조직공학용 생체재료②

1 조직공학용 생체재료(Biomaterials)

조직공학은 생체적합한 생분해성 지지체에 이식 또는 주변 조직에서 전도된 세포가 생체조직(engineered tissue)을 형성하는 동안 지지체는 체내에서 서서히 분해되고 최종적으로는 새로운 생체조직을 재생시키는 새로운 치료법이다. 이를 위해 생체적합성과 분해특성이 우수한 재료들을 기반으로 조직재생 능력을 효과적으로 유도할 수 있는 세포외기질을 모방한 지지체가 연구개발 되었다. 재생을 원하는 조직에 따라 요구되는 재료의 특성이나 지지체 구조의 차이는 있지만, 조직공학적 지지체로서의 기본적인 요구조건으로는 생체적합성, 적합하 기계적 물성, 생분해성, 다공성 등이 있다. 

 

(1) 조직공학용 생체재료

생체재료의 중요한 기본조건은 생체적합성과 생체기능성이다. 조직공학에서 사용되는 생체재료에서는 그에 더해 생분해 특성이 중요하다. 특히, 체내에서 생분해되는 분해산물의 생체적합성과 세포적합성이 좋아야 한다. 지난 20여 년간 조직공학에서 사용되고 있는 우수한 분해특성을 갖는 재료들은 크게 합성고분자와 천연고분자재료, 그리고 세라믹재료로 나눌 수 있다. 

 

① 분해성 합성고분자

천연고분자는 우수한 생체적합성을 갖는데 비해 물성이 취약하고 분해특성의 조절이 어렵다는 단점이 있다. 반면, 생분해성 합성고분자는 인공적인 방법으로 만들어진 재료이며 분자의 구조, 분자량, 그리고 공중합체의 조성을 인위적으로 조절할 수 있어서 분해특성 및 기계적 특성도 용도에 맞게 변화시킬 수 있는 장점이 있다. 조직공학에 사용되는 분해성 합성고분자는 수수용 봉합사 소재로 60년대 말에 이미 미국 식품의약국(Food and drug administration, FDA)의 승인을 받은 전술한 Polyglycolide(PGA)를 시작으로 polylactide (PLA)와 이 둘의 공중합체인 poly (lactide-co-glycolide) (PLGA) 그리고 polycaprolactone (PCL)과 같은 지방족 폴리에스테르(polyester)가 가장 널리 사용되고 있다. PGA는 통상 체내에서 1-2개월 사이에 분해되며, PLA는 그 반복 단위의 메칠그룹 때문에 PGA에 비해 더욱 소수성을 띄어 분해에 수개월에서 1년까지도 걸린다. PLGA는 그 공중합비에 따라 PGA와 PLA 사이의 다양한 분해속도를 나타낸다. 한편, PCL은 분해속도가 더욱 느리지만 유리전이 온도(Tg)가 낮아 상온 유연성이 우수한 편이다. 이들 합성고분자는 열가소성(thermoplasticity)으로, 가공성이 좋아 높은 다공성과 표면적을 가지는 3차원적 구조물로 제조되어 조직공학적 지지체로 널리 활용된다. 하지만 이들 합성고분자들은 기본적으로 가수분해(hydrolysis)이며 최종적으로는 이산화탄소와 물로 분해되지만 중간 분해생성물이 산성을 띄어 국부적인 염증 유발 및 세포괴사의 문제가 보고되고 있다.

 

② 분해성 천연고분자

천연고분자는 단백질(protein) 또는 다당류(polysaccharide)로써 인체 내에서 일부 면역반응의 문제가 있지만, 친수성이면서 세포신호 성분을 갖고 있어 세포와 부착, 증식, 분열을 증진시키며, 생체조직을 구성하는 성분과 유사하여 생체적합성이 우수한 장점이 있다. 다른 소재에 비해 취약한 기계적 강도 및 면역반응 및 감염우려, 그리고 내열성이 좋지 않아 가공이 용이하지 않은 단점이 있지만 하이드로젤의 형태로 주사제로써의 사용가능성과 높은 생체적합성은 조직공학용 소재로써의 큰 장점이다.

대표적인 구조단백질인 교원질(collagen)은 동물 결합 조직과 대부분의 세포외기질의 주성분으로 전신 단백질 성분의 30%를 차지하는 섬유상 고체로 다양한 폴리펩타이드로 구성되어 있으며 그중 1형 교원질이 생물학적 활성화, 뛰어난 세포와의 접착성 및 세포의 분화-증식 유도, 성장인자와의 높은 결합력과 경조직의 석회화 유도등의 역할로 오랫동안 사용되어 왔다. 최근에는 교원질의 항원인식부위(telopeptide)를 제거하여 이식 후 생체 내에서 염증반응이나 면역반응을 거의 일으키지 않는 아텔로콜라겐(atelocollagen)이 생체적합성 재료로, 상처치유나 조직재생소재 및 무기물과의 복합소재로 많이 사용되고 있다. 또한 교원질을 화학처리하여 삼중나선(triplehelix) 구조를 변형시킨 단일나선(single-helix) 형태의 젤라틴(gelatin)도 지지체의 재료로 널리 사용되고 있다.

다당류는 단당류(mono-)나 이당류(di-saccharide)가 반복하여 배당체결합(glycosidic binding)을 하고 있는 탄수화물 고분자를 일컫는다. 이들 다당류에는 셀룰로오스(cellulose), 알지네이트, 히알루론산, 전분, 덱스트란, 헤파린, 키틴 및 키토산 등이 널리 사용된다. 주로 게의 껍질에서 추출한 키틴을 통해서 만들어지는 키토산은 세포 외기질의 주 다당류 성분 중 하나인 클리코사미노글리칸(glycosaminoglycan, GAGs)과 유사한 구조를 가지며 양전하를 띄기 때문에 음전하를 띄는 생체조직 표면에의 부착성이 양호하고 항균성을 가지고 있어 창상피복이나 인공피부 재생에 사용되고 있다. 알지네이트는 키토산과 반대로 음전하를 띄고 금속이온과 결합하여 겔을 형성하며, 세포외기질 다당류 성분인 히알루론산은 생체적합성이 매우 우수하고 세포침투성이 좋은 것으로 알려져 있다.