연구성과

화공 차형준 교수팀, ‘홍합’과 ‘규조류’로 임플란트 회복 크게 앞당겨

2017-12-11 384

[홍합접착단백질-실리카 하이브리드 소재로 2배 빠른 골 조직 재생 확인
표면 거칠기 조절할 수 있는 혁신적인 임플란트 코팅소재 개발]

충치나 사고, 노화로 인해 치아가 제 기능을 못 하게 될 때 최후의 수단으로 발치 후 임플란트 시술을 고려한다. 임플란트는 자연치아와 유사한 성능을 낼 수 있어 널리 적용되고 있지만, 초기 골 융합*1 이 일정 기간 내에 발생하지 않을 때에는 재수술을 해야 하는 문제점이 있다. POSTECH 연구팀은 홍합과 해양 미세조류인 규조류(diatom)에서 유래한 성분을 바탕으로 임플란트 표면을 코팅해서 거칠기를 조절하고, 임플란트가 잇몸뼈 사이에 빠르게 자리 잡을 수 있도록 촉진하는 기술을 개발했다.

화학공학과 차형준 교수와 조윤기 박사는 영남대학교 화학생화학부 김창섭 교수팀과의 공동연구를 통해 홍합이 바위에 잘 붙어있기 위해 분비하는 접착 단백질과 규조류가 생존을 위해 몸의 외벽을 세우는데 필요한 실리카 생광물화*2 메커니즘을 응용해 새로운 유-무기 하이브리드 생체적합성 코팅 소재를 개발했다. 특히, 이 코팅 소재는 임플란트 골 융합과 재생을 빠르게 도와 임플란트 수술 성공률을 높여 환자의 삶의 질 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다. 특히 노인이나 당뇨, 골다공증 환자 등 잇몸뼈 기능이 현저히 저하된 사례에 더욱 효과적으로 활용될 전망이다.

실리카 나노입자는 뛰어난 골세포 분화능력에도 불구하고 덩어리로 뭉쳐지면 쉽게 부서진다는 단점 때문에 응용하기 쉽지 않았다. 연구팀은 이미 뛰어난 접착력과 인체내 안전성을 검증받은 홍합접착단백질을 분자생명공학적으로 재설계해 실리카 나노입자를 형성하는 단백질 ‘R5-MAP’를 개발했다.

보도자료

‘R5-MAP’는 표면에 안정적으로 코팅돼 체액과 유사한 조건에서 실리카 나노입자의 형성이 가능하며, 이러한 실리카 나노입자를 다중층 방식으로 코팅함으로써 티타늄 임플란트 표면의 거칠기를 조절할 수 있다는 것이 입증됐다. 또한, ‘R5-MAP’ 기반 실리카 나노입자 다중층을 티타늄 표면에 코팅해 체내 골 결손 부위에 이식할 경우, 2배 이상 높은 골 조직 재생을 유도하는 것으로 밝혀졌다.

이번에 개발된 코팅 소재는 높은 무게를 지탱해야 하는 체내 골 조직 부위 식립을 위한 티타늄 임플란트에 실리카 나노입자를 성공적으로 적용했다는 점에서 특히 의미가 크다. 또한, 티타늄뿐 아니라 다양한 임플란트 소재 표면에도 적용 가능해 더욱 기대를 모은다.

한편, 국내·외 특허 출원을 통해 이미 원천 지식재산권을 확보한 이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 해양극지기초원천기술개발사업 중 ‘해양 생광물화 경로 규명 및 모사 통한 다기능성 생광물 복합소재 개발’과 해양수산부가 추진하는 해양수산생명공학 R&D 사업 중 ‘해양 섬유복합소재 및 바이오플라스틱소재 기술개발’의 지원을 받아 수행됐다.

이번 연구결과는 재료과학분야 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’의 표지 논문으로 발표됐다.
 


1. 골 융합(Osseointegration)
의료용 금속 임플란트의 성공적인 적용을 위한 필수 조건으로서, 임플란트 식립체와 골 조직 사이의 결합을 뜻한다. 일반적으로 임플란트의 골 융합을 증진시키기 위한 전략으로 물리·화학적 표면 개질이 널리 활용되어 왔다.

2. 실리카 생광물화(Biosilicification)
생명체는 기본적으로 유기물(단백질, 지질, 탄수화물)로 구성되나, 해양 규조류의 경우 실리카로 이루어진 무기물 기반의 조직을 지닌다. 규조류가 체내의 통제 가능한 생리활성을 통해 외부 환경으로부터 유기물과 무기물을 받아들여 실리카 기반의 외벽 구조물을 만드는 전체적인 과정을 실리카 생광물화라고 한다.