kuroyanagi ,

터 항균제가 방출된다면 외부로부터의 세균침입에 의한 감염을 저지할 수 있고 게다가 창,

상부위에 존재하는 세균의 증식도 억제할 수 있다는 것이 기본 설계방향이다 최근에 인공.

피부에 균증식 억제효과를 부여할 목적으로 돼지피부에 항균제를 함침 시킨 인공피부( )含浸

와 폴리히드록시에틸메타크릴레이트와 폴리에틸렌글리콜의 복합체겔에 항균제를 함유시킨

인공피부가 미국의 와 에 의하여 개발되었다Genetic Marion .社 社

현재는 표 에서 설명한 몇 가지의 인공피부만이 미국의 식품의약안전청의 판매 승< 2-10>

인을 받은 상태인데 많은 연구 개발에도 불구하고 인공 피부의 덕을 보는 환자는 그리 흔,

치 않다 이는 인공피부를 개발하는데 많은 정교함이 요구되고 수술을 위해서 많은 경비가. ,

소요되며 특히 대부분 화상 환자의 경우 극빈자들이 많아 이런 시도를 더욱 어렵게 만들고,

있기 때문이다.

- 45 -

그러나 인공피부의 개발은 환자들에게 이식뿐만 아니라 제약업체의 신약 개발 초기단계에서

효능ㆍ효과 및 독성 실험하는데 사용될 수 있으며 화장품의 기능성 원료 평가와 독성실험,

에도 쓰일 수 있어 그 응용범위가 다른 인공장기 분야에 비해 매우 넓다.

마 인공판절 뼈 연골. , ,

관절이나 귀 코 등 연골 조직이 손상되었을 때 연골 세포와 생분해성 고분자를 이용한 대,

체물의 사용이 동물이나 사람을 통한 임상 실험에서 성공을 거두고 있다 이와 아울러 근육.

이나 인대를 인공적으로 합성하여 사용하는 연구도 진행 중이다 최근에는 이러한 연구 결.

과를 토대로 뼈 연골 인대세포를 미리 디자인된 생분해성 고분자 지지체에 심어 세포조직, ,

공학적으로 인공 손가락을 만들고자 하는 연구도 시도되고 있다.

인공관절과 인공뼈는 노화로 관절염이 심하거나 사고로 뼈가 회복 불가능할 정도로 손상됐

을 때 이식된다 항공기 골프채의 소재로 쓰이는 티타늄 합금은 생체적합성이 뛰어난데다. ,

강하고 가벼운 장점을 갖고 있어 주로 이용되는 재료이다 폴리에틸렌이나 세라믹 또는 금.

속재질의 인공 관절은 뼈끝의 연골 부분을 어느 정도 제거한 후에 삽입하게 되는데 이미 어

깨관절 엉덩이관절 무릎관절을 대신하여 성공적으로 사용된 바 있다 인공뼈는 금속 고분, , . ,

자 세라믹을 조합해 대체하는 연구가 활발하다 이렇게 만들어진 인공뼈는 주 이상이 지, . 8

나면 뼈에 녹아 들어가 자연골로 변한다 현재 인공뼈로써 임상적으로 응용되고 있는 것은.

하이드록시아파타이트 알루미나 생체활성 유리 아파(hydroxy-apatite), (alumina), (bioglass),

타이트 왈라스토나이트 글래스 세라믹 등인- (apatite-wollastonite glass ceramic; AW GC)

데 하이드록시아파타이트를 충진하면 그 주위에 얼마 지나지 않아 빼조직이 증식한다, .

와 는 인공뼈 연구 개발에 한창이다Striker Creative Biomol .社 社

- 46 -

인공관절과 인공뼈는 이미 정착단계에 이르렀다 세라믹 혹은 금속재료를 이용한 인공뼈와.

관절을 이용하여 세계적으로 백여 가지의 다양한 수술이 이루어지고 있다 그러나 한계가2 .

아직도 남아 있다 인공관절을 시술 받는 환자의 연령군이 대말이나 대초이므로 최소. 50 60

한 년 이상 사용할 수 있는 인공관절이 개발되어야 하는데 현재 널리 사용되고 있는 인20 ,

공관절의 수명은 고관절의 경우 약 년 무릎관절의 경우 년 정도이다15 , 10 .

인공연골의 개발도 한창 진행 중이다 연골은 연골세포에서 뿐아니라 골수에서 추출한 줄기.

세포에서도 만들어낼 수 있다.

그림 인공 연골조직< 2-5>

귀 모양을 닮은 생분해성 다공성 지지체에 연골 세포를 배양하여 얻은 연골조직왼쪽 연골세포와 다공성 지지체를 사용하여 여러 가지 신체 조직을 모방하는( ).기술은 조직 공학의 가능성 여러모로 제시하고 있다 생분해성 고분자를 사용하.여 코 모양으로 제조된 다공성 지지체 가운데 연골세포를 왼쪽의 지지체에서( ).배양하여 얻은 이식용 인공코 오른쪽( )

- 47 -

년 월 미국에서 송아지의 세포를 배양해 쥐의 등에 사람의 손가락과 같은 모양의 관2001 4

절을 만든바 있으며 미국의 는 인공연골을 환자 자신의, GTR(Genzyme Tissue Repair)社

조직세포를 이용한다는 조건으로 의 허가를 받아FDA 이라는 제품명으로 상용화시

켰다.

바 인공간 인공췌장. ,

심장과는 달리 간이나 췌장과 같이 복잡한 생리기능을 담당하는 대사성 기관은 좀처럼 인공

적으로 흉내내기 어렵다 인공재료만으로는 대체할 수 없기 때문에 생체재료와 인공재료를. ,

하이브리드화한 기술이 필요한 것이다 현재 이러한 하이브리드 인공간 인공췌장의 개발은. ,

세포조직공학 기술을 통해 이뤄지고 있다.

인공간(1) ( )肝

간은 독성물질을 분해하고 글리코겐 단백질 비타민을 생합성하고 분해하기도 하며 지방대, , ,

사에도 관여하는 등 워낙 복잡한 화학작용을 나타내는 장기로 가장 대체가 어려운 장기중

하나이다.

최근에 간세포와 생체재료를 하이브리드화하는 방법으로 혼합형 바이오 인공간(Hybrid

의 개발이 활발하게 이루어지고 있다 이것은 세포공학을 이용하Bioartificial Liver; BAL) .

지만 아직 몸속에 직접 넣는 수준은 아니다 속이 빈 섬유물 내부에 간세포를 부착하여 배.

양하고 이 곳을 통해 간질환 환자의 피를 걸러내는 체외혈액순환방식 그림 으로 환자< 2-6>

의 손상된 간기능을 고분자 캡슐에 담긴 돼지의 간세포를 이용하여 대체하며 환자의 혈액을

인공간을 통과시킨 후 다시환자의 체내에 넣어 주게 된다.

- 48 -

그림 인공간의 모식도< 2-6>

부분적으로 실용화 단계에 있는 인공간 등은 상당 수준에서 연구(liver supporting device)

되고 있고 부분적으로 임상실험 중에 있다 실제로 미국 및 일본을 위시한 유럽 등지의 대.

학 및 생명공학회사에서 인공간 개발에 박차를 가하고 있어 조만간 인공간의 실용화 시대가

도래할 것으로 보인다 표< 2-12>.

표 바이오 인공간의 비교< 2-12>

연구 기관 사용세포생체

반응기(bioreactor)임상응용

캘리포니아대학교(C미국alifornia, )

돼지간세포 혈장분리막 례46

훔볼트대학교(Humb독일oldt. )

돼지간세포 특별 례3

킹대학 영국(King, ) 간암유래세포 중공사형 례23

교토대학교일본(Kyoto, , )京都

돼지간세포 혈액투석기 례0

- 49 -

인공간의 개발은 미국의 와 등에서 연구가 활발하Bio-Hybrid Technologies(MA) ATS社 社

게 진행되고 있고 일본 및 아시아에 대한 세계시장 공략을 위하여 타회사, (Mitubishi kasei,

등 와 결연을 맺고 있다 또한 미국의 대학교 연구팀은 다른 학문분야의Kirin Brewery ) .社

연구팀 및 기업체 등과의 공동연구를 통하여 동물실험 및 인체 임상시술을 계획하고 있다.

일본에서도 연구개발이 활발히 이루어지고 있는데 일본 화학공업일보 일자에 의, 1994.12.4

하면 일본의 신기술사업단연구그룹에서 간의 줄기세포 를 분리하여 배양하는데(stem cell)

성공했으며 이로 부터 간세포의 증식 양식을 규명하고 이를 유전자치료와 인공간의 개발에,

응용할 계획이라고 밝혔다.

인공간 개발에는 효과적인 인간 간세포주 의 연구 세포 응집화 등을 통한(liver cell line) ,

간세포의 기능향상 간세포의 냉동보관법 효과적인 간세포 배양기의 개발 및 이종간 면역, ,

반응 차단을 위한 고분자의 개발 등에 목표를 두고 이루어져야만 임상에 적용할 수 있는 효

과적인 인공간을 완성할 수 있다 현재의 인공간은 전체 시스템이 매우 복잡하고 부피가 커.

서 휴대나 체내이식 등은 불가능하지만 생체세포조직공학 발전에 힘입어 생체간을 완벽히

대체할 수 있는 이식형 인공간의 형태가 개발될 것이다 이러한 인공간은 간 질환 환자의.

생명을 구하는 본래의 목적 이외에도 약물 대사의 대부분을 관장하는 간을 대신하여 의약품

개발이나 독물 대사 연구에도 응용될 전망이다.

인공췌장(2)

당뇨병 치료에 사용되는 인공췌장의 주된 기능은 혈당을 정상과 비슷한 정도로 능동적으로

조절할 수 있어야 한다 현재 인공 췌장은 두가지 형태로 개발되고 있다. .

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동물이나 사망한 사람으로부터 췌장세포를 떼어내 배양기에서 배양하여 인공췌장을 만들고,

배양한 췌장세포를 직접 복강 내에 주입하면 췌장세포는 몸속을 돌며 체내 상황에 맞게 인

슐린을 분비한다 인공췌장을 개발하기 위해서는 장기간 췌장소도의 생존과 기능을 유지. (1)

시킬 수 있어야 하고 생체적합성을 가져야 하고 췌장소도의 동종 혹은 이종 이식시, (2) , (3)

면역반응을 억제해야한다 또한 추가 인슐린 요법이 없어도 이식한 인공 췌장만으로 당. (4)

뇨병을 치료할 수 있어야 하고 생체에 무해하고 안정적인 재료를 사용해야 한다 이, (5) . (6)

식체나 이식체내의 췌장소도만을 수거 재충전할 수 있어야 하고 필요에 따라서는 몸 밖, , (7)

으로 제거할 수 있어야 한다.

인공췌장을 인체에 적용할 때 체내의 면역반응에 의해 췌장 세포가 파괴되는 것을 막기 위

해 보호막 고분자 화합물 주머니 으로 세포를 감싼다 최근 기술은 인슐린을 분비하는 췌장( ) .

의 췌도세포를 미세캡슐로 싸서 주입하는 방법 등이 연구 중에 있는데 미세 캡슐 이식방법,

은 영양분과 산소의 충분한 공급으로 췌장소도의 생존능과 생활성도를 증가시키고 짧은 확,

산거리에 의한 빠른 인슐린 분비 그리고 생체 내에서의 기계적인 안전성 등의 장점을 가지,

고 있다 하지만 췌장소도를 미세캡슐화하여 동물 체내에 삽입할 경우 동물의 체내에서 심.

각한 섬유증식증 를 동반하여 캡슐의 물질이동 과 기계적인 강도(fibroplasia) (mass transfer)

를 저해하고 외과 수술의 어려움이 없이 이식되지만 주입된 미세캡슐을 손쉽게 회수할 수,

없다는 단점을 가지고 있다 췌장소도를 거대 캡슐화하였을 경우에는 미세캡슐화에 비하여.

손쉽게 회수할 수 있다는 장점을 가지지만 상대적으로 크기가 커서 표면적대부피비에 의한

영양분과 산소의 충분한 공급이 되지 않아 췌장소도의 생존력과 생활성도가 감소하며 점차,

적으로 인슐린 분비능이 저하하는 단점을 가지고 있다.

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그림 체내 이식된 인공 췌장 오른쪽< 2-7> ( )

따라서 이 모든 문제점을 해결하기 위하여 새로운 생체복합 인공췌장의 기술개발이 요구되

고 있다.

이식된 췌장세포는 고분자 캡슐에 담겨 신체로부터 생존에 필요한 산소 및 영양소를 공급

받아 인슐린을 생산한다 인슐린은 고분자 캡슐의 막을 통과하여 외부로 방출된다 이러한. .

고분자 캡슐은 신체의 면역반응으로부터 이식된 세포를 보호하는 기능을 수행하기도 한다.

인공 췌장개발의 또 다른 형태로 자극반응형 약물전달 체계' ' (Drug Delivery system; DDS)

를 들 수 있다 몸이 약물을 필요로 할 때만 그 요구를 감지해 약물을 필요한 만큼만 방출.

하는 지능형 를 말한다 혈당량을 측정하는 센서와 캡슐형태의 고분자 물질로 포장된DDS .

인슐린을 체내에 이식하여 센서가 인슐린의 분비를 조절하도록 하는 형태이다 그러나 수시.

로 변하는 혈중 포도당 농도를 제대로 감지해서 인슐린을 투여하는 기술에는 이르지 못하고

있다.

이와 같이 지속적인 인슐린 분비에 의한 당뇨병 치료로서 생체복합형 인공췌장이 가능성을

보인다면 당뇨병 치료뿐만 아니라 세포이식술에 의한 파키슨씨병 치료 말기 암환자의 통증,

치료 지속적 성장호르몬의 이용에도 유사한 방법을 이용하여 치료가 가능해질 것으로 보인,

다.

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그림 의 체내이식형 인슐린< 2-8> MiniMed DDS社

사 기타.

미국 텍사스대학 에서는 맛을 구별해내는 인공 혀를 개발하는데 성공(University of Texas)

했다 전자혀 로 불리는 이장치의 핵심은 맛을 느끼는 화학적 센서로. ' (electronic tongue)'

수백 가지의 화학물질로 이뤄진 마이크로센서를 하나의 실리콘 웨이퍼 위에 얹어 인간의 혀

모양처럼 디자인한 것이다 단맛 짠맛 신맛 쓴맛 등 네가지 기본적인 미각 외에 이들 맛. , , ,

이 섞인 미묘한 맛의 차이도 구별해 낼 수 있으며 실제 연구팀이 여러 종류의 감미 요소로,

실험한 결과 각기 다른 화학성분을 회에 분석할 수 있었다 인공혀는 사람의 혀보다 정확1 .

도가 뛰어나며 사람의 혀가 맛을 시험할 수 없는 비위생적인 물질에 인공혀는 사용될 수,

있는 장점을 가지고 있다 예를 들어 혈중 콜레스테롤 농도를 분석한다거나 소변내의 코카.

인 성분을 검출하는 것 등에 인공혀는 탁월한 성능을 발휘하여 생물의약분야나 물과 공기,

의 오염을 측정하는 환경감시용으로도 널리 쓰일 것으로 전망된다.

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최근에 각을 담당하는 뇌의 부분에 작은 전극들을 삽입하고 외부 카메라에서 빛을 전기신,

호로 바꾸어 이 신호들을 뇌에 부착된 전극들로 전달해 희미하지만 외부 영상을 느낄 수,

있게 하는 인공눈의 개발이 성공17)하여 시각장애인들이 어렴풋이나마 사물을 분간하도록

해주는 역할을 할 것으로 기대된다 이 밖에도 각막상피세포를 투명한 생체재료에 심어 이.

식하는 인공각막이 개발되었으며 인공망막 제조기술로 직경 의 면적에 백만개의 시, 5mm 1

신경을 밀집시켜 영상정보를 전기신호로 바꿔 뇌에 전달하는 연구도 진행되고 있다.

또한 방광의 해부학적 기능이상으로 소변이 역류하는 질환에 연골세포를 방광에 위치한 요,

관 주위 조직에 주입함으로써 요관의 내경을 줄여 치료하는 방법이 임상에서 적용되었다 미(

국, Reprogenesis )社 18) 이외에도 인공젖꼭지 타액선 침샘 유방 등도 활발하게 연구되고. , ( ),