의료용 고분자 소재 시장은 재생의료용을 중심으로 성장이 기대되고 있다.
재생의료는 살아있는 세포를 주입한 기기 등을 환자 체내에 이식하거나 내재성 줄기세포를 세포 증식 분화 인자를 통해 활성화 및 분화시킴으로써 손상된 장기 및 조직의 자체 재생능력을 활성화시켜 잃어버린 기능을 회복시키는 의료를 의미한다.
일본 경제산업성이 2013년 2월 발표한 「재생의료 실용화·산업화」 보고서에 따르면, 일본은 재생의료 시장규모가 2020년 1900억엔, 2030년 1조3000억엔, 2050년 3조8000억엔으로 확대되고 세계시장도 2020년 2조엔, 2030년 17조엔, 2050년에는 53조엔으로 급성장할 것으로 예상되고 있다.
국책으로 재생의료 진흥을 추진하고 있으나 현재는 재생의료 첨단기술의 중심이 세포와 증식 인자이기 때문에 관련 고분자 소재의 활용은 한정적인 것으로 파악되고 있다.
다만, 의료용 고분자 소재 시장은 재생의료가 발전함에 따라 수요가 증가하고 있는 세포배양 관련 고분자계 시장이 확대되고 재생의료 주변 시장도 2015년 1000억엔에서 2030년 4400억엔으로 성장할 것으로 예측되고 있다.
중장기적으로는 세포와 인공소재의 하이브리드화를 통한 장기 재생이 실현되면 고분자 소재의 정의를 다시 설정해야 할 것으로 판단된다.

1960년대 의료용 고분자 소재 등장
플래스틱 등 고분자 소재를 활용한 일회용 의료기기는 1960-1965년경부터 의료현장에 본격 등장하기 시작했다.
현재 의료 분야에서는 다양한 고분자 소재가 활용되고 있으며 검사, 진단, 치료를 목적으로 하는 등 용도가 폭넓은 것으로 파악되고 있다.
특히, PVC(Polyvinyl Chloride), PP(Polypropylene), PE(Polyethylene) 등이 주류를 이루고 있다.
PVC가 많이 사용되고 있는 것은 소재로서 화학적인 안정성이 우수할 뿐만 아니라 유연성 및 내구성, 투명성이 뛰어나고 가소제 첨가량에 따라 물성을 자유롭게 컨트롤할 수 있으며 열 및 고주파를 통해 융착할 수 있는 장점이 있기 때문이다.
PP는 내약품성이 우수하고 비중은 작으나 내열성이 비교적 높아 멸균 처리시 물성 안정성이 있으며 기계적 강도가 뛰어난 점 등이 특징이다.
의료용 플래스틱 시장은 소재 성능이 향상됨에 따라 함께 성장하고 있으나 플래스틱 시장 전체의 성장률을 크게 상회하는 정도는 아니며 생산량이 약 1%에 불과한 것으로 나타나고 있다.
의료용 고분자 소재 가운데 임플란트, DDS(약물전달시스템), 재생의료 등 첨단의료는 생체 적합성 및 생분해성 등 생물학 기능과 물성·기능과의 양립이 주요 과제로 파악되고 있다.
최근에는 의료용 고분자 MPC(2-Methacryloyloxy Ethyl Phosphorylcholine) 폴리머가 주목되고 있다.
MPC 폴리머는 1978년 도쿄의과대학 치과대 연구진이 설계했으며 측쇄에 세포막과 동일한 인지질 양쪽성 이온기를 보유하고 있어 높은 생체 친화성, 항혈전성, 윤활성, 보수성 등의 특징을 보유하고 있다.
이후 도쿄대학 연구진이 MPC 폴리머의 대량 합성법을 확립했으며 1999년 NOF가 상업화하는데 성공해 스텐트(혈관용), 콘텍트렌즈, 인공폐, 인공심장, 인공관절, 세포배양기구, 화장품, 의료 등에 활용되고 있다.

재생의료 분야에서 세포 조립기술 활용
1993년 미국의 Robert Samuel Lange와 Joseph Philip Vacant는 조직 재생의 근원이 되는 세포(줄기세포) 및 세포 외 기질 역할을 담당해 세포가 성장하는 세포담체(Scaffold), 세포 증식 인자를 적절하게 조합해 인공장기·조직을 만들어 낸다는 새로운 개념 「Tissue Engineering」을 제창했다.
재생의료에 접근하기 위해서는 3가지 요소를 활용해 인공적으로 체외(배양용기)에서 조직을 재생해 체내에 이식하는 방법과 재생을 목적으로 체내에 3개 요소를 이식해 재생을 촉진하는 방법이 있다.
최근 연구에서는 반드시 3개 요소 모두를 필요로 하지 않는 방법에 관한 연구도 활발한 것으로 나타나고 있다.
잉크젯 등 공학적 기술을 응용해 세포를 3차원적으로 조립하는 기술(Bio-Fabrication) 및 3차원 구조 활용하지 않는 세포 시트 공학 등이 연구되고 있다.
뿐만 아니라 신경과 같이 내재성 줄기세포인 조직은 재생을 위한 세포 이식을 시행하지 않고 재생환경으로서의 세포담체 내지 세포담체와 신경 성장 인자만으로 재생을 촉구하는 방법도 있다.
재생의료에서는 세포담체와 세포시트 공학 배양기재의 핵심물질인 온도 응답성 고분자 등이 활용되고 있다.

PLA·PGA·PCL, 기반소재 활용 “한계”
동물세포에는 부유성 세포와 접착성 세포가 존재하며 부유성 세포는 부유한 채로 증식할 수 있으나 대부분의 세포는 접착 세포이기 때문에 증식하기 위해서는 주위의 세포외 매트릭스라 불리는 구조에 접착해 기반을 확보할 필요가 있다.
재생의료에 사용되는 기반소재는 세포를 증식하는 기재로서 세포 접착성 및 기반소재별로 생체에 이식하기 위한 생체적합성, 조직 재생에 따른 소실 등이 필요해 생분해성 및 생체흡수성이 요구되고 있다.
기반소재로서는 생분해성 고분자, 생체 기반 고분자, 인산 칼슘계 세라믹 및 복합소재 등이 있다.
생체흡수성 고분자는 재생조직과 함께 흡수성 및 역학적 성질, 구조 등을 제어하거나 복수의 생체흡수성 고분자를 복합화하는 것도 가능하다.
또 생체조직을 재건할 때 생체 흡수성보다 강도를 보유하고 있는 소재를 사용하는 것이 재생에 용이할 수 있기 때문에 치주 조직을 재생할 때 금속계 섬유 및 다공체를 표면 처리해 생체 분자를 수식한 후 재생의료 기반소재로 응용하는 활동도 이루어지고 있다.
금속소재는 반영구적으로 체내에 남기 때문에 비교적 생체조직 적합성이 높은 티탄계가 사용된다.
PLA(Polylactic Acid) 및 PGA(Polyglycolic Acid), PCL(Polycaprolactone) 등 생분해성을 보유하고 있는 합성 고분자는 세포 접착성 등 생물학적 특성이 생체 기반 고분자에 비해 뒤떨어지기 때문에 기반소재로 활용하기 위해 일련의 생리활성분자 수식 또는 복합이 요구된다.
생체 기반 고분자는 생체 친화성 및 생리활성이 뛰어나나 역학적 강도가 불충분한 것이 많기 때문에 천연 고분자를 병용하거나 생리활성분자를 수식 또는 복합한 소재가 개발되고 있다.
합성 고분자와 천연 고분자를 복합화하는 방법은 PLA 등 합성 고분자를 활용해 역학강도가 높은 다공질 골격을 제작한 후 해당 골격의 공극 부분에 천연 고분자 스펀지 및 마이크로 스폰지를 형성시키는 것이 알려져 있다.

PIPAAm, 심부전 치료용으로 활용
PIPAAm(Poly-n-Isopropylacrylamide)은 수용액 상태로 일정 온도 이상에서는 석출 백탁화하고 이하에서는 용해 투명화하는 특수한 가역적 용해 거동을 나타내 친수성·소수성 열가역형 고분자 화합물 내지 감열성 고분자 화합물이라 불리며 최근 온실 등의 차광체, 온도센서 혹은 비이온 계면활성제 흡착제 등의 소재로서 주목되고 있다.
PIPAAm은 세포 시트 공학에서 활용되고 있는 수용성 고분자 화합물로 32도에 담점을 보유하는 온도 응답성 기능소재이며 32℃ 이상에서는 소수성, 32℃ 이하에서는 친수성을 나타낸다.
또 PS(Polystyrene)제 세포 배양그릇(기재)에 PIPAAm 모노머 용액을 도포한 상태에서 전자선을 조사하면 기재 표면에 나노 스케일로 그래프트화돼 배양 기재 표면이 배양이 이루어지는 37℃에서는 세포 부착성 표면(소수성), 32℃ 이하로 냉각하면 세포 비부착성 표면(친수성)을 나타낸다.
이에 따라 37℃에서 배양을 실시한 후 20-25℃의 실온으로 낮추면 기재 표면이 세포 비부착성으로 변해 세포 외 매트릭스를 유지한 채 배양된 세포 시트를 박리·회수하는 것이 가능하다.
해당 기술은 도쿄여자의과대학 연구진이 확립해 셀 시드보다 UpCell로서 판매되고 있으며 현재 2014년에 시작된 자가배양 각막상피 시험 및 Terumo가 판매하고 있는 심부전 치료용 재생의료제품 등에도 활용되고 있다.
<이하나 기자: lhn@chemlocus.com>