성공하는 IP-R&D전략 - 바이오세라믹 골이식재 기술과 특허 동향
성공하는 IP-R&D 전략은 한국산업기술진흥협회와 한국지식재산전략원간 협력사업의 일환으로 한국지식재산전략원에서 제공합니다.
▲ 전상규 / 한국지식재산전략원 전문위원 / instrian@kista.re.kr
지난 수십 년간 인체의 생체조직을 재생하고 복원하는 분야의 연구개발에서 많은 업적들이 이루어졌다.
특히, 뼈나 치아의 손상을 복구하기 위하여 여러 가지 생체 재료들을 활용한 연구들이 활발하게 진행되고 있으며, 가시적이 성과를 거둬들이고 있다.
생체 골격을 형성하고 있는 치아나 경골조직을 대체할 수 있는 대표적인 생체 재료로는 자연 유래의 골조직인 인체골과 동물의 뼈가 있으며, 최근에는 생체 적합성을 가지는 바이오세라믹이 골조직의 재생 및 대체에 효과적으로 활용되고 있다.
골이식재의 종류
손상된 골조직을 재생하거나 대체하는 골이식재는 크게 자가골이식재, 동종골이식재, 이종골이식재 그리고 바이오세라믹스를 이용한 합성골이식재로 분류할 수 있다.
(1) 자가골이식재
자가골이식재는 환자의 다른 부위의 뼈를 이식하는 것으로서 환자 자신의 조직을 사용하므로 항원·항체 반응을 일으키지 않아 치유가 잘 되는 장점이 있다.
하지만, 자가골이식재는 신체의 다른 부위에서 골조직을 채취해야 하므로 손상된 부위 이 외에 골조직을 채취한 다른 부위에도 수술 흔적을 남기는 단점이 있다.
또, 일부가 제거되어도 일상생활에 지장을 주지 않는 부위에서 정상적인 기능을 하는 뼈를 채취하여야 하므로 채취할 수 있는 뼈의 양이 제한적이다.
게다가 결손된 부위를 대체하여 주변 골조직과 결합되기는 하지만, 주변 조직인대의 부착 및 결합된 부분에서 골재생이 제대로 이루어질 지 예견할 수 없는 단점이 있다.
(2) 동종골이식재
동종골이식재는 유전적으로 유사한 개체로부터 뼈를 채취하여 이식하는 것으로서 자신이 아닌 다른 인체골이 이식에 사용된다.
인간의 골조직을 채취한 것이기 때문에 유전적으로 유사한 골조직이므로 치유 능력은 자가골과 거의 같은 수준이며, 자가골이식재의 문제점 중의 하나인 골조직 채취를 위한 신체의 다른 부위에 수술흔적을 남기지 않는다.
다만, 유전적으로 유사한 개체이기는 하나 환자 자신의 생체조직이 아니기 때문에 면역학적 거부반응이 나타나거나 골조직을 채취한 본래의 개체가 가지고 있는 질환에 전염될 가능성이 있다.
(3) 이종골이식재
이종골이식재는 인간의 골조직이 아닌 다른 동물로부터 골을 채취하여 이식하는 것으로 특히, 소나 송아지의 뼈를 사용한다.
동물의 뼈를 이식하는 경우 항원·항체 반응을 일으키는 등의 면역반응이 임상에서 문제가 될 가능성이 있다.
(4) 합성골이식재
마지막으로, 합성골이식재는 생체 친화성이 우수한 세라믹 재료를 이용하여 골조직을 대체하는 것으로서, 대표적으로 인산칼슘계 세라믹스가 다양한 형태로 개발되어 임상에 적용되고 있다.
최근에는 세라믹-고분자 복합재료 개발에 관한 연구가 진행되고 있으며, 골조직과 접촉하는 부분에 생체 친화성을 향상시키기 위하여 수산화 아파타이트(HA, Hydroxyapatite)를 코팅하여 뼈와 결합을 촉진시키기도 한다.
바이오세라믹스를 활용한 합성골이식재
생체 재료로 사용되기 위해서는 생물학적 안정성, 무독성, 생체 적합성, 내부식성, 내피로성, 대체 생체조직과 유사한 기계적 성질과 적당한 중량 및 밀도를 가지는 재료이어야 한다.
바이오세라믹스는 금속이나 고분자에 비해 생체 적합성이 우수하여 경조직 대체 재료로서 임상에 활발하게 적용되고 있다(표 1 참조).
합성골이식재로 임상에서 주로 적용되고 있는 것은 인산칼슘계 바이오세라믹스이다. 인산칼슘계 세라믹스는 화학성분이 골조직과 유사하여 생체 친화성이 다른 어떤 재료보다 우수하다.
그러나 기계적 강도나 내마모성이 낮기 때문에 하중을 받지 않으면서 생체 친화성을 활용할 수 있는 용도로 사용되고 있다.
표 2 칼슘과 인의 비율에 따른 인산칼슘계 바이오세라믹스의 분류에서 보여지는 것과 같이, 인산칼슘계 세라믹스는 Ca/P 비에 따라 다양한 유형으로 제조될 수 있다.
대표적인 인산칼슘계 세라믹스로서 수산화아파타이트(HA)는 뼈의 약 70%, 치아 에나멜의 약 97%를 차지하는 인체 경조직의 주요 성분이기 때문에 손상된 경골조직을 대체하는 데 있어서 주목받는 재료이다.
수산화아파타이트와 같은 인산칼슘계 세라믹스인 인산삼칼슘(TCP, Tri-calcium Phosphate)은 Ca/P 비가 1.50으로서 Ca/P 비가 1.67인 HA에 비하여 생분해가 잘되는
특성이 있어 HA와 함께 생체 재료로 사용되고 있다.
바이오세라믹스를 이용한 합성골이식재는 임상 목적과 인체 내 재료의 기계적, 화학적, 생물학적 특성에 따라 분말, 페이스트, 겔, 과립형, 벌크 제품의 형태로 다양하게 제조될 수 있다.
국내에서는 멀티패스 압출 공정을 이용하여 골조직 구조인 하버시안 캐널과 보크만 캐널을 모방한 합성골이식재에 관심을 가져 부분적으로 손상된 골조직에 충진되어 골재생을 유도할 뿐만 아니라 통뼈 형태로 제작되어 경골조직을 대체할 수 있는 제품에 관한 연구도 진행되고 있다(그림 1 참조).
골이식재 시장 동향 및 바이오세라믹 골이식재 특허 동향
(1) 시장동향
밀레니엄 리서치 그룹의 자료를 바탕으로 국내 업체를 조사한 국내 골이식재 시장 조사 자료에 따르면, 국내 골이식재 시장은 연 12% ~ 15% 성장하는 것으로 조사되었다(표 3 참조).
골이식재의 종류 중 동종골이식재와 이종골이식재에 비해 합성골이식재의 성장률은 상대적으로 높은 15%의 평균 성장율을 기록하고 있어, 자연유래 골이식재 시장에 비해 합성골이식재 시장이 더 크게 성장할 것으로 예상된다.
(2) 특허 동향
그림 2 는 합성골이식재와 관련된 기술을 응용 제품별로 분류한 특허출원 동향을 보여준다.
합성골이식재의 시장이 확대됨에 따라 관련 특허도 1990년대 후반부터 점차적으로 출원이 증가하다가 2000년대 중반 급격한 성장세를 보인 것으로 나타났다.
기술분류별로 보면, 겔퍼티형과 골시멘트가 전체의 60%로 비중이 높게 출원되는 경향이 있다.
이는 주사제나 손상된 골조직을 매립하는데 사용되는 겔퍼티형과 임상에서 다양하게 응용될 수 있는 골시멘트에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있음을 보여준다.
향후 전망과 과제
전 세계적인 인구 노령화에 따라 우리나라의 경우에도 2000년에 이미 65세 이상의 노인 인구가 전체 인구의 7%를 넘어섰고, 인구의 고령화 속도 또한 OECD 국가 중 빠른 편에 속한다.
인간의 수명이 연장되면서 의료산업도 이에 맞춰 노령 인구의 신체 기능을 복원하는 의료 서비스를 제공하는 방향으로 발전될 것으로 예상되고 있다.
특히 기능이 약화되거나 손상된 치아 또는 골격조직을 재생하고 복원하는데 사용되는 골이식재 시장이 급성장할 것으로 예상되며, 최근에는 이와 관련된 다양한 기술과 제품이 개발되면서 관련 특허출원도 국내외적으로 증가하고 있는 추세이다.
바이오세라믹 합성골이식재 제조기술뿐 아니라 합성골이식재의 생분해 및 골재생 기능을 개선하기 위해 콜라겐이나 피브로인과 같은 단백질 유도물질을 도입하거나 약물전달 물질을 골이식재에 결합하여 골다공증과 같은 퇴행성 질병의 진행을 억제하는 기술 등 골이식재의 응용기술에 관한 특허출원이 늘어나고 있는 추세이다.
의료기기와 의약품 분야에 비해서 아직 세계시장 규모가 작아 골이식재와 관련된 특허 분쟁은 일어나지 않았지만, 향후 시장이 확대되고 후발 기업에 의해 선진사의 영역이 축소될 경우 관련 기술의 특허 분쟁이 발생할 것이라는 것은 충분히 예견되고 있다.
국내의 바이오세라믹스를 이용한 합성골이식재 시장은 국내 기업이 일부 제품을 공급하고 있지만, 대부분은 선진국과 다국적 기업에 의존하고 있는 것이 현실이다.
긍정적인 측면은 특허출원 동향으로 미루어 볼 때, 바이오세라믹스를 이용한 합성골이식재기술은 아직 초기 단계에 불과하여 국내 기업이 기술을 선점할 수 있는 가능성이 높다는 것이다.
따라서 골이식재의 구조 및 생산기술뿐 아니라 골이식재에 다양한 부가기능을 부여하는 물질을 첨가하거나 표면코팅 등의 응용기술을 개발하여 특허 포트폴리오를 구축함으로써 향후 발생될지도 모른 특허 분쟁에 대비하여야 할 것이다.