기술과 솔루션
생분해성 폴리머의 현황과 전망 1
작성자 : 편집부
2019-03-11 |
조회 : 3702
Ⅰ. 서론1-4
생분해성 폴리머에 대한 메디컬 및 약물전달 분야와 친환경 분야 응용에 대한 관심이 지난 30여 년간 지속적으로 증대되어 왔고, 앞으로 더욱더 사회적 요구가 커질 것으로 전망된다. 특히 플라스틱 폐기물에 의한 생태계 교란문제 인식과 이에 대한 대응 필요성이 전 세계적으로 확산되고 있다. 본 보고서에서는 [참고문헌 1]을 근간으로 하여 생분해성 천연폴리머와 합성폴리머에 대한 고찰과 함께, 특히 합성폴리머인 폴리에스터 계열 폴리머 특성을 좀 더 세밀하게 소개하고자 한다.
일반적으로 대부분의 폴리머 분해는 폴리머 분자의 근간 사슬이나 옆가지 사슬에서 절단이 시작되며, 이는 열에 의한 활성화, 산화, 광분해, 방사선 분해 또는 가수분해에 의해 분해가 일어나면서 가속화 된다. 일부 폴리머는 폴리머 주변에 세포나 또는 미생물이 있는 환경에서 분해가 일어난다. 이러한 환경은 흙, 해양, 강과 하천 또는 사람이나 동물 체내에서도 효소에 의해 또는 가수분해로 일어나게 된다.
생분해성 바이오 폴리머와 이들의 유도체는 다양하며 흔하고, 흥미로운 특성을 가지며 다양한 용도로 그 중요성이 증가하고 있다. 이들을 화학 구조에 따라 8가지 주요 부류로 나눌 수 있다; (1) ribonucleic acids와 deoxyribonucleic acids와 같은 핵산, (2) 단백질, 폴리아미노산과 같은 폴리아미노산, (3) 셀룰로오스, 전분과 같은 폴리사카라이드, (4) poly(hydroxyalkanoic acids)와 poly(malic acid) 같은 organic polyoxoesters, (5) polythioesters, (6) polyphosphate인 inorganic polyesters, (7) 천연고무 같은 polyisoprenoids, 그리고 (8) 리그닌 또는 humic acids와 같은 polyphenols.
바이오 폴리머는 생물 유기체에서 생성되며 세포 건조물의 대부분을 차지한다. 엄격한 의미로, 이들 폴리머는 가수분해 또는 산화분해를 위해서는 미생물의 효소를 필요로 한다. 이러한 정의는 생분해성 고분자이며 많이 활용되는 폴리락타이드 계열에는 해당이 되지 않는다. 왜냐하면 폴리락타이드는 수분만 존재한다면 가수분해 효소 도움 없이도 상온과 중성 pH에서도 상대적으로 빠르게 분해되기 때문이다. 이는 우리가 흔히 폴리락타이드는 생분해성이라고 부를 때 혼동이 온다.
폴리락타이드, 특히 폴리글리콜라이드는 체내에서 쉽게 가수분해 되어서 단량체와 올리고머로 되어 수분을 함유한 매체에 쉽게 녹는다. 결과적으로, 폴리머 전체 무게가 없어지게 되며 남은 부분이 없게 된다. 일반적으로, 체내에서 일정 시간이 지남에 따라 폴리머의 무게 감소가 일어나는 폴리머를 분해 방식과 관계없이 흡수성, 재흡수성, 또는 생체흡수성 폴리머, 생분해성 폴리머로 같이 부른다. 다시 말해 효소와 비효소 가수분해 모두와 관계된 것이다.
이러한 혼동을 피하기 위해, 일부 사람들은 “생분해성”은 플라스틱 폐기물로부터 지구환경 보호를 목적으로 개발된 친환경 폴리머 같은 것에만 사용해야 된다고 주장하며, 한편 사람 체내에 이식을 위한 의료목적으로 적용한 폴리머는 “생분해성”이라고 부르지 말고 ‘재흡수성’ 또는 ‘흡수성’으로 불러야 된다고 주장한다.
그러나 본 논문에서는 이러한 혼동의 명명에도 불구하고 “생분해성”을 사용한다. 왜냐하면, 생체재료 분야에서는 이러한 명명이 넓게 사용되어 왔으며, 비효소 가수분해로 체내에 흡수되는 것에 대한 것도 포함한다. 다시 말해 “생분해성”이라는 단어는 이 보고서에서는 넓은 의미로 폴리머가 체내에 삽입된 후에는 궁극적으로 없어지는 것을 뜻하는 것이다. [그림 1]은 폴리머의 재흡수에 대한 다양한 기전을 보여주고 있다.
이들 생분해 폴리머는 현재 2개 주요 응용분야가 있다. 하나는 바이오메디컬 폴리머로 환자를 위한 의료에 활용과, 다른 하나는 지구환경을 청결하게 하기 위한 친환경 폴리머로 활용하는 것이다. 현재 이용 가능한 생분해성 폴리머의 대부분은 이 두 가지 목적 중 하나로, 또는 두 가지 목적으로 다 사용되고 있다. 그러나 일부는 [그림 2]에서 보여주는 바와 같이 두 가지 목적으로도 응용할 수 있다.
생분해성 폴리머는 근원을 기반으로 하여 분류할 수 있다. [표 1]에 폴리머의 근원에 따라 분류된 생분해성 폴리머를 열거하였다. 이 보고서의 목적은 이미 산업화 되었거나 의료 및 친환경 응용을 위해 개발 중인 대표적인 생분해성 폴리머에 대한 간추린 개관을 보여주는 것이다.
Ⅱ. 생체재료4-8
다양한 폴리머가 예방의학, 임상조사, 그리고 질환의 외과적 치료를 포함하는 의료용으로 사용되고 있다. 이와 같이 의료목적으로 사용되는 폴리머들 중 우리 몸의 살아있는 세포와 직접 접촉에 사용될 때, 이 특정그룹의 폴리머를 “고분자 생체재료”라고 부른다. 의료분야에서 고분자 생체재료의 전형적인 응용은 일회용 제품으로 주사기, 혈액 백, 카데터가 있으며, 수술 시 사용되는 봉합사, 접착제 및 실란트 등이 있고, 생체조직 대체용 보철로 백내장용 안 렌즈, 치과 임플란트 및 가슴 보형물, 그리고 임시 또는 영구적 인공기관으로 인공신장, 인공심장, 그리고 인공혈관이 있으며 이들은 오랜 기간 사용되어 오고 있다.
이들 생체재료는 상업용 제품 관점에서 보면 같은 화학구조를 가진 폴리머 일지라도 비 의료분야에 사용되는 재료와는 많이 다르다. 예를 들어 고분자 생체재료로는 정부의 엄격한 규제 허락을 받지 않고서는 생산할 수도 없고 판매할 수도 없다. 예로서 대구경 혈관 대용으로 사용된 혈관은 폴리에스터인, PET로 만들어져 있다. 이를 의료용으로 생산하고 판매하기 위해서는 정부의 규제에 합당하는 모든 시험항목과 제조 공정을 이행한 자료에 대한 허락을 받아야만 된다. 일반적으로 정부의 허락을 받기 위한 최소조건은 재료의 비독성, 소독, 효능성, 생체 친화성과 관련된 시험규제 항목평가에 합격이 되어야 된다.
최근에 생분해성 의료용 고분자는 많은 주목을 받고 있으며 그 이유는 2가지로 요약할 수 있다. 인공재료가 체내에 삽입되었을 때에 이물질 거부반응이 크게 안 일어나는 생체친화성 재료를 개발하는 것은 어렵다. 이와 반대로, 생분해성 폴리머는 생체 내에서 오랜 기간 머무르지 않으며, 이물질을 남기지 않고 없어지기 때문에 우수한 생체친화성을 요구하지 않는다. 생분해성 폴리머가 많은 주목을 받는 또 다른 이유는 장기간 임플란트로 체내에서 이물질로서 오래 남기를 누구도 원하지 않기 때문이다.
생분해성 폴리머가 의료분야 응용에 매우 유망한 것으로 보이나, 이러한 폴리머는 임상적용에서 현재 크게 각광 받지 못하고 있다. 이는 분해 부산물의 독성 문제가 있을 수 있기 때문이다. 생체재료의 독성원인은 대부분이 저분자량 화합물이 생체재료로부터 흘러나와 환자의 체내로 들어가기 때문이다. 이들은 중합이 안 되고 남아있는 단량체, 소독해도 제거되지 않은 에틸렌 옥사이드, 산화방지용 첨가제 및 안료, 그리고 남아있는 중합 개시제의 일부 및 촉매 등과 같은 것이다.
또한 생분해 폴리머는 항상 저분자량 화합물을 분해 결과물로 외부 환경에 방출한다. 만약 이들이 세포표면과 상호작용하거나 세포내부로 들어간다면, 이들 이물질은 세포의 정상상태를 교란시킬 수 있다. 순수한 폴리에틸렌과 실리콘은 독성이 없지만 생체 친화성은 아니다. 왜냐하면 이들을 체내에 이식하면 혈전이 형성되며 이들 표면 위에 콜라겐 섬유조직이 형성된다.
생분해성과 비 생분해성 폴리머 사이에 독성 용어의 큰 차이는 생분해성 폴리머는 필연적으로 저분자량 화합물을 만들며 살아있는 세포에 부작용을 초래한다. 생분해성 폴리머의 의료 산업적 응용은 [표 2]에서 보여주고 있다. [표 3]에는 의료산업에 현재 사용 중이거나 조사 중인 대표적인 합성 생분해성 폴리머를 나타냈다.
의료산업에서 생분해성 폴리머를 가장 많이, 그리고 오랫동안 사용한 분야는 봉합사이며, 동물의 내장에서 얻어진 콜라겐 섬유가 오랫동안 사용되어왔다. 합성 생분해성 폴리머를 봉합사로 사용한 것은 미국에서 1970년대에 시작되었다. 이러한 목적으로 사용되는 상업적 폴리머는 polyglycolide가 대표적이며, glycolide-L-lactide(90:10)와 함께 가장 많은 양이 사용된다.
또 하나의 응용분야는 부러진 뼈를 고정시키기 위한 정형외과와 치과용 제품으로, 금속으로 만들어진 plates, pins, screws를 대체하는 것이다. 금속제품은 수술 후 뼈가 접합된 일정기간이 지나면 이를 제거하기 위해 재수술을 해야 하지만 생분해성 폴리머 제품은 뼈가 접합될 때까지 강도를 유지하다 그 후에는 분해되어 체외로 배출되기 때문에 재수술을 할 필요가 없는 장점을 가진다. 또한 최근에는 이들 재료를 재생의학용으로 세포를 부착·성장시키기 위한 스캐폴드로 많은 연구가 진행 중이다.
Ⅲ. 약물 전달 시스템4-8
체내에 약물을 좀 더 효율적으로 질환 부근에 전달시키기 위한 새로운 복용기술로, 약물전달 시스템(DDS)이 1960대에 미국에서 시작되었다. DDS의 목적은 약물을 질환부위에 원하는 기간 지속적으로 전달하며 건강한 부위에는 영향을 주지 않는 것으로, 외부자극에 의한 약물제어 방출, 피부나 점막을 통한 약물의 단순전달 방법이 포함된다.
폴리머는 이러한 새로운 제약기술에 매우 효과적이다.
만약 약물이 주사와 같이 비경구로 투입된다면, 약물 운반체로 사용되는 폴리머는 가급적 체내에 흡수되어야 한다. 약물이 전달된 후에는 폴리머가 더 이상 필요하지 않기 때문이다. 그러므로 생분해성 폴리머가 폭넓게 사용되고 있으며, 특히 체내에 주사 또는 임플란트로 서방성 약물용으로 투입 시에 사용된다. 이러한 목적으로, 체내흡수성 나노스피어, 마이크로스피어, 비드, 실린더, 그리고 디스크 형태를 생분해성 폴리머를 사용하여 제조한다.
약물 운반체로 가장 많이 사용되는 형태는 마이크로스피어이며, 여기에 약물을 봉입시켜 약물이 물리적 확산을 통해 방출되게 하는 것이며, 이어서 마이크로스피어 재료는 흡수된다. 이와 같은 마이크로스피어는 PLGA를 사용하여 용매증발 법으로 만들 수 있다. 자연에서 생성된 생분해성 폴리머 또한 지속성 약물 전달체로 사용된다. 만약 약물이 수용성이라면, 폴리머가 생분해성이 될 필요는 없다. 왜냐하면 이 폴리머는 소변이나 변과 함께 체외로 방출된다.
[그림 3]은 생분해성 고분자에서 친수성기의 증가에 따른 단백질모델 약물 BSA의 지속적인 방출거동을 보여주고 있으며, 친수기 증가에 따라 방출이 증가됨을 보여주고 있다.
Ⅳ. 재생의학5-8
재생의학은 과학, 공학 및 의학 등 여러 분야의 전문지식을 기초로 하는 학문으로 인체의 손상된 조직이나 장기를 치유하거나 대체하여 정상적인 기능을 복원하는데 그 목적이 있다.
재생의학의 발전과정은 초기의 조직공학(tissue engineering) 연구로부터 시작되었다고 해도 과언이 아닌 만큼 그 개념과 목적은 조직공학과 유사하다. 현재의 조직공학 연구는 30여 년 전 초보적인 세포 배양기술과 폴리머를 사용하여 장기제작을 시도하며 시작되었다.
초기의 재생의학은 인간의 조직과 장기를 대체할 수 있는 치료법의 개발이 가능할 것으로 주목을 받았으나 조직의 형성에 필요한 지식과 기술의 부족으로 새로운 치료법의 개발과 응용에 한계가 있었다. 그러나 최근 관련분야 외에 기계공학, 컴퓨터공학, 빅데이터, 인공지능을 비롯한 첨단 기술발전과 접목으로 혁신적인 결과들이 발표되고 있다.
재생의학의 핵심요소는 세포, 생체재료와 생리활성 물질로 이들을 종합적으로 어떻게 최적화시켜 조직을 재생하게 만드는 것이 관건이 된다. 조직의 손상된 부위가 너무 커서 전통적인 약물치료로 복원을 할 수 없을 때에는 특정세포를 스캐폴드에 부착·성장·분화시키기 위해 성장인자 함께 이식하여 조직이 형성 된 후에는 스캐폴드는 분해되어 없어지며 생성된 조직만 남아 기능을 한다는 개념이다.
이미 언급한 바와 같이 병든 조직이나 기관은 인공장기나 기관 이식으로 대체하나 이들 모두 문제가 있다. 임상적으로 사용되는 인공장기의 생체적합성은 체내 이물질 반응을 방지하기에는 만족스럽지도 못하며 기능도 만족스럽지 못하다. 이와는 대조적으로, 이식된 기관은 생체기능은 우수하나 면역거부반응으로 인한 부작용 때문에 환자는 면역억제제를 복용해야만 된다. 물론 기관이식의 주요 문제는 기관 기여자가 수요자에 비하여 절대적으로 부족한 현상이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 제시된 치료법이 초기의 조직공학이었다.
생분해성 폴리머는 세포 부착·성장과 분화를 위한 스캐폴드로 필요할 뿐만 아니라 성장인자와 같은 생리활성 물질을 조직재생 부위에서 지속적으로 방출시키기 위해 필요하다. 일반적으로, 스캐폴드는 다공성체로 만들어지며 많은 세포가 침투되어 성장 분화할 수 있도록 만든다. 만드는 방법은 생분해성 폴리머를 기반으로 한 3D 프린팅, 화이버 스피닝, 상 분리, 주사 겔, 염 추출법 등 다양한 방법들이 개발되었다.
3D 프린터를 이용하여 다공성 지지체를 만드는 모식도는 [그림 4]와 같다. 최근에는 또한 외부자극인 pH, 온도, 물리적 자극, 전기, 음파, 화학적 변화와 생물학적 자극에 반응하는 생분해성 폴리머를 이용한 조직공학, 약물전달, 메디컬 디바이스, 면역 엔지니어링 등에 활용하기 위한 연구가 진행되고 있으며 [그림 5]는 이에 대한 개념 모식도를 보여준다.
