김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf ·...

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김 종 헌 한국과학기술정보연구원 정보분석연구소 미래기술분석실

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Page 1: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

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김 종 헌

한국과학기술정보연구원 정보분석연구소 미래기술분석실

32인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 구조 5

인공뼈의 필수조건과 재료 19

과학정보 계량분석(Scientometric Analysis)를 이용한 인공뼈 연구동향 분석 39

결과 및 시사점 53

참고자료 58

32인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 구조 5

인공뼈의 필수조건과 재료 19

과학정보 계량분석(Scientometric Analysis)를 이용한 인공뼈 연구동향 분석 39

결과 및 시사점 53

참고자료 58

54인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

54인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

뼈의 구조

76인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인간의 뼈는 수 십년에 걸쳐 체중 및 체중보다 더 큰 하중을 계속

받음에도 불구하고 파괴되지 않는다 이처럼 뼈는 우리 몸의 중요한

구성 요소로서 세라믹tm(인산칼슘 Calcium Phosphate 또는

수산화인회석 HA Hydroxyapatite) - 폴리머(콜라겐 collagen)

복합체로 이루어져 있다 뼈는 피질골(Cortical or compact Bone)과

해면골(Cancellous or Trabecular or Porous or Spongy Bone)의

두 가지 형태로 구분되며 피질골은 장골(Long bones femur tibia

fibula etc)에서 관찰되며 해면골은 뼈의 중심부 및 편평골(flat

bone)에서 관찰된다 lt그림 1gt의 a는 장골의 종단면 b는 횡단면으로

표면 부분은 피질골 내부는 해면골로 이루어져 있다

뼈의 구조

76인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 기본적으로 인체를 지탱하는 기계적 기능(Mechanical

Function)과 치유세포를 보호 및 저장하는 생물학적 기능(Biological

Func t i on ) 그리고 광물이온을 일정하게 유지하는 화학적

기능(Chemical Function) 등 다양한 기능을 동시에 수행하고 있다

이러한 뼈의 다양한 기능을 대체하기 위한 인공뼈 개발은 본래

자연뼈의 조성(Composition)과 미세구조(Microstructure) 및 기계적

특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이 중요하다

뼈는 다양한 기능을 동시에 수행할 수 있도록 복잡한 구조로

이루어져 있으며 인공뼈 개발에 있어 뼈의 구조를 이해하는 것이

중요하다 일반적으로 뼈는 3단계의 계층구조로 이루어져 있다

첫째는 비콜라겐 유기단백질(Non-Collagenous Organic Proteins)

원섬유 콜라겐(Fibrillar Collagen) 및 광물 결정과 같은 수 ~ 수백

nm 단위의 나노구조이다 둘째는 박막층(Lamellae) 골원(Osteon)

및 하버스계(Haversian System)와 같은 1 ~ 500 μm 단위의

미세구조이다 셋째는 해면골(Cancellous Bone) 피질골(Cortical

Bone)과 같은 거시구조이다 lt그림 2gt는 이와 같이 뼈의 계층구조에

따른 불규칙하고 다양한 구조와 각 계층구조 및 각 계층구조의 기계적

특성 메커니즘을 도식화하여 보여준다

그림 1 장골(대퇴골)의 횡단면(a) 및 종단면(b)(1)

a b

98인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 나노구조

뼈의 구조에 있어서 콜라겐 섬유와 이를 감싸고 있는 광물질이 뼈의

가장 기본단위가 된다 이를 바탕으로 뼈의 성장이 일어난다 뼈의

조성은 종 나이 식습관 건강상태 및 해부학적 위치에 따라 다르다

하지만 일반적으로 무기물이 뼈의 무게 70를 차지하고 나머지 30는

유기물로 구성되어 있다

뼈의 유기물중 거의 90가 콜라겐으로 이루어져 있고 나머지 10는

비콜라겐 단백질과 기질(Ground Substances)로 구성되어 있다

뼈에서 발견되는 콜라겐은 주로 뼈 형성세포인 조골세포(Osteoblast)로

합성되어 있다 최초 3중 나선형 전콜라겐(Triple Helical Procollagen)에

콜라겐 사슬내부에서 활발히 반응하는 콜라겐 분자가 알데히드

그림 2 뼈의 계층적 구조(좌)와 기계적 특성 메커니즘(우)(2)

98인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

교차결합(Cross-Linking)에 의해 안정화되어 세포외 모체로 발생된다

일반적으로 인체에는 12종의 콜라겐이 있는데 각각의 콜라겐은 3개의

폴리텝티드(Polypeptide) 사슬로 구성되며 또한 각각의 폴리텝티드

사슬은 대략 1000여 개의 아미노산으로 이루어져 있다

생장인자 단백질과 사이토킨(예 인슐린과 같은 생장인자

골원성 단백질) 골유도 단백질(예 오스테오넥틴 오스테오폰틴

오스테오칼신) 세포외 기질물질(예 BSP Bone Sialoprotein

골프로테오글리칸 프로테올리피드 인단백질) 등과 같은 비콜라겐

단백질은 뼈 전체 무게에 대한 비중은 작지만 뼈 광물질의 크기와

방향을 조절하고 칼슘과 인을 저장하는 등의 생물학적으로 중요한

기능을 담당한다 새로운 뼈가 생성되는 동안 조골세포와 칼슘 인과

같은 광물질 이온 등과 같은 비콜라겐 단백질이 홀구역과 콜라겐

속으로 증착하여 HA 결정 성장을 촉진하게 된다 기질은 단백질

다당류(Polysaccharides) 뮤코다당류(Mucopolysaccharides)로

구성되어 콜라겐 섬유와 HA사이를 메우는 접합제(Cement) 역할을 한다

그림 3 뼈의 콜라겐 섬유와 광물질 도식도(13)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

일반적으로 뼈는 세포 무기질로 생각할 수 있지만 실제로 60의

콜라겐과 30-40의 HA(Ca10(PO4)6(OH)2)로 구성되어 있다 즉

뼈는 콜라겐이 대부분인 기질 속에 나노크기의 HA이 잘 흩어져 있는

나노구조의 복합체(Nanostructured Composite)이다

뼈의 미세구조와 거시구조

뼈의 미세구조(Microstructure) 단위에는 무층골(Haversian or

Woven Bone)과 층판골(Plexiform or Lamellae Bone) 두 가지 구조로

구성되어 있다 무층골은 미성숙한 뼈로 골절이 있는 가골(Callus)과

퇴행성 뼈 뿐만 아니라 성장하고 있는 뼈의 골간단(Metaphyseal)

부분에서 일반적으로 발견된다 또한 무층골은 상대적으로 무질서하게

배열된 굵은 콜라겐 섬유로 구성되어 있기 때문에 등방성(Isotropy)

특성을 갖는다

반대로 층판골은 무층골이나 이전에 있던 뼈가 성장한 것으로 훨씬

성숙한 뼈이다 보통 3~7 μm 두께를 가진 층판골은 아주 조직화되어

있고 각각의 층판이 평형하게 놓여져 있기 때문에 응력이 집중된

콜라겐 섬유를 함유하고 있다 결과적으로 콜라겐 섬유의 종축에

평형한 방향으로 강도가 가장 큰 이방성(Anisotropy) 특성을 갖게

된다 이러한 콜라겐 섬유는 한 층판에서 다른 층판으로 방향을

변성시킬 수 있기에 합판이나 나선형 구조와 비슷한 형태를 가진다

그림 4 HA 원자구조 (흰색 P 파란색 O 빨간색 Ca)(1)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

층판골은 하버스계의 중심혈관공급장치를 가진 골원으로 구성되며

골원은 동심원적 고리형태를 갖는데 대략 한 골원에 4 ~ 20 고리로

이루어져 있다 lt그림 5gt는 무층골과 층판골의 구조를 나타내고 있다

뼈의 거시구조(Macrostructure)는 조밀한 피질골과 다공질 해면골로

나뉜다 대퇴골(Femur)과 같은 길이가 긴 뼈의 끝 단면도에서 조밀한

피질골 껍질이 다공질의 해면골 내부를 감싸고 있는 것을 관찰할 수

있다(그림 1) 머리덮개 뼈와 같은 편평골(Flat Bone)은 얇은 해면골를

중심으로 양쪽으로 조밀한 피질골로 둘러싸인 샌드위치 구조를 갖고

있다 해면골은 50~90의 기공도(Porosity)를 가진 3차원 구조의

해면구조를 가지며 기공 직경은 수 mm가 되는 것도 있다 주로

장골(Long Bone)과 입방골(Cuboidal Bone)의 골단(Epiphysis)과

골간단(Metaphysis)에서 발견되는 해면골은 대체로 등방성이며 주로

생리적 하중 하에서 압축력을 받는다 반대로 피질골은 기공도가 30

미만이며 직경이 1mm 미만의 작은 기공으로 이루어져 있다 대퇴골과

경골(Tibia)와 같은 장골의 결단에서 주로 발견되는 조밀한 피질골은

하중축에 따라 보강구조와 함께 높은 이방성 특성을 가지고 있다

일반적으로 해면골이 물질대사적인 측면에서 훨씬 더 활성도가 높고

피질골보다 훨씬 자주 변형되어 결과적으로 피질골보다 평균 더 어린

뼈 이다

그림 5 무층골 및 층판골(45)

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 기계적 특성

피질골은 보통 해면골보다 더 조밀해서 기계적으로 더 강하다 뼈의

종류에 따라 압축강도 탄성계수 파괴인성 인장강도와 같은 기계적

특성을 lt표 1gt에 나타내었다 이러한 기계적 특성은 물론 나이 성별

음식습관 건강상태 및 신체부위에 따라 변한다 전체 뼈의 이방성 비는

보통 종축으로 21 횡축으로 26 정도 된다 병든 뼈는 일반적으로

건강한 뼈 보다 밀도가 낮고 기계적 특성도 낮다

표 1 뼈의 기계적 특성(6-8)

뼈의 재형성과 골세포

뼈를 대체하기 어려운 이유는 뼈의 복잡한 구조뿐만 아니라 동적인

능력때문이다 즉 뼈는 손상을 입었을 때 다시 재생 하거나 하중

환경이 변할 때 변화할 수 있는 동적 능력을 가지고 있다 예를 들어

지속적인 운동을 통해서 뼈의 무게를 증가시켜서 하중으로부터

골절을 견딜 수 있게 한다 그러므로 이와 같이 뼈가 동적 능력에 따라

변화하는 동안 어떻게 골세포가 조정되는지 이해하는 것이 인공뼈

개발에 가장 기본이 되는 것이다

살아있는 기관으로서 뼈는 물리적 활동이나 기계적 하중에

의해서 발생하는 다양한 응력에 따라 뼈의 크기 형태 위치 그리고

특성이 재형성 과정을 통해 평생 동안 변화 할 수 있다 다시 말해

Human boneStrength (MPa) Youngrsquo

s modulus (GPa)

Fracture toughness KIC

(MPa m12)

Tensile strength(MPa)Compressive Bending

Cancellous 2 12 ― 005 05 ― ―

Cortical 100 230 50 150 7 30 2 12 ―

Tibia 159 ― 181 ― 140

Femur 167 ― 172 ― 121

Radius 114 ― 186 ― 149

Humerus 132 ― 172 ― 130

Cervical 10 ― 023 ― 31

Lumbar 5 ― 016 ― 37

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 골재형성 단위(BMU Bone-Remodeling Unit)를 통해 뼈의

재형성 과정을 활성화시킴으로써 과도한 기계적 하중 하에서도

자기보수(Self-Repairing) 능력을 가지고 있다 이 과정에는 3가지

골세포가 관여한다 첫째는 뼈 형성세포인 골모세포(Osteoblast)

둘째는 뼈 유지세포인 골세포(Osteocyte) 그리고 마지막으로 뼈

흡수세포인 파골세포(Osteoclast)이다

lt그림 6gt은 어떻게 골세포가 뼈 재형성 과정에서 작용하는지 나타낸

것이다 파골세포가 오래된 뼈를 흡수하기 위해서 뼈 기질속에 있는

생장인자나 사이토카인 단백질에 의해서 활성화된다 그 후 골모세포가

칼슘을 함유한 광물질을 증착시키기 위해 파골세포와 골세포에 의해서

분비된 인슐린과 같은 생장인자에 의해서 활성화된다 골세포는

인슐린과 같은 생장인자와 조직 생장인자 분비를 통해서 비칼슘 증착과

칼슘 증착 사이를 골모세포 분화를 통해서 새로운 뼈 생성을 조절하게

된다

골모세포(Osteoblast)

골모세포는 평균 직경이 10 ~ 50 μm로 골막(Periosteal)과

골내막(Endosteal) 표면에 위치하여 새로운 뼈 합성에 관여한다

초기 이식물질이 뼈 표면에 접착되면 골모세포가 활발하게

증식하고 콜라겐 비트로넥틴(Vitronectin 세포접착성 당단백질)

그림 6 골재형성 과정 도식도(9)

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

및 섬유결합소(Fibronectin)를 유발하는 유전자를 발산한다

증식의 마지막 단계에 세포외기질의 발달과 성숙이 시작되며

골모세포가 비칼슘세포에서 칼슘세포로 분화가 시작된다 알칼리성

인산가수분해효소(ALP Alkaline Phosphatase) 활성도와

mRNA 발산이 열배로 증가한다 광물질화 과정이 시작되고 이에

광물질 소결절이 생성됨에 따라 골모세포가 합성되며 BSP(Bone

Sialoprotein) 및 칼슘과 결합된다 백질인 오스테오칼신(Osteocalcin)

및 다른 기질 단백질을 증착하게 된다 오스테오칼신은 HA와

상호작용하여 골모세포에 의한 뼈의 재흡수와 골모세포골세포에 의한

골형성 사이를 연결하고 조절하게 된다

골세포(Osteocyte)

골세포는 광물화된 뼈 기질에 묻혀있는 성숙한 골모세포이며

동시에 새로운 뼈 합성에 기여하지만 골모세포 만큼은 되지 않는다

골세포와 골모세포 사이의 가장 기본적인 차이는 뼈 속에서 상대적인

위치 차이이다 골세포는 골원의 중심부 내강 주위와 판층 사이에서

동심원적으로 배열되어 있다 또한 골세포는 주위의 다른 골세포와

함께 작은 소관(Canaliculi)을 통해서 접촉하고 의사소통할 수 있는

상당히 긴 가지를 가지고 있다 이와 같이 3차원적으로 함께 섞인

구조로 인해서 골세포는 조직내의 생리학적 응력과 변형신호에

민감하게 반응하며 새로운 뼈를 증착하는 골모세포의 활동도와 오래된

뼈를 녹이는 파골세포의 활동도를 조절하도록 돕는다

파골세포(Osteoclast)

파골세포는 골수(Bone Marrow)의 분화세포에서 나와서 하우쉽소강(Howshiplsquos

Lacunae)이라는 침식공간의 뼈 재흡수 영역에 존재한다 파골세포는 주로 뼈

재흡수에 관여하며 직경이 100 μm로 세포당 100개까지 파골세포핵을 가진다

파골세포가 뼈를 녹이기 위해서 분열된 뼈 사이를 쓸어내는 동안 표면적을 늘리기

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

위해서 물결 모양의 세모막 가장자리를 형성한다 그후 파골세포는 주석산염

저항산성인산분해효소(TRAP Tartrate-Resistant Acid Phosphatase)를

형성하여 탄산 무수화효소(Carbonic Anhydrase)를 통해 수소이온을

방출하게 되어 국부적인 pH를 낮추게 된다

낮아진 pH는 HA 결정의 용해도를 증가시키고 뼈 기질의 유기물

성분이 마지막으로 산성 단백질 가수분해에 의해서 제거되게 된다

임플란트 표면에서 일어나는 뼈의 재형성 정도에 따라서 보철장치의

수명이 정해진다 예를 들어 임플란트의 헐거워짐이나 실패는 임플란트

주위 뼈의 재형성이 거의 일어나지 않아서 결국 영양불량의 뼈가

되거나 뼈 주위에 너무 많은 뼈의 재형성이 일어나 극단적인 뼈

재흡수나 골용해(Osteolysis)를 유발할 수 있다

현재 사용되는 뼈 대체물의 문제점

전통적으로 자가이식(Autografts) 동종이식(Allografts)

이종이식(Xenografts) 및 금속 임플란트가 뼈 골절과 손상부를

치료하는데 이용되어 왔다 하지만 이와 같은 뼈 대체물은 각각 특정한

문제점과 한계점들을 가지고 있다

자가이식

자가이식은 골격의 한 부분을 제거하여 동일인의 다른 부위에 옮긴

조직이다 일반적으로 환자의 장골에서 해면골 형태로 축출하지만

피질골도 사용된다 역사적으로 자가이식은 뼈 발생 세포뿐만 아니라

뼈의 치료와 재생에 필요한 필수적인 골유도인자(Osteoinductive

Factors)를 제공한다 하지만 자가이식은 언제나 기증자 부족과

기증자의 병적상태에 의존하기 때문에 자가이식의 응용에 많은 한계가

있다 이식이 필요한 환자 수가 기증자 수를 훨씬 넘어서고 있다

새로운 기술개발이 이러한 부족분을 줄이는데 필요하다

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

동종이식과 이종이식

동종이식은 동일한 종족내에 유전적으로 다른 개체사이에 이식된

조직이고 반면에 이종이식은 다른 종족사이에 이식된 조직이다

분명히 동종이식과 이종이식은 질병의 전달과 면역반응 등의 문제를

일으킬 위험성이 아주 높다

금속과 합금 임플란트

이상에서 언급한 자가이식 동종이식 이종이식과 관련된 문제때문에

금 속과 같은 합성물질을 수많은 정형외과 응용분야에서 재료로

사용되어 왔다 하지만 금속과 합금은 실제 뼈처럼 생리학적 역학적

기계적 특성을 나타내지 못하기 때문에 건강한 뼈의 특성을 가지지

못하고 또한 시간에 따른 재형성 및 자가보수 능력이 없다 lt표 2gt는

현재 정형외과 분야에서 사용되고 있는 금속의 물리적 기계적 특성을

나타낸 것이다 분명히 금속은 lt표 1gt에 열거한 실제 뼈보다 훨씬 높은

밀도와 기계적 특성을 가지고 있다

Stainless Steels(SUS316L)은 1926년 처음으로 의료용으로 사용된

금속 재료로 골고정용 강선 나사 또는 고정판으로 사용되었으며

내부식(Less Corrosive) 특성을 가지고 있으며 지금까지도 널리 사용되는

대표적인 금속 임플란트 재료이다

표 2 정형외과용 합금의 기계적 특성(1011)

Tensile strength

(MPa) Elongation ()

Fatigue

strength (MPa)

Youngs

modulus (MPa)

CP Ti 414 18 310-413 100

Ti-6Al-4V 853 10 540-570 100

SUS316L 482 40 262 200

Co-Cr Alloy(casting) 655 8 241-276 200

Co-Cr Alloy(forging) 855 - 379-517 230

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

코발트 크롬 합금(Co-Cr alloy)은 뛰어난 내부식성과 함께 내마모(Less

Abrasive) 특성을 가지고 있기 때문에 인공 고관절이나 슬관절과 같이

생리적 부하와 함께 운동성이 요구되는 조직의 대체물질로 사용되고

있다 그러나 이들 금속은 완전한 비부식(Noncorrosive)성 재료가

아니며 이식 후 체액에 용해되어 유출되는 금속성분에 의해 생체적합성이

좌우될 뿐만 아니라 탄성율도 자연골에 비해 약 10배나 높은 200 GPa에

이르기 때문에 경시적으로 기계적 친화성 부조화에 의한 골조직의 흡수

수축 비대와 같은 좋지 않은 예후를 나타낸다

타이타늄(Titanium Ti)은 이식 후 면역반응을 일으키지 않으면서

골조직과 직접 화학적으로 결합하는 생체활성을 나타낼 뿐만 아니라

부동화(Passivation)시켜 Ti 표면에 형성된 산화막은 금속 ion의 용출을

차단함과 동시에 체액에 의한 부식도 방어하는 특성을 가지고 있고

탄성율도 다른 금속에 비해 약 12에 해당하여 골 탄성율에 상대적으로

가깝다는 장점을 가지고 있다 골유착(Osseointegration)은 체액내에

존재하는 산소 원자가 Ti원자와 화학적으로 반응하여 표면에 Ti

산화막(TiO2)을 형성하면 골조직의 무기질이 그들과 직접 결합 축적되어

신생골을 형성하는 것으로 알려져 있다

금속 임플란트와 생리학적 뼈의 기계적 특성 사이의 차이는

응력차폐(Stress Shield) 문제를 야기시킨다 즉 임플란트 재료가

기계적인 하중에서 회복되는 뼈를 막아서 뼈 주위를 괴사시켜 결국

임플란트 결합을 약화 시킨다 결과적으로 임플란트와 괴사된 뼈조직을

제거해야 하는 복잡한 과정을 유발시킨다 응력차폐뿐만 아니라

불충분한 골유착(Osseointegration)은 임플란트 결합을 약화시키거나

섬유조직의 내부성장을 유발시킨다 이상의 임상적 문제점으로 인하여

생리학적 뼈와 비슷한 구조 특성 및 기능을 가지고 있는 인공뼈

대체물의 개발 중요성이 더욱 부각된다

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

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5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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32인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 구조 5

인공뼈의 필수조건과 재료 19

과학정보 계량분석(Scientometric Analysis)를 이용한 인공뼈 연구동향 분석 39

결과 및 시사점 53

참고자료 58

32인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 구조 5

인공뼈의 필수조건과 재료 19

과학정보 계량분석(Scientometric Analysis)를 이용한 인공뼈 연구동향 분석 39

결과 및 시사점 53

참고자료 58

54인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

54인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

뼈의 구조

76인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인간의 뼈는 수 십년에 걸쳐 체중 및 체중보다 더 큰 하중을 계속

받음에도 불구하고 파괴되지 않는다 이처럼 뼈는 우리 몸의 중요한

구성 요소로서 세라믹tm(인산칼슘 Calcium Phosphate 또는

수산화인회석 HA Hydroxyapatite) - 폴리머(콜라겐 collagen)

복합체로 이루어져 있다 뼈는 피질골(Cortical or compact Bone)과

해면골(Cancellous or Trabecular or Porous or Spongy Bone)의

두 가지 형태로 구분되며 피질골은 장골(Long bones femur tibia

fibula etc)에서 관찰되며 해면골은 뼈의 중심부 및 편평골(flat

bone)에서 관찰된다 lt그림 1gt의 a는 장골의 종단면 b는 횡단면으로

표면 부분은 피질골 내부는 해면골로 이루어져 있다

뼈의 구조

76인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 기본적으로 인체를 지탱하는 기계적 기능(Mechanical

Function)과 치유세포를 보호 및 저장하는 생물학적 기능(Biological

Func t i on ) 그리고 광물이온을 일정하게 유지하는 화학적

기능(Chemical Function) 등 다양한 기능을 동시에 수행하고 있다

이러한 뼈의 다양한 기능을 대체하기 위한 인공뼈 개발은 본래

자연뼈의 조성(Composition)과 미세구조(Microstructure) 및 기계적

특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이 중요하다

뼈는 다양한 기능을 동시에 수행할 수 있도록 복잡한 구조로

이루어져 있으며 인공뼈 개발에 있어 뼈의 구조를 이해하는 것이

중요하다 일반적으로 뼈는 3단계의 계층구조로 이루어져 있다

첫째는 비콜라겐 유기단백질(Non-Collagenous Organic Proteins)

원섬유 콜라겐(Fibrillar Collagen) 및 광물 결정과 같은 수 ~ 수백

nm 단위의 나노구조이다 둘째는 박막층(Lamellae) 골원(Osteon)

및 하버스계(Haversian System)와 같은 1 ~ 500 μm 단위의

미세구조이다 셋째는 해면골(Cancellous Bone) 피질골(Cortical

Bone)과 같은 거시구조이다 lt그림 2gt는 이와 같이 뼈의 계층구조에

따른 불규칙하고 다양한 구조와 각 계층구조 및 각 계층구조의 기계적

특성 메커니즘을 도식화하여 보여준다

그림 1 장골(대퇴골)의 횡단면(a) 및 종단면(b)(1)

a b

98인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 나노구조

뼈의 구조에 있어서 콜라겐 섬유와 이를 감싸고 있는 광물질이 뼈의

가장 기본단위가 된다 이를 바탕으로 뼈의 성장이 일어난다 뼈의

조성은 종 나이 식습관 건강상태 및 해부학적 위치에 따라 다르다

하지만 일반적으로 무기물이 뼈의 무게 70를 차지하고 나머지 30는

유기물로 구성되어 있다

뼈의 유기물중 거의 90가 콜라겐으로 이루어져 있고 나머지 10는

비콜라겐 단백질과 기질(Ground Substances)로 구성되어 있다

뼈에서 발견되는 콜라겐은 주로 뼈 형성세포인 조골세포(Osteoblast)로

합성되어 있다 최초 3중 나선형 전콜라겐(Triple Helical Procollagen)에

콜라겐 사슬내부에서 활발히 반응하는 콜라겐 분자가 알데히드

그림 2 뼈의 계층적 구조(좌)와 기계적 특성 메커니즘(우)(2)

98인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

교차결합(Cross-Linking)에 의해 안정화되어 세포외 모체로 발생된다

일반적으로 인체에는 12종의 콜라겐이 있는데 각각의 콜라겐은 3개의

폴리텝티드(Polypeptide) 사슬로 구성되며 또한 각각의 폴리텝티드

사슬은 대략 1000여 개의 아미노산으로 이루어져 있다

생장인자 단백질과 사이토킨(예 인슐린과 같은 생장인자

골원성 단백질) 골유도 단백질(예 오스테오넥틴 오스테오폰틴

오스테오칼신) 세포외 기질물질(예 BSP Bone Sialoprotein

골프로테오글리칸 프로테올리피드 인단백질) 등과 같은 비콜라겐

단백질은 뼈 전체 무게에 대한 비중은 작지만 뼈 광물질의 크기와

방향을 조절하고 칼슘과 인을 저장하는 등의 생물학적으로 중요한

기능을 담당한다 새로운 뼈가 생성되는 동안 조골세포와 칼슘 인과

같은 광물질 이온 등과 같은 비콜라겐 단백질이 홀구역과 콜라겐

속으로 증착하여 HA 결정 성장을 촉진하게 된다 기질은 단백질

다당류(Polysaccharides) 뮤코다당류(Mucopolysaccharides)로

구성되어 콜라겐 섬유와 HA사이를 메우는 접합제(Cement) 역할을 한다

그림 3 뼈의 콜라겐 섬유와 광물질 도식도(13)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

일반적으로 뼈는 세포 무기질로 생각할 수 있지만 실제로 60의

콜라겐과 30-40의 HA(Ca10(PO4)6(OH)2)로 구성되어 있다 즉

뼈는 콜라겐이 대부분인 기질 속에 나노크기의 HA이 잘 흩어져 있는

나노구조의 복합체(Nanostructured Composite)이다

뼈의 미세구조와 거시구조

뼈의 미세구조(Microstructure) 단위에는 무층골(Haversian or

Woven Bone)과 층판골(Plexiform or Lamellae Bone) 두 가지 구조로

구성되어 있다 무층골은 미성숙한 뼈로 골절이 있는 가골(Callus)과

퇴행성 뼈 뿐만 아니라 성장하고 있는 뼈의 골간단(Metaphyseal)

부분에서 일반적으로 발견된다 또한 무층골은 상대적으로 무질서하게

배열된 굵은 콜라겐 섬유로 구성되어 있기 때문에 등방성(Isotropy)

특성을 갖는다

반대로 층판골은 무층골이나 이전에 있던 뼈가 성장한 것으로 훨씬

성숙한 뼈이다 보통 3~7 μm 두께를 가진 층판골은 아주 조직화되어

있고 각각의 층판이 평형하게 놓여져 있기 때문에 응력이 집중된

콜라겐 섬유를 함유하고 있다 결과적으로 콜라겐 섬유의 종축에

평형한 방향으로 강도가 가장 큰 이방성(Anisotropy) 특성을 갖게

된다 이러한 콜라겐 섬유는 한 층판에서 다른 층판으로 방향을

변성시킬 수 있기에 합판이나 나선형 구조와 비슷한 형태를 가진다

그림 4 HA 원자구조 (흰색 P 파란색 O 빨간색 Ca)(1)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

층판골은 하버스계의 중심혈관공급장치를 가진 골원으로 구성되며

골원은 동심원적 고리형태를 갖는데 대략 한 골원에 4 ~ 20 고리로

이루어져 있다 lt그림 5gt는 무층골과 층판골의 구조를 나타내고 있다

뼈의 거시구조(Macrostructure)는 조밀한 피질골과 다공질 해면골로

나뉜다 대퇴골(Femur)과 같은 길이가 긴 뼈의 끝 단면도에서 조밀한

피질골 껍질이 다공질의 해면골 내부를 감싸고 있는 것을 관찰할 수

있다(그림 1) 머리덮개 뼈와 같은 편평골(Flat Bone)은 얇은 해면골를

중심으로 양쪽으로 조밀한 피질골로 둘러싸인 샌드위치 구조를 갖고

있다 해면골은 50~90의 기공도(Porosity)를 가진 3차원 구조의

해면구조를 가지며 기공 직경은 수 mm가 되는 것도 있다 주로

장골(Long Bone)과 입방골(Cuboidal Bone)의 골단(Epiphysis)과

골간단(Metaphysis)에서 발견되는 해면골은 대체로 등방성이며 주로

생리적 하중 하에서 압축력을 받는다 반대로 피질골은 기공도가 30

미만이며 직경이 1mm 미만의 작은 기공으로 이루어져 있다 대퇴골과

경골(Tibia)와 같은 장골의 결단에서 주로 발견되는 조밀한 피질골은

하중축에 따라 보강구조와 함께 높은 이방성 특성을 가지고 있다

일반적으로 해면골이 물질대사적인 측면에서 훨씬 더 활성도가 높고

피질골보다 훨씬 자주 변형되어 결과적으로 피질골보다 평균 더 어린

뼈 이다

그림 5 무층골 및 층판골(45)

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 기계적 특성

피질골은 보통 해면골보다 더 조밀해서 기계적으로 더 강하다 뼈의

종류에 따라 압축강도 탄성계수 파괴인성 인장강도와 같은 기계적

특성을 lt표 1gt에 나타내었다 이러한 기계적 특성은 물론 나이 성별

음식습관 건강상태 및 신체부위에 따라 변한다 전체 뼈의 이방성 비는

보통 종축으로 21 횡축으로 26 정도 된다 병든 뼈는 일반적으로

건강한 뼈 보다 밀도가 낮고 기계적 특성도 낮다

표 1 뼈의 기계적 특성(6-8)

뼈의 재형성과 골세포

뼈를 대체하기 어려운 이유는 뼈의 복잡한 구조뿐만 아니라 동적인

능력때문이다 즉 뼈는 손상을 입었을 때 다시 재생 하거나 하중

환경이 변할 때 변화할 수 있는 동적 능력을 가지고 있다 예를 들어

지속적인 운동을 통해서 뼈의 무게를 증가시켜서 하중으로부터

골절을 견딜 수 있게 한다 그러므로 이와 같이 뼈가 동적 능력에 따라

변화하는 동안 어떻게 골세포가 조정되는지 이해하는 것이 인공뼈

개발에 가장 기본이 되는 것이다

살아있는 기관으로서 뼈는 물리적 활동이나 기계적 하중에

의해서 발생하는 다양한 응력에 따라 뼈의 크기 형태 위치 그리고

특성이 재형성 과정을 통해 평생 동안 변화 할 수 있다 다시 말해

Human boneStrength (MPa) Youngrsquo

s modulus (GPa)

Fracture toughness KIC

(MPa m12)

Tensile strength(MPa)Compressive Bending

Cancellous 2 12 ― 005 05 ― ―

Cortical 100 230 50 150 7 30 2 12 ―

Tibia 159 ― 181 ― 140

Femur 167 ― 172 ― 121

Radius 114 ― 186 ― 149

Humerus 132 ― 172 ― 130

Cervical 10 ― 023 ― 31

Lumbar 5 ― 016 ― 37

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 골재형성 단위(BMU Bone-Remodeling Unit)를 통해 뼈의

재형성 과정을 활성화시킴으로써 과도한 기계적 하중 하에서도

자기보수(Self-Repairing) 능력을 가지고 있다 이 과정에는 3가지

골세포가 관여한다 첫째는 뼈 형성세포인 골모세포(Osteoblast)

둘째는 뼈 유지세포인 골세포(Osteocyte) 그리고 마지막으로 뼈

흡수세포인 파골세포(Osteoclast)이다

lt그림 6gt은 어떻게 골세포가 뼈 재형성 과정에서 작용하는지 나타낸

것이다 파골세포가 오래된 뼈를 흡수하기 위해서 뼈 기질속에 있는

생장인자나 사이토카인 단백질에 의해서 활성화된다 그 후 골모세포가

칼슘을 함유한 광물질을 증착시키기 위해 파골세포와 골세포에 의해서

분비된 인슐린과 같은 생장인자에 의해서 활성화된다 골세포는

인슐린과 같은 생장인자와 조직 생장인자 분비를 통해서 비칼슘 증착과

칼슘 증착 사이를 골모세포 분화를 통해서 새로운 뼈 생성을 조절하게

된다

골모세포(Osteoblast)

골모세포는 평균 직경이 10 ~ 50 μm로 골막(Periosteal)과

골내막(Endosteal) 표면에 위치하여 새로운 뼈 합성에 관여한다

초기 이식물질이 뼈 표면에 접착되면 골모세포가 활발하게

증식하고 콜라겐 비트로넥틴(Vitronectin 세포접착성 당단백질)

그림 6 골재형성 과정 도식도(9)

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

및 섬유결합소(Fibronectin)를 유발하는 유전자를 발산한다

증식의 마지막 단계에 세포외기질의 발달과 성숙이 시작되며

골모세포가 비칼슘세포에서 칼슘세포로 분화가 시작된다 알칼리성

인산가수분해효소(ALP Alkaline Phosphatase) 활성도와

mRNA 발산이 열배로 증가한다 광물질화 과정이 시작되고 이에

광물질 소결절이 생성됨에 따라 골모세포가 합성되며 BSP(Bone

Sialoprotein) 및 칼슘과 결합된다 백질인 오스테오칼신(Osteocalcin)

및 다른 기질 단백질을 증착하게 된다 오스테오칼신은 HA와

상호작용하여 골모세포에 의한 뼈의 재흡수와 골모세포골세포에 의한

골형성 사이를 연결하고 조절하게 된다

골세포(Osteocyte)

골세포는 광물화된 뼈 기질에 묻혀있는 성숙한 골모세포이며

동시에 새로운 뼈 합성에 기여하지만 골모세포 만큼은 되지 않는다

골세포와 골모세포 사이의 가장 기본적인 차이는 뼈 속에서 상대적인

위치 차이이다 골세포는 골원의 중심부 내강 주위와 판층 사이에서

동심원적으로 배열되어 있다 또한 골세포는 주위의 다른 골세포와

함께 작은 소관(Canaliculi)을 통해서 접촉하고 의사소통할 수 있는

상당히 긴 가지를 가지고 있다 이와 같이 3차원적으로 함께 섞인

구조로 인해서 골세포는 조직내의 생리학적 응력과 변형신호에

민감하게 반응하며 새로운 뼈를 증착하는 골모세포의 활동도와 오래된

뼈를 녹이는 파골세포의 활동도를 조절하도록 돕는다

파골세포(Osteoclast)

파골세포는 골수(Bone Marrow)의 분화세포에서 나와서 하우쉽소강(Howshiplsquos

Lacunae)이라는 침식공간의 뼈 재흡수 영역에 존재한다 파골세포는 주로 뼈

재흡수에 관여하며 직경이 100 μm로 세포당 100개까지 파골세포핵을 가진다

파골세포가 뼈를 녹이기 위해서 분열된 뼈 사이를 쓸어내는 동안 표면적을 늘리기

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

위해서 물결 모양의 세모막 가장자리를 형성한다 그후 파골세포는 주석산염

저항산성인산분해효소(TRAP Tartrate-Resistant Acid Phosphatase)를

형성하여 탄산 무수화효소(Carbonic Anhydrase)를 통해 수소이온을

방출하게 되어 국부적인 pH를 낮추게 된다

낮아진 pH는 HA 결정의 용해도를 증가시키고 뼈 기질의 유기물

성분이 마지막으로 산성 단백질 가수분해에 의해서 제거되게 된다

임플란트 표면에서 일어나는 뼈의 재형성 정도에 따라서 보철장치의

수명이 정해진다 예를 들어 임플란트의 헐거워짐이나 실패는 임플란트

주위 뼈의 재형성이 거의 일어나지 않아서 결국 영양불량의 뼈가

되거나 뼈 주위에 너무 많은 뼈의 재형성이 일어나 극단적인 뼈

재흡수나 골용해(Osteolysis)를 유발할 수 있다

현재 사용되는 뼈 대체물의 문제점

전통적으로 자가이식(Autografts) 동종이식(Allografts)

이종이식(Xenografts) 및 금속 임플란트가 뼈 골절과 손상부를

치료하는데 이용되어 왔다 하지만 이와 같은 뼈 대체물은 각각 특정한

문제점과 한계점들을 가지고 있다

자가이식

자가이식은 골격의 한 부분을 제거하여 동일인의 다른 부위에 옮긴

조직이다 일반적으로 환자의 장골에서 해면골 형태로 축출하지만

피질골도 사용된다 역사적으로 자가이식은 뼈 발생 세포뿐만 아니라

뼈의 치료와 재생에 필요한 필수적인 골유도인자(Osteoinductive

Factors)를 제공한다 하지만 자가이식은 언제나 기증자 부족과

기증자의 병적상태에 의존하기 때문에 자가이식의 응용에 많은 한계가

있다 이식이 필요한 환자 수가 기증자 수를 훨씬 넘어서고 있다

새로운 기술개발이 이러한 부족분을 줄이는데 필요하다

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

동종이식과 이종이식

동종이식은 동일한 종족내에 유전적으로 다른 개체사이에 이식된

조직이고 반면에 이종이식은 다른 종족사이에 이식된 조직이다

분명히 동종이식과 이종이식은 질병의 전달과 면역반응 등의 문제를

일으킬 위험성이 아주 높다

금속과 합금 임플란트

이상에서 언급한 자가이식 동종이식 이종이식과 관련된 문제때문에

금 속과 같은 합성물질을 수많은 정형외과 응용분야에서 재료로

사용되어 왔다 하지만 금속과 합금은 실제 뼈처럼 생리학적 역학적

기계적 특성을 나타내지 못하기 때문에 건강한 뼈의 특성을 가지지

못하고 또한 시간에 따른 재형성 및 자가보수 능력이 없다 lt표 2gt는

현재 정형외과 분야에서 사용되고 있는 금속의 물리적 기계적 특성을

나타낸 것이다 분명히 금속은 lt표 1gt에 열거한 실제 뼈보다 훨씬 높은

밀도와 기계적 특성을 가지고 있다

Stainless Steels(SUS316L)은 1926년 처음으로 의료용으로 사용된

금속 재료로 골고정용 강선 나사 또는 고정판으로 사용되었으며

내부식(Less Corrosive) 특성을 가지고 있으며 지금까지도 널리 사용되는

대표적인 금속 임플란트 재료이다

표 2 정형외과용 합금의 기계적 특성(1011)

Tensile strength

(MPa) Elongation ()

Fatigue

strength (MPa)

Youngs

modulus (MPa)

CP Ti 414 18 310-413 100

Ti-6Al-4V 853 10 540-570 100

SUS316L 482 40 262 200

Co-Cr Alloy(casting) 655 8 241-276 200

Co-Cr Alloy(forging) 855 - 379-517 230

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

코발트 크롬 합금(Co-Cr alloy)은 뛰어난 내부식성과 함께 내마모(Less

Abrasive) 특성을 가지고 있기 때문에 인공 고관절이나 슬관절과 같이

생리적 부하와 함께 운동성이 요구되는 조직의 대체물질로 사용되고

있다 그러나 이들 금속은 완전한 비부식(Noncorrosive)성 재료가

아니며 이식 후 체액에 용해되어 유출되는 금속성분에 의해 생체적합성이

좌우될 뿐만 아니라 탄성율도 자연골에 비해 약 10배나 높은 200 GPa에

이르기 때문에 경시적으로 기계적 친화성 부조화에 의한 골조직의 흡수

수축 비대와 같은 좋지 않은 예후를 나타낸다

타이타늄(Titanium Ti)은 이식 후 면역반응을 일으키지 않으면서

골조직과 직접 화학적으로 결합하는 생체활성을 나타낼 뿐만 아니라

부동화(Passivation)시켜 Ti 표면에 형성된 산화막은 금속 ion의 용출을

차단함과 동시에 체액에 의한 부식도 방어하는 특성을 가지고 있고

탄성율도 다른 금속에 비해 약 12에 해당하여 골 탄성율에 상대적으로

가깝다는 장점을 가지고 있다 골유착(Osseointegration)은 체액내에

존재하는 산소 원자가 Ti원자와 화학적으로 반응하여 표면에 Ti

산화막(TiO2)을 형성하면 골조직의 무기질이 그들과 직접 결합 축적되어

신생골을 형성하는 것으로 알려져 있다

금속 임플란트와 생리학적 뼈의 기계적 특성 사이의 차이는

응력차폐(Stress Shield) 문제를 야기시킨다 즉 임플란트 재료가

기계적인 하중에서 회복되는 뼈를 막아서 뼈 주위를 괴사시켜 결국

임플란트 결합을 약화 시킨다 결과적으로 임플란트와 괴사된 뼈조직을

제거해야 하는 복잡한 과정을 유발시킨다 응력차폐뿐만 아니라

불충분한 골유착(Osseointegration)은 임플란트 결합을 약화시키거나

섬유조직의 내부성장을 유발시킨다 이상의 임상적 문제점으로 인하여

생리학적 뼈와 비슷한 구조 특성 및 기능을 가지고 있는 인공뼈

대체물의 개발 중요성이 더욱 부각된다

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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Analysis System The Journal of the Korea Contents

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35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

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Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

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need to be A translational science and clinical point of view

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 3: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

32인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 구조 5

인공뼈의 필수조건과 재료 19

과학정보 계량분석(Scientometric Analysis)를 이용한 인공뼈 연구동향 분석 39

결과 및 시사점 53

참고자료 58

54인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

54인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

뼈의 구조

76인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인간의 뼈는 수 십년에 걸쳐 체중 및 체중보다 더 큰 하중을 계속

받음에도 불구하고 파괴되지 않는다 이처럼 뼈는 우리 몸의 중요한

구성 요소로서 세라믹tm(인산칼슘 Calcium Phosphate 또는

수산화인회석 HA Hydroxyapatite) - 폴리머(콜라겐 collagen)

복합체로 이루어져 있다 뼈는 피질골(Cortical or compact Bone)과

해면골(Cancellous or Trabecular or Porous or Spongy Bone)의

두 가지 형태로 구분되며 피질골은 장골(Long bones femur tibia

fibula etc)에서 관찰되며 해면골은 뼈의 중심부 및 편평골(flat

bone)에서 관찰된다 lt그림 1gt의 a는 장골의 종단면 b는 횡단면으로

표면 부분은 피질골 내부는 해면골로 이루어져 있다

뼈의 구조

76인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 기본적으로 인체를 지탱하는 기계적 기능(Mechanical

Function)과 치유세포를 보호 및 저장하는 생물학적 기능(Biological

Func t i on ) 그리고 광물이온을 일정하게 유지하는 화학적

기능(Chemical Function) 등 다양한 기능을 동시에 수행하고 있다

이러한 뼈의 다양한 기능을 대체하기 위한 인공뼈 개발은 본래

자연뼈의 조성(Composition)과 미세구조(Microstructure) 및 기계적

특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이 중요하다

뼈는 다양한 기능을 동시에 수행할 수 있도록 복잡한 구조로

이루어져 있으며 인공뼈 개발에 있어 뼈의 구조를 이해하는 것이

중요하다 일반적으로 뼈는 3단계의 계층구조로 이루어져 있다

첫째는 비콜라겐 유기단백질(Non-Collagenous Organic Proteins)

원섬유 콜라겐(Fibrillar Collagen) 및 광물 결정과 같은 수 ~ 수백

nm 단위의 나노구조이다 둘째는 박막층(Lamellae) 골원(Osteon)

및 하버스계(Haversian System)와 같은 1 ~ 500 μm 단위의

미세구조이다 셋째는 해면골(Cancellous Bone) 피질골(Cortical

Bone)과 같은 거시구조이다 lt그림 2gt는 이와 같이 뼈의 계층구조에

따른 불규칙하고 다양한 구조와 각 계층구조 및 각 계층구조의 기계적

특성 메커니즘을 도식화하여 보여준다

그림 1 장골(대퇴골)의 횡단면(a) 및 종단면(b)(1)

a b

98인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 나노구조

뼈의 구조에 있어서 콜라겐 섬유와 이를 감싸고 있는 광물질이 뼈의

가장 기본단위가 된다 이를 바탕으로 뼈의 성장이 일어난다 뼈의

조성은 종 나이 식습관 건강상태 및 해부학적 위치에 따라 다르다

하지만 일반적으로 무기물이 뼈의 무게 70를 차지하고 나머지 30는

유기물로 구성되어 있다

뼈의 유기물중 거의 90가 콜라겐으로 이루어져 있고 나머지 10는

비콜라겐 단백질과 기질(Ground Substances)로 구성되어 있다

뼈에서 발견되는 콜라겐은 주로 뼈 형성세포인 조골세포(Osteoblast)로

합성되어 있다 최초 3중 나선형 전콜라겐(Triple Helical Procollagen)에

콜라겐 사슬내부에서 활발히 반응하는 콜라겐 분자가 알데히드

그림 2 뼈의 계층적 구조(좌)와 기계적 특성 메커니즘(우)(2)

98인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

교차결합(Cross-Linking)에 의해 안정화되어 세포외 모체로 발생된다

일반적으로 인체에는 12종의 콜라겐이 있는데 각각의 콜라겐은 3개의

폴리텝티드(Polypeptide) 사슬로 구성되며 또한 각각의 폴리텝티드

사슬은 대략 1000여 개의 아미노산으로 이루어져 있다

생장인자 단백질과 사이토킨(예 인슐린과 같은 생장인자

골원성 단백질) 골유도 단백질(예 오스테오넥틴 오스테오폰틴

오스테오칼신) 세포외 기질물질(예 BSP Bone Sialoprotein

골프로테오글리칸 프로테올리피드 인단백질) 등과 같은 비콜라겐

단백질은 뼈 전체 무게에 대한 비중은 작지만 뼈 광물질의 크기와

방향을 조절하고 칼슘과 인을 저장하는 등의 생물학적으로 중요한

기능을 담당한다 새로운 뼈가 생성되는 동안 조골세포와 칼슘 인과

같은 광물질 이온 등과 같은 비콜라겐 단백질이 홀구역과 콜라겐

속으로 증착하여 HA 결정 성장을 촉진하게 된다 기질은 단백질

다당류(Polysaccharides) 뮤코다당류(Mucopolysaccharides)로

구성되어 콜라겐 섬유와 HA사이를 메우는 접합제(Cement) 역할을 한다

그림 3 뼈의 콜라겐 섬유와 광물질 도식도(13)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

일반적으로 뼈는 세포 무기질로 생각할 수 있지만 실제로 60의

콜라겐과 30-40의 HA(Ca10(PO4)6(OH)2)로 구성되어 있다 즉

뼈는 콜라겐이 대부분인 기질 속에 나노크기의 HA이 잘 흩어져 있는

나노구조의 복합체(Nanostructured Composite)이다

뼈의 미세구조와 거시구조

뼈의 미세구조(Microstructure) 단위에는 무층골(Haversian or

Woven Bone)과 층판골(Plexiform or Lamellae Bone) 두 가지 구조로

구성되어 있다 무층골은 미성숙한 뼈로 골절이 있는 가골(Callus)과

퇴행성 뼈 뿐만 아니라 성장하고 있는 뼈의 골간단(Metaphyseal)

부분에서 일반적으로 발견된다 또한 무층골은 상대적으로 무질서하게

배열된 굵은 콜라겐 섬유로 구성되어 있기 때문에 등방성(Isotropy)

특성을 갖는다

반대로 층판골은 무층골이나 이전에 있던 뼈가 성장한 것으로 훨씬

성숙한 뼈이다 보통 3~7 μm 두께를 가진 층판골은 아주 조직화되어

있고 각각의 층판이 평형하게 놓여져 있기 때문에 응력이 집중된

콜라겐 섬유를 함유하고 있다 결과적으로 콜라겐 섬유의 종축에

평형한 방향으로 강도가 가장 큰 이방성(Anisotropy) 특성을 갖게

된다 이러한 콜라겐 섬유는 한 층판에서 다른 층판으로 방향을

변성시킬 수 있기에 합판이나 나선형 구조와 비슷한 형태를 가진다

그림 4 HA 원자구조 (흰색 P 파란색 O 빨간색 Ca)(1)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

층판골은 하버스계의 중심혈관공급장치를 가진 골원으로 구성되며

골원은 동심원적 고리형태를 갖는데 대략 한 골원에 4 ~ 20 고리로

이루어져 있다 lt그림 5gt는 무층골과 층판골의 구조를 나타내고 있다

뼈의 거시구조(Macrostructure)는 조밀한 피질골과 다공질 해면골로

나뉜다 대퇴골(Femur)과 같은 길이가 긴 뼈의 끝 단면도에서 조밀한

피질골 껍질이 다공질의 해면골 내부를 감싸고 있는 것을 관찰할 수

있다(그림 1) 머리덮개 뼈와 같은 편평골(Flat Bone)은 얇은 해면골를

중심으로 양쪽으로 조밀한 피질골로 둘러싸인 샌드위치 구조를 갖고

있다 해면골은 50~90의 기공도(Porosity)를 가진 3차원 구조의

해면구조를 가지며 기공 직경은 수 mm가 되는 것도 있다 주로

장골(Long Bone)과 입방골(Cuboidal Bone)의 골단(Epiphysis)과

골간단(Metaphysis)에서 발견되는 해면골은 대체로 등방성이며 주로

생리적 하중 하에서 압축력을 받는다 반대로 피질골은 기공도가 30

미만이며 직경이 1mm 미만의 작은 기공으로 이루어져 있다 대퇴골과

경골(Tibia)와 같은 장골의 결단에서 주로 발견되는 조밀한 피질골은

하중축에 따라 보강구조와 함께 높은 이방성 특성을 가지고 있다

일반적으로 해면골이 물질대사적인 측면에서 훨씬 더 활성도가 높고

피질골보다 훨씬 자주 변형되어 결과적으로 피질골보다 평균 더 어린

뼈 이다

그림 5 무층골 및 층판골(45)

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 기계적 특성

피질골은 보통 해면골보다 더 조밀해서 기계적으로 더 강하다 뼈의

종류에 따라 압축강도 탄성계수 파괴인성 인장강도와 같은 기계적

특성을 lt표 1gt에 나타내었다 이러한 기계적 특성은 물론 나이 성별

음식습관 건강상태 및 신체부위에 따라 변한다 전체 뼈의 이방성 비는

보통 종축으로 21 횡축으로 26 정도 된다 병든 뼈는 일반적으로

건강한 뼈 보다 밀도가 낮고 기계적 특성도 낮다

표 1 뼈의 기계적 특성(6-8)

뼈의 재형성과 골세포

뼈를 대체하기 어려운 이유는 뼈의 복잡한 구조뿐만 아니라 동적인

능력때문이다 즉 뼈는 손상을 입었을 때 다시 재생 하거나 하중

환경이 변할 때 변화할 수 있는 동적 능력을 가지고 있다 예를 들어

지속적인 운동을 통해서 뼈의 무게를 증가시켜서 하중으로부터

골절을 견딜 수 있게 한다 그러므로 이와 같이 뼈가 동적 능력에 따라

변화하는 동안 어떻게 골세포가 조정되는지 이해하는 것이 인공뼈

개발에 가장 기본이 되는 것이다

살아있는 기관으로서 뼈는 물리적 활동이나 기계적 하중에

의해서 발생하는 다양한 응력에 따라 뼈의 크기 형태 위치 그리고

특성이 재형성 과정을 통해 평생 동안 변화 할 수 있다 다시 말해

Human boneStrength (MPa) Youngrsquo

s modulus (GPa)

Fracture toughness KIC

(MPa m12)

Tensile strength(MPa)Compressive Bending

Cancellous 2 12 ― 005 05 ― ―

Cortical 100 230 50 150 7 30 2 12 ―

Tibia 159 ― 181 ― 140

Femur 167 ― 172 ― 121

Radius 114 ― 186 ― 149

Humerus 132 ― 172 ― 130

Cervical 10 ― 023 ― 31

Lumbar 5 ― 016 ― 37

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 골재형성 단위(BMU Bone-Remodeling Unit)를 통해 뼈의

재형성 과정을 활성화시킴으로써 과도한 기계적 하중 하에서도

자기보수(Self-Repairing) 능력을 가지고 있다 이 과정에는 3가지

골세포가 관여한다 첫째는 뼈 형성세포인 골모세포(Osteoblast)

둘째는 뼈 유지세포인 골세포(Osteocyte) 그리고 마지막으로 뼈

흡수세포인 파골세포(Osteoclast)이다

lt그림 6gt은 어떻게 골세포가 뼈 재형성 과정에서 작용하는지 나타낸

것이다 파골세포가 오래된 뼈를 흡수하기 위해서 뼈 기질속에 있는

생장인자나 사이토카인 단백질에 의해서 활성화된다 그 후 골모세포가

칼슘을 함유한 광물질을 증착시키기 위해 파골세포와 골세포에 의해서

분비된 인슐린과 같은 생장인자에 의해서 활성화된다 골세포는

인슐린과 같은 생장인자와 조직 생장인자 분비를 통해서 비칼슘 증착과

칼슘 증착 사이를 골모세포 분화를 통해서 새로운 뼈 생성을 조절하게

된다

골모세포(Osteoblast)

골모세포는 평균 직경이 10 ~ 50 μm로 골막(Periosteal)과

골내막(Endosteal) 표면에 위치하여 새로운 뼈 합성에 관여한다

초기 이식물질이 뼈 표면에 접착되면 골모세포가 활발하게

증식하고 콜라겐 비트로넥틴(Vitronectin 세포접착성 당단백질)

그림 6 골재형성 과정 도식도(9)

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

및 섬유결합소(Fibronectin)를 유발하는 유전자를 발산한다

증식의 마지막 단계에 세포외기질의 발달과 성숙이 시작되며

골모세포가 비칼슘세포에서 칼슘세포로 분화가 시작된다 알칼리성

인산가수분해효소(ALP Alkaline Phosphatase) 활성도와

mRNA 발산이 열배로 증가한다 광물질화 과정이 시작되고 이에

광물질 소결절이 생성됨에 따라 골모세포가 합성되며 BSP(Bone

Sialoprotein) 및 칼슘과 결합된다 백질인 오스테오칼신(Osteocalcin)

및 다른 기질 단백질을 증착하게 된다 오스테오칼신은 HA와

상호작용하여 골모세포에 의한 뼈의 재흡수와 골모세포골세포에 의한

골형성 사이를 연결하고 조절하게 된다

골세포(Osteocyte)

골세포는 광물화된 뼈 기질에 묻혀있는 성숙한 골모세포이며

동시에 새로운 뼈 합성에 기여하지만 골모세포 만큼은 되지 않는다

골세포와 골모세포 사이의 가장 기본적인 차이는 뼈 속에서 상대적인

위치 차이이다 골세포는 골원의 중심부 내강 주위와 판층 사이에서

동심원적으로 배열되어 있다 또한 골세포는 주위의 다른 골세포와

함께 작은 소관(Canaliculi)을 통해서 접촉하고 의사소통할 수 있는

상당히 긴 가지를 가지고 있다 이와 같이 3차원적으로 함께 섞인

구조로 인해서 골세포는 조직내의 생리학적 응력과 변형신호에

민감하게 반응하며 새로운 뼈를 증착하는 골모세포의 활동도와 오래된

뼈를 녹이는 파골세포의 활동도를 조절하도록 돕는다

파골세포(Osteoclast)

파골세포는 골수(Bone Marrow)의 분화세포에서 나와서 하우쉽소강(Howshiplsquos

Lacunae)이라는 침식공간의 뼈 재흡수 영역에 존재한다 파골세포는 주로 뼈

재흡수에 관여하며 직경이 100 μm로 세포당 100개까지 파골세포핵을 가진다

파골세포가 뼈를 녹이기 위해서 분열된 뼈 사이를 쓸어내는 동안 표면적을 늘리기

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

위해서 물결 모양의 세모막 가장자리를 형성한다 그후 파골세포는 주석산염

저항산성인산분해효소(TRAP Tartrate-Resistant Acid Phosphatase)를

형성하여 탄산 무수화효소(Carbonic Anhydrase)를 통해 수소이온을

방출하게 되어 국부적인 pH를 낮추게 된다

낮아진 pH는 HA 결정의 용해도를 증가시키고 뼈 기질의 유기물

성분이 마지막으로 산성 단백질 가수분해에 의해서 제거되게 된다

임플란트 표면에서 일어나는 뼈의 재형성 정도에 따라서 보철장치의

수명이 정해진다 예를 들어 임플란트의 헐거워짐이나 실패는 임플란트

주위 뼈의 재형성이 거의 일어나지 않아서 결국 영양불량의 뼈가

되거나 뼈 주위에 너무 많은 뼈의 재형성이 일어나 극단적인 뼈

재흡수나 골용해(Osteolysis)를 유발할 수 있다

현재 사용되는 뼈 대체물의 문제점

전통적으로 자가이식(Autografts) 동종이식(Allografts)

이종이식(Xenografts) 및 금속 임플란트가 뼈 골절과 손상부를

치료하는데 이용되어 왔다 하지만 이와 같은 뼈 대체물은 각각 특정한

문제점과 한계점들을 가지고 있다

자가이식

자가이식은 골격의 한 부분을 제거하여 동일인의 다른 부위에 옮긴

조직이다 일반적으로 환자의 장골에서 해면골 형태로 축출하지만

피질골도 사용된다 역사적으로 자가이식은 뼈 발생 세포뿐만 아니라

뼈의 치료와 재생에 필요한 필수적인 골유도인자(Osteoinductive

Factors)를 제공한다 하지만 자가이식은 언제나 기증자 부족과

기증자의 병적상태에 의존하기 때문에 자가이식의 응용에 많은 한계가

있다 이식이 필요한 환자 수가 기증자 수를 훨씬 넘어서고 있다

새로운 기술개발이 이러한 부족분을 줄이는데 필요하다

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

동종이식과 이종이식

동종이식은 동일한 종족내에 유전적으로 다른 개체사이에 이식된

조직이고 반면에 이종이식은 다른 종족사이에 이식된 조직이다

분명히 동종이식과 이종이식은 질병의 전달과 면역반응 등의 문제를

일으킬 위험성이 아주 높다

금속과 합금 임플란트

이상에서 언급한 자가이식 동종이식 이종이식과 관련된 문제때문에

금 속과 같은 합성물질을 수많은 정형외과 응용분야에서 재료로

사용되어 왔다 하지만 금속과 합금은 실제 뼈처럼 생리학적 역학적

기계적 특성을 나타내지 못하기 때문에 건강한 뼈의 특성을 가지지

못하고 또한 시간에 따른 재형성 및 자가보수 능력이 없다 lt표 2gt는

현재 정형외과 분야에서 사용되고 있는 금속의 물리적 기계적 특성을

나타낸 것이다 분명히 금속은 lt표 1gt에 열거한 실제 뼈보다 훨씬 높은

밀도와 기계적 특성을 가지고 있다

Stainless Steels(SUS316L)은 1926년 처음으로 의료용으로 사용된

금속 재료로 골고정용 강선 나사 또는 고정판으로 사용되었으며

내부식(Less Corrosive) 특성을 가지고 있으며 지금까지도 널리 사용되는

대표적인 금속 임플란트 재료이다

표 2 정형외과용 합금의 기계적 특성(1011)

Tensile strength

(MPa) Elongation ()

Fatigue

strength (MPa)

Youngs

modulus (MPa)

CP Ti 414 18 310-413 100

Ti-6Al-4V 853 10 540-570 100

SUS316L 482 40 262 200

Co-Cr Alloy(casting) 655 8 241-276 200

Co-Cr Alloy(forging) 855 - 379-517 230

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

코발트 크롬 합금(Co-Cr alloy)은 뛰어난 내부식성과 함께 내마모(Less

Abrasive) 특성을 가지고 있기 때문에 인공 고관절이나 슬관절과 같이

생리적 부하와 함께 운동성이 요구되는 조직의 대체물질로 사용되고

있다 그러나 이들 금속은 완전한 비부식(Noncorrosive)성 재료가

아니며 이식 후 체액에 용해되어 유출되는 금속성분에 의해 생체적합성이

좌우될 뿐만 아니라 탄성율도 자연골에 비해 약 10배나 높은 200 GPa에

이르기 때문에 경시적으로 기계적 친화성 부조화에 의한 골조직의 흡수

수축 비대와 같은 좋지 않은 예후를 나타낸다

타이타늄(Titanium Ti)은 이식 후 면역반응을 일으키지 않으면서

골조직과 직접 화학적으로 결합하는 생체활성을 나타낼 뿐만 아니라

부동화(Passivation)시켜 Ti 표면에 형성된 산화막은 금속 ion의 용출을

차단함과 동시에 체액에 의한 부식도 방어하는 특성을 가지고 있고

탄성율도 다른 금속에 비해 약 12에 해당하여 골 탄성율에 상대적으로

가깝다는 장점을 가지고 있다 골유착(Osseointegration)은 체액내에

존재하는 산소 원자가 Ti원자와 화학적으로 반응하여 표면에 Ti

산화막(TiO2)을 형성하면 골조직의 무기질이 그들과 직접 결합 축적되어

신생골을 형성하는 것으로 알려져 있다

금속 임플란트와 생리학적 뼈의 기계적 특성 사이의 차이는

응력차폐(Stress Shield) 문제를 야기시킨다 즉 임플란트 재료가

기계적인 하중에서 회복되는 뼈를 막아서 뼈 주위를 괴사시켜 결국

임플란트 결합을 약화 시킨다 결과적으로 임플란트와 괴사된 뼈조직을

제거해야 하는 복잡한 과정을 유발시킨다 응력차폐뿐만 아니라

불충분한 골유착(Osseointegration)은 임플란트 결합을 약화시키거나

섬유조직의 내부성장을 유발시킨다 이상의 임상적 문제점으로 인하여

생리학적 뼈와 비슷한 구조 특성 및 기능을 가지고 있는 인공뼈

대체물의 개발 중요성이 더욱 부각된다

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

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5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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54인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

54인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

뼈의 구조

76인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인간의 뼈는 수 십년에 걸쳐 체중 및 체중보다 더 큰 하중을 계속

받음에도 불구하고 파괴되지 않는다 이처럼 뼈는 우리 몸의 중요한

구성 요소로서 세라믹tm(인산칼슘 Calcium Phosphate 또는

수산화인회석 HA Hydroxyapatite) - 폴리머(콜라겐 collagen)

복합체로 이루어져 있다 뼈는 피질골(Cortical or compact Bone)과

해면골(Cancellous or Trabecular or Porous or Spongy Bone)의

두 가지 형태로 구분되며 피질골은 장골(Long bones femur tibia

fibula etc)에서 관찰되며 해면골은 뼈의 중심부 및 편평골(flat

bone)에서 관찰된다 lt그림 1gt의 a는 장골의 종단면 b는 횡단면으로

표면 부분은 피질골 내부는 해면골로 이루어져 있다

뼈의 구조

76인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 기본적으로 인체를 지탱하는 기계적 기능(Mechanical

Function)과 치유세포를 보호 및 저장하는 생물학적 기능(Biological

Func t i on ) 그리고 광물이온을 일정하게 유지하는 화학적

기능(Chemical Function) 등 다양한 기능을 동시에 수행하고 있다

이러한 뼈의 다양한 기능을 대체하기 위한 인공뼈 개발은 본래

자연뼈의 조성(Composition)과 미세구조(Microstructure) 및 기계적

특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이 중요하다

뼈는 다양한 기능을 동시에 수행할 수 있도록 복잡한 구조로

이루어져 있으며 인공뼈 개발에 있어 뼈의 구조를 이해하는 것이

중요하다 일반적으로 뼈는 3단계의 계층구조로 이루어져 있다

첫째는 비콜라겐 유기단백질(Non-Collagenous Organic Proteins)

원섬유 콜라겐(Fibrillar Collagen) 및 광물 결정과 같은 수 ~ 수백

nm 단위의 나노구조이다 둘째는 박막층(Lamellae) 골원(Osteon)

및 하버스계(Haversian System)와 같은 1 ~ 500 μm 단위의

미세구조이다 셋째는 해면골(Cancellous Bone) 피질골(Cortical

Bone)과 같은 거시구조이다 lt그림 2gt는 이와 같이 뼈의 계층구조에

따른 불규칙하고 다양한 구조와 각 계층구조 및 각 계층구조의 기계적

특성 메커니즘을 도식화하여 보여준다

그림 1 장골(대퇴골)의 횡단면(a) 및 종단면(b)(1)

a b

98인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 나노구조

뼈의 구조에 있어서 콜라겐 섬유와 이를 감싸고 있는 광물질이 뼈의

가장 기본단위가 된다 이를 바탕으로 뼈의 성장이 일어난다 뼈의

조성은 종 나이 식습관 건강상태 및 해부학적 위치에 따라 다르다

하지만 일반적으로 무기물이 뼈의 무게 70를 차지하고 나머지 30는

유기물로 구성되어 있다

뼈의 유기물중 거의 90가 콜라겐으로 이루어져 있고 나머지 10는

비콜라겐 단백질과 기질(Ground Substances)로 구성되어 있다

뼈에서 발견되는 콜라겐은 주로 뼈 형성세포인 조골세포(Osteoblast)로

합성되어 있다 최초 3중 나선형 전콜라겐(Triple Helical Procollagen)에

콜라겐 사슬내부에서 활발히 반응하는 콜라겐 분자가 알데히드

그림 2 뼈의 계층적 구조(좌)와 기계적 특성 메커니즘(우)(2)

98인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

교차결합(Cross-Linking)에 의해 안정화되어 세포외 모체로 발생된다

일반적으로 인체에는 12종의 콜라겐이 있는데 각각의 콜라겐은 3개의

폴리텝티드(Polypeptide) 사슬로 구성되며 또한 각각의 폴리텝티드

사슬은 대략 1000여 개의 아미노산으로 이루어져 있다

생장인자 단백질과 사이토킨(예 인슐린과 같은 생장인자

골원성 단백질) 골유도 단백질(예 오스테오넥틴 오스테오폰틴

오스테오칼신) 세포외 기질물질(예 BSP Bone Sialoprotein

골프로테오글리칸 프로테올리피드 인단백질) 등과 같은 비콜라겐

단백질은 뼈 전체 무게에 대한 비중은 작지만 뼈 광물질의 크기와

방향을 조절하고 칼슘과 인을 저장하는 등의 생물학적으로 중요한

기능을 담당한다 새로운 뼈가 생성되는 동안 조골세포와 칼슘 인과

같은 광물질 이온 등과 같은 비콜라겐 단백질이 홀구역과 콜라겐

속으로 증착하여 HA 결정 성장을 촉진하게 된다 기질은 단백질

다당류(Polysaccharides) 뮤코다당류(Mucopolysaccharides)로

구성되어 콜라겐 섬유와 HA사이를 메우는 접합제(Cement) 역할을 한다

그림 3 뼈의 콜라겐 섬유와 광물질 도식도(13)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

일반적으로 뼈는 세포 무기질로 생각할 수 있지만 실제로 60의

콜라겐과 30-40의 HA(Ca10(PO4)6(OH)2)로 구성되어 있다 즉

뼈는 콜라겐이 대부분인 기질 속에 나노크기의 HA이 잘 흩어져 있는

나노구조의 복합체(Nanostructured Composite)이다

뼈의 미세구조와 거시구조

뼈의 미세구조(Microstructure) 단위에는 무층골(Haversian or

Woven Bone)과 층판골(Plexiform or Lamellae Bone) 두 가지 구조로

구성되어 있다 무층골은 미성숙한 뼈로 골절이 있는 가골(Callus)과

퇴행성 뼈 뿐만 아니라 성장하고 있는 뼈의 골간단(Metaphyseal)

부분에서 일반적으로 발견된다 또한 무층골은 상대적으로 무질서하게

배열된 굵은 콜라겐 섬유로 구성되어 있기 때문에 등방성(Isotropy)

특성을 갖는다

반대로 층판골은 무층골이나 이전에 있던 뼈가 성장한 것으로 훨씬

성숙한 뼈이다 보통 3~7 μm 두께를 가진 층판골은 아주 조직화되어

있고 각각의 층판이 평형하게 놓여져 있기 때문에 응력이 집중된

콜라겐 섬유를 함유하고 있다 결과적으로 콜라겐 섬유의 종축에

평형한 방향으로 강도가 가장 큰 이방성(Anisotropy) 특성을 갖게

된다 이러한 콜라겐 섬유는 한 층판에서 다른 층판으로 방향을

변성시킬 수 있기에 합판이나 나선형 구조와 비슷한 형태를 가진다

그림 4 HA 원자구조 (흰색 P 파란색 O 빨간색 Ca)(1)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

층판골은 하버스계의 중심혈관공급장치를 가진 골원으로 구성되며

골원은 동심원적 고리형태를 갖는데 대략 한 골원에 4 ~ 20 고리로

이루어져 있다 lt그림 5gt는 무층골과 층판골의 구조를 나타내고 있다

뼈의 거시구조(Macrostructure)는 조밀한 피질골과 다공질 해면골로

나뉜다 대퇴골(Femur)과 같은 길이가 긴 뼈의 끝 단면도에서 조밀한

피질골 껍질이 다공질의 해면골 내부를 감싸고 있는 것을 관찰할 수

있다(그림 1) 머리덮개 뼈와 같은 편평골(Flat Bone)은 얇은 해면골를

중심으로 양쪽으로 조밀한 피질골로 둘러싸인 샌드위치 구조를 갖고

있다 해면골은 50~90의 기공도(Porosity)를 가진 3차원 구조의

해면구조를 가지며 기공 직경은 수 mm가 되는 것도 있다 주로

장골(Long Bone)과 입방골(Cuboidal Bone)의 골단(Epiphysis)과

골간단(Metaphysis)에서 발견되는 해면골은 대체로 등방성이며 주로

생리적 하중 하에서 압축력을 받는다 반대로 피질골은 기공도가 30

미만이며 직경이 1mm 미만의 작은 기공으로 이루어져 있다 대퇴골과

경골(Tibia)와 같은 장골의 결단에서 주로 발견되는 조밀한 피질골은

하중축에 따라 보강구조와 함께 높은 이방성 특성을 가지고 있다

일반적으로 해면골이 물질대사적인 측면에서 훨씬 더 활성도가 높고

피질골보다 훨씬 자주 변형되어 결과적으로 피질골보다 평균 더 어린

뼈 이다

그림 5 무층골 및 층판골(45)

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 기계적 특성

피질골은 보통 해면골보다 더 조밀해서 기계적으로 더 강하다 뼈의

종류에 따라 압축강도 탄성계수 파괴인성 인장강도와 같은 기계적

특성을 lt표 1gt에 나타내었다 이러한 기계적 특성은 물론 나이 성별

음식습관 건강상태 및 신체부위에 따라 변한다 전체 뼈의 이방성 비는

보통 종축으로 21 횡축으로 26 정도 된다 병든 뼈는 일반적으로

건강한 뼈 보다 밀도가 낮고 기계적 특성도 낮다

표 1 뼈의 기계적 특성(6-8)

뼈의 재형성과 골세포

뼈를 대체하기 어려운 이유는 뼈의 복잡한 구조뿐만 아니라 동적인

능력때문이다 즉 뼈는 손상을 입었을 때 다시 재생 하거나 하중

환경이 변할 때 변화할 수 있는 동적 능력을 가지고 있다 예를 들어

지속적인 운동을 통해서 뼈의 무게를 증가시켜서 하중으로부터

골절을 견딜 수 있게 한다 그러므로 이와 같이 뼈가 동적 능력에 따라

변화하는 동안 어떻게 골세포가 조정되는지 이해하는 것이 인공뼈

개발에 가장 기본이 되는 것이다

살아있는 기관으로서 뼈는 물리적 활동이나 기계적 하중에

의해서 발생하는 다양한 응력에 따라 뼈의 크기 형태 위치 그리고

특성이 재형성 과정을 통해 평생 동안 변화 할 수 있다 다시 말해

Human boneStrength (MPa) Youngrsquo

s modulus (GPa)

Fracture toughness KIC

(MPa m12)

Tensile strength(MPa)Compressive Bending

Cancellous 2 12 ― 005 05 ― ―

Cortical 100 230 50 150 7 30 2 12 ―

Tibia 159 ― 181 ― 140

Femur 167 ― 172 ― 121

Radius 114 ― 186 ― 149

Humerus 132 ― 172 ― 130

Cervical 10 ― 023 ― 31

Lumbar 5 ― 016 ― 37

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 골재형성 단위(BMU Bone-Remodeling Unit)를 통해 뼈의

재형성 과정을 활성화시킴으로써 과도한 기계적 하중 하에서도

자기보수(Self-Repairing) 능력을 가지고 있다 이 과정에는 3가지

골세포가 관여한다 첫째는 뼈 형성세포인 골모세포(Osteoblast)

둘째는 뼈 유지세포인 골세포(Osteocyte) 그리고 마지막으로 뼈

흡수세포인 파골세포(Osteoclast)이다

lt그림 6gt은 어떻게 골세포가 뼈 재형성 과정에서 작용하는지 나타낸

것이다 파골세포가 오래된 뼈를 흡수하기 위해서 뼈 기질속에 있는

생장인자나 사이토카인 단백질에 의해서 활성화된다 그 후 골모세포가

칼슘을 함유한 광물질을 증착시키기 위해 파골세포와 골세포에 의해서

분비된 인슐린과 같은 생장인자에 의해서 활성화된다 골세포는

인슐린과 같은 생장인자와 조직 생장인자 분비를 통해서 비칼슘 증착과

칼슘 증착 사이를 골모세포 분화를 통해서 새로운 뼈 생성을 조절하게

된다

골모세포(Osteoblast)

골모세포는 평균 직경이 10 ~ 50 μm로 골막(Periosteal)과

골내막(Endosteal) 표면에 위치하여 새로운 뼈 합성에 관여한다

초기 이식물질이 뼈 표면에 접착되면 골모세포가 활발하게

증식하고 콜라겐 비트로넥틴(Vitronectin 세포접착성 당단백질)

그림 6 골재형성 과정 도식도(9)

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

및 섬유결합소(Fibronectin)를 유발하는 유전자를 발산한다

증식의 마지막 단계에 세포외기질의 발달과 성숙이 시작되며

골모세포가 비칼슘세포에서 칼슘세포로 분화가 시작된다 알칼리성

인산가수분해효소(ALP Alkaline Phosphatase) 활성도와

mRNA 발산이 열배로 증가한다 광물질화 과정이 시작되고 이에

광물질 소결절이 생성됨에 따라 골모세포가 합성되며 BSP(Bone

Sialoprotein) 및 칼슘과 결합된다 백질인 오스테오칼신(Osteocalcin)

및 다른 기질 단백질을 증착하게 된다 오스테오칼신은 HA와

상호작용하여 골모세포에 의한 뼈의 재흡수와 골모세포골세포에 의한

골형성 사이를 연결하고 조절하게 된다

골세포(Osteocyte)

골세포는 광물화된 뼈 기질에 묻혀있는 성숙한 골모세포이며

동시에 새로운 뼈 합성에 기여하지만 골모세포 만큼은 되지 않는다

골세포와 골모세포 사이의 가장 기본적인 차이는 뼈 속에서 상대적인

위치 차이이다 골세포는 골원의 중심부 내강 주위와 판층 사이에서

동심원적으로 배열되어 있다 또한 골세포는 주위의 다른 골세포와

함께 작은 소관(Canaliculi)을 통해서 접촉하고 의사소통할 수 있는

상당히 긴 가지를 가지고 있다 이와 같이 3차원적으로 함께 섞인

구조로 인해서 골세포는 조직내의 생리학적 응력과 변형신호에

민감하게 반응하며 새로운 뼈를 증착하는 골모세포의 활동도와 오래된

뼈를 녹이는 파골세포의 활동도를 조절하도록 돕는다

파골세포(Osteoclast)

파골세포는 골수(Bone Marrow)의 분화세포에서 나와서 하우쉽소강(Howshiplsquos

Lacunae)이라는 침식공간의 뼈 재흡수 영역에 존재한다 파골세포는 주로 뼈

재흡수에 관여하며 직경이 100 μm로 세포당 100개까지 파골세포핵을 가진다

파골세포가 뼈를 녹이기 위해서 분열된 뼈 사이를 쓸어내는 동안 표면적을 늘리기

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

위해서 물결 모양의 세모막 가장자리를 형성한다 그후 파골세포는 주석산염

저항산성인산분해효소(TRAP Tartrate-Resistant Acid Phosphatase)를

형성하여 탄산 무수화효소(Carbonic Anhydrase)를 통해 수소이온을

방출하게 되어 국부적인 pH를 낮추게 된다

낮아진 pH는 HA 결정의 용해도를 증가시키고 뼈 기질의 유기물

성분이 마지막으로 산성 단백질 가수분해에 의해서 제거되게 된다

임플란트 표면에서 일어나는 뼈의 재형성 정도에 따라서 보철장치의

수명이 정해진다 예를 들어 임플란트의 헐거워짐이나 실패는 임플란트

주위 뼈의 재형성이 거의 일어나지 않아서 결국 영양불량의 뼈가

되거나 뼈 주위에 너무 많은 뼈의 재형성이 일어나 극단적인 뼈

재흡수나 골용해(Osteolysis)를 유발할 수 있다

현재 사용되는 뼈 대체물의 문제점

전통적으로 자가이식(Autografts) 동종이식(Allografts)

이종이식(Xenografts) 및 금속 임플란트가 뼈 골절과 손상부를

치료하는데 이용되어 왔다 하지만 이와 같은 뼈 대체물은 각각 특정한

문제점과 한계점들을 가지고 있다

자가이식

자가이식은 골격의 한 부분을 제거하여 동일인의 다른 부위에 옮긴

조직이다 일반적으로 환자의 장골에서 해면골 형태로 축출하지만

피질골도 사용된다 역사적으로 자가이식은 뼈 발생 세포뿐만 아니라

뼈의 치료와 재생에 필요한 필수적인 골유도인자(Osteoinductive

Factors)를 제공한다 하지만 자가이식은 언제나 기증자 부족과

기증자의 병적상태에 의존하기 때문에 자가이식의 응용에 많은 한계가

있다 이식이 필요한 환자 수가 기증자 수를 훨씬 넘어서고 있다

새로운 기술개발이 이러한 부족분을 줄이는데 필요하다

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

동종이식과 이종이식

동종이식은 동일한 종족내에 유전적으로 다른 개체사이에 이식된

조직이고 반면에 이종이식은 다른 종족사이에 이식된 조직이다

분명히 동종이식과 이종이식은 질병의 전달과 면역반응 등의 문제를

일으킬 위험성이 아주 높다

금속과 합금 임플란트

이상에서 언급한 자가이식 동종이식 이종이식과 관련된 문제때문에

금 속과 같은 합성물질을 수많은 정형외과 응용분야에서 재료로

사용되어 왔다 하지만 금속과 합금은 실제 뼈처럼 생리학적 역학적

기계적 특성을 나타내지 못하기 때문에 건강한 뼈의 특성을 가지지

못하고 또한 시간에 따른 재형성 및 자가보수 능력이 없다 lt표 2gt는

현재 정형외과 분야에서 사용되고 있는 금속의 물리적 기계적 특성을

나타낸 것이다 분명히 금속은 lt표 1gt에 열거한 실제 뼈보다 훨씬 높은

밀도와 기계적 특성을 가지고 있다

Stainless Steels(SUS316L)은 1926년 처음으로 의료용으로 사용된

금속 재료로 골고정용 강선 나사 또는 고정판으로 사용되었으며

내부식(Less Corrosive) 특성을 가지고 있으며 지금까지도 널리 사용되는

대표적인 금속 임플란트 재료이다

표 2 정형외과용 합금의 기계적 특성(1011)

Tensile strength

(MPa) Elongation ()

Fatigue

strength (MPa)

Youngs

modulus (MPa)

CP Ti 414 18 310-413 100

Ti-6Al-4V 853 10 540-570 100

SUS316L 482 40 262 200

Co-Cr Alloy(casting) 655 8 241-276 200

Co-Cr Alloy(forging) 855 - 379-517 230

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

코발트 크롬 합금(Co-Cr alloy)은 뛰어난 내부식성과 함께 내마모(Less

Abrasive) 특성을 가지고 있기 때문에 인공 고관절이나 슬관절과 같이

생리적 부하와 함께 운동성이 요구되는 조직의 대체물질로 사용되고

있다 그러나 이들 금속은 완전한 비부식(Noncorrosive)성 재료가

아니며 이식 후 체액에 용해되어 유출되는 금속성분에 의해 생체적합성이

좌우될 뿐만 아니라 탄성율도 자연골에 비해 약 10배나 높은 200 GPa에

이르기 때문에 경시적으로 기계적 친화성 부조화에 의한 골조직의 흡수

수축 비대와 같은 좋지 않은 예후를 나타낸다

타이타늄(Titanium Ti)은 이식 후 면역반응을 일으키지 않으면서

골조직과 직접 화학적으로 결합하는 생체활성을 나타낼 뿐만 아니라

부동화(Passivation)시켜 Ti 표면에 형성된 산화막은 금속 ion의 용출을

차단함과 동시에 체액에 의한 부식도 방어하는 특성을 가지고 있고

탄성율도 다른 금속에 비해 약 12에 해당하여 골 탄성율에 상대적으로

가깝다는 장점을 가지고 있다 골유착(Osseointegration)은 체액내에

존재하는 산소 원자가 Ti원자와 화학적으로 반응하여 표면에 Ti

산화막(TiO2)을 형성하면 골조직의 무기질이 그들과 직접 결합 축적되어

신생골을 형성하는 것으로 알려져 있다

금속 임플란트와 생리학적 뼈의 기계적 특성 사이의 차이는

응력차폐(Stress Shield) 문제를 야기시킨다 즉 임플란트 재료가

기계적인 하중에서 회복되는 뼈를 막아서 뼈 주위를 괴사시켜 결국

임플란트 결합을 약화 시킨다 결과적으로 임플란트와 괴사된 뼈조직을

제거해야 하는 복잡한 과정을 유발시킨다 응력차폐뿐만 아니라

불충분한 골유착(Osseointegration)은 임플란트 결합을 약화시키거나

섬유조직의 내부성장을 유발시킨다 이상의 임상적 문제점으로 인하여

생리학적 뼈와 비슷한 구조 특성 및 기능을 가지고 있는 인공뼈

대체물의 개발 중요성이 더욱 부각된다

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1 Marc Andre Meyers Po-Yu Chen Albert Yu-Min Lin

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Page 5: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

54인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

뼈의 구조

76인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인간의 뼈는 수 십년에 걸쳐 체중 및 체중보다 더 큰 하중을 계속

받음에도 불구하고 파괴되지 않는다 이처럼 뼈는 우리 몸의 중요한

구성 요소로서 세라믹tm(인산칼슘 Calcium Phosphate 또는

수산화인회석 HA Hydroxyapatite) - 폴리머(콜라겐 collagen)

복합체로 이루어져 있다 뼈는 피질골(Cortical or compact Bone)과

해면골(Cancellous or Trabecular or Porous or Spongy Bone)의

두 가지 형태로 구분되며 피질골은 장골(Long bones femur tibia

fibula etc)에서 관찰되며 해면골은 뼈의 중심부 및 편평골(flat

bone)에서 관찰된다 lt그림 1gt의 a는 장골의 종단면 b는 횡단면으로

표면 부분은 피질골 내부는 해면골로 이루어져 있다

뼈의 구조

76인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 기본적으로 인체를 지탱하는 기계적 기능(Mechanical

Function)과 치유세포를 보호 및 저장하는 생물학적 기능(Biological

Func t i on ) 그리고 광물이온을 일정하게 유지하는 화학적

기능(Chemical Function) 등 다양한 기능을 동시에 수행하고 있다

이러한 뼈의 다양한 기능을 대체하기 위한 인공뼈 개발은 본래

자연뼈의 조성(Composition)과 미세구조(Microstructure) 및 기계적

특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이 중요하다

뼈는 다양한 기능을 동시에 수행할 수 있도록 복잡한 구조로

이루어져 있으며 인공뼈 개발에 있어 뼈의 구조를 이해하는 것이

중요하다 일반적으로 뼈는 3단계의 계층구조로 이루어져 있다

첫째는 비콜라겐 유기단백질(Non-Collagenous Organic Proteins)

원섬유 콜라겐(Fibrillar Collagen) 및 광물 결정과 같은 수 ~ 수백

nm 단위의 나노구조이다 둘째는 박막층(Lamellae) 골원(Osteon)

및 하버스계(Haversian System)와 같은 1 ~ 500 μm 단위의

미세구조이다 셋째는 해면골(Cancellous Bone) 피질골(Cortical

Bone)과 같은 거시구조이다 lt그림 2gt는 이와 같이 뼈의 계층구조에

따른 불규칙하고 다양한 구조와 각 계층구조 및 각 계층구조의 기계적

특성 메커니즘을 도식화하여 보여준다

그림 1 장골(대퇴골)의 횡단면(a) 및 종단면(b)(1)

a b

98인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 나노구조

뼈의 구조에 있어서 콜라겐 섬유와 이를 감싸고 있는 광물질이 뼈의

가장 기본단위가 된다 이를 바탕으로 뼈의 성장이 일어난다 뼈의

조성은 종 나이 식습관 건강상태 및 해부학적 위치에 따라 다르다

하지만 일반적으로 무기물이 뼈의 무게 70를 차지하고 나머지 30는

유기물로 구성되어 있다

뼈의 유기물중 거의 90가 콜라겐으로 이루어져 있고 나머지 10는

비콜라겐 단백질과 기질(Ground Substances)로 구성되어 있다

뼈에서 발견되는 콜라겐은 주로 뼈 형성세포인 조골세포(Osteoblast)로

합성되어 있다 최초 3중 나선형 전콜라겐(Triple Helical Procollagen)에

콜라겐 사슬내부에서 활발히 반응하는 콜라겐 분자가 알데히드

그림 2 뼈의 계층적 구조(좌)와 기계적 특성 메커니즘(우)(2)

98인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

교차결합(Cross-Linking)에 의해 안정화되어 세포외 모체로 발생된다

일반적으로 인체에는 12종의 콜라겐이 있는데 각각의 콜라겐은 3개의

폴리텝티드(Polypeptide) 사슬로 구성되며 또한 각각의 폴리텝티드

사슬은 대략 1000여 개의 아미노산으로 이루어져 있다

생장인자 단백질과 사이토킨(예 인슐린과 같은 생장인자

골원성 단백질) 골유도 단백질(예 오스테오넥틴 오스테오폰틴

오스테오칼신) 세포외 기질물질(예 BSP Bone Sialoprotein

골프로테오글리칸 프로테올리피드 인단백질) 등과 같은 비콜라겐

단백질은 뼈 전체 무게에 대한 비중은 작지만 뼈 광물질의 크기와

방향을 조절하고 칼슘과 인을 저장하는 등의 생물학적으로 중요한

기능을 담당한다 새로운 뼈가 생성되는 동안 조골세포와 칼슘 인과

같은 광물질 이온 등과 같은 비콜라겐 단백질이 홀구역과 콜라겐

속으로 증착하여 HA 결정 성장을 촉진하게 된다 기질은 단백질

다당류(Polysaccharides) 뮤코다당류(Mucopolysaccharides)로

구성되어 콜라겐 섬유와 HA사이를 메우는 접합제(Cement) 역할을 한다

그림 3 뼈의 콜라겐 섬유와 광물질 도식도(13)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

일반적으로 뼈는 세포 무기질로 생각할 수 있지만 실제로 60의

콜라겐과 30-40의 HA(Ca10(PO4)6(OH)2)로 구성되어 있다 즉

뼈는 콜라겐이 대부분인 기질 속에 나노크기의 HA이 잘 흩어져 있는

나노구조의 복합체(Nanostructured Composite)이다

뼈의 미세구조와 거시구조

뼈의 미세구조(Microstructure) 단위에는 무층골(Haversian or

Woven Bone)과 층판골(Plexiform or Lamellae Bone) 두 가지 구조로

구성되어 있다 무층골은 미성숙한 뼈로 골절이 있는 가골(Callus)과

퇴행성 뼈 뿐만 아니라 성장하고 있는 뼈의 골간단(Metaphyseal)

부분에서 일반적으로 발견된다 또한 무층골은 상대적으로 무질서하게

배열된 굵은 콜라겐 섬유로 구성되어 있기 때문에 등방성(Isotropy)

특성을 갖는다

반대로 층판골은 무층골이나 이전에 있던 뼈가 성장한 것으로 훨씬

성숙한 뼈이다 보통 3~7 μm 두께를 가진 층판골은 아주 조직화되어

있고 각각의 층판이 평형하게 놓여져 있기 때문에 응력이 집중된

콜라겐 섬유를 함유하고 있다 결과적으로 콜라겐 섬유의 종축에

평형한 방향으로 강도가 가장 큰 이방성(Anisotropy) 특성을 갖게

된다 이러한 콜라겐 섬유는 한 층판에서 다른 층판으로 방향을

변성시킬 수 있기에 합판이나 나선형 구조와 비슷한 형태를 가진다

그림 4 HA 원자구조 (흰색 P 파란색 O 빨간색 Ca)(1)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

층판골은 하버스계의 중심혈관공급장치를 가진 골원으로 구성되며

골원은 동심원적 고리형태를 갖는데 대략 한 골원에 4 ~ 20 고리로

이루어져 있다 lt그림 5gt는 무층골과 층판골의 구조를 나타내고 있다

뼈의 거시구조(Macrostructure)는 조밀한 피질골과 다공질 해면골로

나뉜다 대퇴골(Femur)과 같은 길이가 긴 뼈의 끝 단면도에서 조밀한

피질골 껍질이 다공질의 해면골 내부를 감싸고 있는 것을 관찰할 수

있다(그림 1) 머리덮개 뼈와 같은 편평골(Flat Bone)은 얇은 해면골를

중심으로 양쪽으로 조밀한 피질골로 둘러싸인 샌드위치 구조를 갖고

있다 해면골은 50~90의 기공도(Porosity)를 가진 3차원 구조의

해면구조를 가지며 기공 직경은 수 mm가 되는 것도 있다 주로

장골(Long Bone)과 입방골(Cuboidal Bone)의 골단(Epiphysis)과

골간단(Metaphysis)에서 발견되는 해면골은 대체로 등방성이며 주로

생리적 하중 하에서 압축력을 받는다 반대로 피질골은 기공도가 30

미만이며 직경이 1mm 미만의 작은 기공으로 이루어져 있다 대퇴골과

경골(Tibia)와 같은 장골의 결단에서 주로 발견되는 조밀한 피질골은

하중축에 따라 보강구조와 함께 높은 이방성 특성을 가지고 있다

일반적으로 해면골이 물질대사적인 측면에서 훨씬 더 활성도가 높고

피질골보다 훨씬 자주 변형되어 결과적으로 피질골보다 평균 더 어린

뼈 이다

그림 5 무층골 및 층판골(45)

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 기계적 특성

피질골은 보통 해면골보다 더 조밀해서 기계적으로 더 강하다 뼈의

종류에 따라 압축강도 탄성계수 파괴인성 인장강도와 같은 기계적

특성을 lt표 1gt에 나타내었다 이러한 기계적 특성은 물론 나이 성별

음식습관 건강상태 및 신체부위에 따라 변한다 전체 뼈의 이방성 비는

보통 종축으로 21 횡축으로 26 정도 된다 병든 뼈는 일반적으로

건강한 뼈 보다 밀도가 낮고 기계적 특성도 낮다

표 1 뼈의 기계적 특성(6-8)

뼈의 재형성과 골세포

뼈를 대체하기 어려운 이유는 뼈의 복잡한 구조뿐만 아니라 동적인

능력때문이다 즉 뼈는 손상을 입었을 때 다시 재생 하거나 하중

환경이 변할 때 변화할 수 있는 동적 능력을 가지고 있다 예를 들어

지속적인 운동을 통해서 뼈의 무게를 증가시켜서 하중으로부터

골절을 견딜 수 있게 한다 그러므로 이와 같이 뼈가 동적 능력에 따라

변화하는 동안 어떻게 골세포가 조정되는지 이해하는 것이 인공뼈

개발에 가장 기본이 되는 것이다

살아있는 기관으로서 뼈는 물리적 활동이나 기계적 하중에

의해서 발생하는 다양한 응력에 따라 뼈의 크기 형태 위치 그리고

특성이 재형성 과정을 통해 평생 동안 변화 할 수 있다 다시 말해

Human boneStrength (MPa) Youngrsquo

s modulus (GPa)

Fracture toughness KIC

(MPa m12)

Tensile strength(MPa)Compressive Bending

Cancellous 2 12 ― 005 05 ― ―

Cortical 100 230 50 150 7 30 2 12 ―

Tibia 159 ― 181 ― 140

Femur 167 ― 172 ― 121

Radius 114 ― 186 ― 149

Humerus 132 ― 172 ― 130

Cervical 10 ― 023 ― 31

Lumbar 5 ― 016 ― 37

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 골재형성 단위(BMU Bone-Remodeling Unit)를 통해 뼈의

재형성 과정을 활성화시킴으로써 과도한 기계적 하중 하에서도

자기보수(Self-Repairing) 능력을 가지고 있다 이 과정에는 3가지

골세포가 관여한다 첫째는 뼈 형성세포인 골모세포(Osteoblast)

둘째는 뼈 유지세포인 골세포(Osteocyte) 그리고 마지막으로 뼈

흡수세포인 파골세포(Osteoclast)이다

lt그림 6gt은 어떻게 골세포가 뼈 재형성 과정에서 작용하는지 나타낸

것이다 파골세포가 오래된 뼈를 흡수하기 위해서 뼈 기질속에 있는

생장인자나 사이토카인 단백질에 의해서 활성화된다 그 후 골모세포가

칼슘을 함유한 광물질을 증착시키기 위해 파골세포와 골세포에 의해서

분비된 인슐린과 같은 생장인자에 의해서 활성화된다 골세포는

인슐린과 같은 생장인자와 조직 생장인자 분비를 통해서 비칼슘 증착과

칼슘 증착 사이를 골모세포 분화를 통해서 새로운 뼈 생성을 조절하게

된다

골모세포(Osteoblast)

골모세포는 평균 직경이 10 ~ 50 μm로 골막(Periosteal)과

골내막(Endosteal) 표면에 위치하여 새로운 뼈 합성에 관여한다

초기 이식물질이 뼈 표면에 접착되면 골모세포가 활발하게

증식하고 콜라겐 비트로넥틴(Vitronectin 세포접착성 당단백질)

그림 6 골재형성 과정 도식도(9)

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

및 섬유결합소(Fibronectin)를 유발하는 유전자를 발산한다

증식의 마지막 단계에 세포외기질의 발달과 성숙이 시작되며

골모세포가 비칼슘세포에서 칼슘세포로 분화가 시작된다 알칼리성

인산가수분해효소(ALP Alkaline Phosphatase) 활성도와

mRNA 발산이 열배로 증가한다 광물질화 과정이 시작되고 이에

광물질 소결절이 생성됨에 따라 골모세포가 합성되며 BSP(Bone

Sialoprotein) 및 칼슘과 결합된다 백질인 오스테오칼신(Osteocalcin)

및 다른 기질 단백질을 증착하게 된다 오스테오칼신은 HA와

상호작용하여 골모세포에 의한 뼈의 재흡수와 골모세포골세포에 의한

골형성 사이를 연결하고 조절하게 된다

골세포(Osteocyte)

골세포는 광물화된 뼈 기질에 묻혀있는 성숙한 골모세포이며

동시에 새로운 뼈 합성에 기여하지만 골모세포 만큼은 되지 않는다

골세포와 골모세포 사이의 가장 기본적인 차이는 뼈 속에서 상대적인

위치 차이이다 골세포는 골원의 중심부 내강 주위와 판층 사이에서

동심원적으로 배열되어 있다 또한 골세포는 주위의 다른 골세포와

함께 작은 소관(Canaliculi)을 통해서 접촉하고 의사소통할 수 있는

상당히 긴 가지를 가지고 있다 이와 같이 3차원적으로 함께 섞인

구조로 인해서 골세포는 조직내의 생리학적 응력과 변형신호에

민감하게 반응하며 새로운 뼈를 증착하는 골모세포의 활동도와 오래된

뼈를 녹이는 파골세포의 활동도를 조절하도록 돕는다

파골세포(Osteoclast)

파골세포는 골수(Bone Marrow)의 분화세포에서 나와서 하우쉽소강(Howshiplsquos

Lacunae)이라는 침식공간의 뼈 재흡수 영역에 존재한다 파골세포는 주로 뼈

재흡수에 관여하며 직경이 100 μm로 세포당 100개까지 파골세포핵을 가진다

파골세포가 뼈를 녹이기 위해서 분열된 뼈 사이를 쓸어내는 동안 표면적을 늘리기

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

위해서 물결 모양의 세모막 가장자리를 형성한다 그후 파골세포는 주석산염

저항산성인산분해효소(TRAP Tartrate-Resistant Acid Phosphatase)를

형성하여 탄산 무수화효소(Carbonic Anhydrase)를 통해 수소이온을

방출하게 되어 국부적인 pH를 낮추게 된다

낮아진 pH는 HA 결정의 용해도를 증가시키고 뼈 기질의 유기물

성분이 마지막으로 산성 단백질 가수분해에 의해서 제거되게 된다

임플란트 표면에서 일어나는 뼈의 재형성 정도에 따라서 보철장치의

수명이 정해진다 예를 들어 임플란트의 헐거워짐이나 실패는 임플란트

주위 뼈의 재형성이 거의 일어나지 않아서 결국 영양불량의 뼈가

되거나 뼈 주위에 너무 많은 뼈의 재형성이 일어나 극단적인 뼈

재흡수나 골용해(Osteolysis)를 유발할 수 있다

현재 사용되는 뼈 대체물의 문제점

전통적으로 자가이식(Autografts) 동종이식(Allografts)

이종이식(Xenografts) 및 금속 임플란트가 뼈 골절과 손상부를

치료하는데 이용되어 왔다 하지만 이와 같은 뼈 대체물은 각각 특정한

문제점과 한계점들을 가지고 있다

자가이식

자가이식은 골격의 한 부분을 제거하여 동일인의 다른 부위에 옮긴

조직이다 일반적으로 환자의 장골에서 해면골 형태로 축출하지만

피질골도 사용된다 역사적으로 자가이식은 뼈 발생 세포뿐만 아니라

뼈의 치료와 재생에 필요한 필수적인 골유도인자(Osteoinductive

Factors)를 제공한다 하지만 자가이식은 언제나 기증자 부족과

기증자의 병적상태에 의존하기 때문에 자가이식의 응용에 많은 한계가

있다 이식이 필요한 환자 수가 기증자 수를 훨씬 넘어서고 있다

새로운 기술개발이 이러한 부족분을 줄이는데 필요하다

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

동종이식과 이종이식

동종이식은 동일한 종족내에 유전적으로 다른 개체사이에 이식된

조직이고 반면에 이종이식은 다른 종족사이에 이식된 조직이다

분명히 동종이식과 이종이식은 질병의 전달과 면역반응 등의 문제를

일으킬 위험성이 아주 높다

금속과 합금 임플란트

이상에서 언급한 자가이식 동종이식 이종이식과 관련된 문제때문에

금 속과 같은 합성물질을 수많은 정형외과 응용분야에서 재료로

사용되어 왔다 하지만 금속과 합금은 실제 뼈처럼 생리학적 역학적

기계적 특성을 나타내지 못하기 때문에 건강한 뼈의 특성을 가지지

못하고 또한 시간에 따른 재형성 및 자가보수 능력이 없다 lt표 2gt는

현재 정형외과 분야에서 사용되고 있는 금속의 물리적 기계적 특성을

나타낸 것이다 분명히 금속은 lt표 1gt에 열거한 실제 뼈보다 훨씬 높은

밀도와 기계적 특성을 가지고 있다

Stainless Steels(SUS316L)은 1926년 처음으로 의료용으로 사용된

금속 재료로 골고정용 강선 나사 또는 고정판으로 사용되었으며

내부식(Less Corrosive) 특성을 가지고 있으며 지금까지도 널리 사용되는

대표적인 금속 임플란트 재료이다

표 2 정형외과용 합금의 기계적 특성(1011)

Tensile strength

(MPa) Elongation ()

Fatigue

strength (MPa)

Youngs

modulus (MPa)

CP Ti 414 18 310-413 100

Ti-6Al-4V 853 10 540-570 100

SUS316L 482 40 262 200

Co-Cr Alloy(casting) 655 8 241-276 200

Co-Cr Alloy(forging) 855 - 379-517 230

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

코발트 크롬 합금(Co-Cr alloy)은 뛰어난 내부식성과 함께 내마모(Less

Abrasive) 특성을 가지고 있기 때문에 인공 고관절이나 슬관절과 같이

생리적 부하와 함께 운동성이 요구되는 조직의 대체물질로 사용되고

있다 그러나 이들 금속은 완전한 비부식(Noncorrosive)성 재료가

아니며 이식 후 체액에 용해되어 유출되는 금속성분에 의해 생체적합성이

좌우될 뿐만 아니라 탄성율도 자연골에 비해 약 10배나 높은 200 GPa에

이르기 때문에 경시적으로 기계적 친화성 부조화에 의한 골조직의 흡수

수축 비대와 같은 좋지 않은 예후를 나타낸다

타이타늄(Titanium Ti)은 이식 후 면역반응을 일으키지 않으면서

골조직과 직접 화학적으로 결합하는 생체활성을 나타낼 뿐만 아니라

부동화(Passivation)시켜 Ti 표면에 형성된 산화막은 금속 ion의 용출을

차단함과 동시에 체액에 의한 부식도 방어하는 특성을 가지고 있고

탄성율도 다른 금속에 비해 약 12에 해당하여 골 탄성율에 상대적으로

가깝다는 장점을 가지고 있다 골유착(Osseointegration)은 체액내에

존재하는 산소 원자가 Ti원자와 화학적으로 반응하여 표면에 Ti

산화막(TiO2)을 형성하면 골조직의 무기질이 그들과 직접 결합 축적되어

신생골을 형성하는 것으로 알려져 있다

금속 임플란트와 생리학적 뼈의 기계적 특성 사이의 차이는

응력차폐(Stress Shield) 문제를 야기시킨다 즉 임플란트 재료가

기계적인 하중에서 회복되는 뼈를 막아서 뼈 주위를 괴사시켜 결국

임플란트 결합을 약화 시킨다 결과적으로 임플란트와 괴사된 뼈조직을

제거해야 하는 복잡한 과정을 유발시킨다 응력차폐뿐만 아니라

불충분한 골유착(Osseointegration)은 임플란트 결합을 약화시키거나

섬유조직의 내부성장을 유발시킨다 이상의 임상적 문제점으로 인하여

생리학적 뼈와 비슷한 구조 특성 및 기능을 가지고 있는 인공뼈

대체물의 개발 중요성이 더욱 부각된다

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 6: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

76인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인간의 뼈는 수 십년에 걸쳐 체중 및 체중보다 더 큰 하중을 계속

받음에도 불구하고 파괴되지 않는다 이처럼 뼈는 우리 몸의 중요한

구성 요소로서 세라믹tm(인산칼슘 Calcium Phosphate 또는

수산화인회석 HA Hydroxyapatite) - 폴리머(콜라겐 collagen)

복합체로 이루어져 있다 뼈는 피질골(Cortical or compact Bone)과

해면골(Cancellous or Trabecular or Porous or Spongy Bone)의

두 가지 형태로 구분되며 피질골은 장골(Long bones femur tibia

fibula etc)에서 관찰되며 해면골은 뼈의 중심부 및 편평골(flat

bone)에서 관찰된다 lt그림 1gt의 a는 장골의 종단면 b는 횡단면으로

표면 부분은 피질골 내부는 해면골로 이루어져 있다

뼈의 구조

76인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 기본적으로 인체를 지탱하는 기계적 기능(Mechanical

Function)과 치유세포를 보호 및 저장하는 생물학적 기능(Biological

Func t i on ) 그리고 광물이온을 일정하게 유지하는 화학적

기능(Chemical Function) 등 다양한 기능을 동시에 수행하고 있다

이러한 뼈의 다양한 기능을 대체하기 위한 인공뼈 개발은 본래

자연뼈의 조성(Composition)과 미세구조(Microstructure) 및 기계적

특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이 중요하다

뼈는 다양한 기능을 동시에 수행할 수 있도록 복잡한 구조로

이루어져 있으며 인공뼈 개발에 있어 뼈의 구조를 이해하는 것이

중요하다 일반적으로 뼈는 3단계의 계층구조로 이루어져 있다

첫째는 비콜라겐 유기단백질(Non-Collagenous Organic Proteins)

원섬유 콜라겐(Fibrillar Collagen) 및 광물 결정과 같은 수 ~ 수백

nm 단위의 나노구조이다 둘째는 박막층(Lamellae) 골원(Osteon)

및 하버스계(Haversian System)와 같은 1 ~ 500 μm 단위의

미세구조이다 셋째는 해면골(Cancellous Bone) 피질골(Cortical

Bone)과 같은 거시구조이다 lt그림 2gt는 이와 같이 뼈의 계층구조에

따른 불규칙하고 다양한 구조와 각 계층구조 및 각 계층구조의 기계적

특성 메커니즘을 도식화하여 보여준다

그림 1 장골(대퇴골)의 횡단면(a) 및 종단면(b)(1)

a b

98인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 나노구조

뼈의 구조에 있어서 콜라겐 섬유와 이를 감싸고 있는 광물질이 뼈의

가장 기본단위가 된다 이를 바탕으로 뼈의 성장이 일어난다 뼈의

조성은 종 나이 식습관 건강상태 및 해부학적 위치에 따라 다르다

하지만 일반적으로 무기물이 뼈의 무게 70를 차지하고 나머지 30는

유기물로 구성되어 있다

뼈의 유기물중 거의 90가 콜라겐으로 이루어져 있고 나머지 10는

비콜라겐 단백질과 기질(Ground Substances)로 구성되어 있다

뼈에서 발견되는 콜라겐은 주로 뼈 형성세포인 조골세포(Osteoblast)로

합성되어 있다 최초 3중 나선형 전콜라겐(Triple Helical Procollagen)에

콜라겐 사슬내부에서 활발히 반응하는 콜라겐 분자가 알데히드

그림 2 뼈의 계층적 구조(좌)와 기계적 특성 메커니즘(우)(2)

98인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

교차결합(Cross-Linking)에 의해 안정화되어 세포외 모체로 발생된다

일반적으로 인체에는 12종의 콜라겐이 있는데 각각의 콜라겐은 3개의

폴리텝티드(Polypeptide) 사슬로 구성되며 또한 각각의 폴리텝티드

사슬은 대략 1000여 개의 아미노산으로 이루어져 있다

생장인자 단백질과 사이토킨(예 인슐린과 같은 생장인자

골원성 단백질) 골유도 단백질(예 오스테오넥틴 오스테오폰틴

오스테오칼신) 세포외 기질물질(예 BSP Bone Sialoprotein

골프로테오글리칸 프로테올리피드 인단백질) 등과 같은 비콜라겐

단백질은 뼈 전체 무게에 대한 비중은 작지만 뼈 광물질의 크기와

방향을 조절하고 칼슘과 인을 저장하는 등의 생물학적으로 중요한

기능을 담당한다 새로운 뼈가 생성되는 동안 조골세포와 칼슘 인과

같은 광물질 이온 등과 같은 비콜라겐 단백질이 홀구역과 콜라겐

속으로 증착하여 HA 결정 성장을 촉진하게 된다 기질은 단백질

다당류(Polysaccharides) 뮤코다당류(Mucopolysaccharides)로

구성되어 콜라겐 섬유와 HA사이를 메우는 접합제(Cement) 역할을 한다

그림 3 뼈의 콜라겐 섬유와 광물질 도식도(13)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

일반적으로 뼈는 세포 무기질로 생각할 수 있지만 실제로 60의

콜라겐과 30-40의 HA(Ca10(PO4)6(OH)2)로 구성되어 있다 즉

뼈는 콜라겐이 대부분인 기질 속에 나노크기의 HA이 잘 흩어져 있는

나노구조의 복합체(Nanostructured Composite)이다

뼈의 미세구조와 거시구조

뼈의 미세구조(Microstructure) 단위에는 무층골(Haversian or

Woven Bone)과 층판골(Plexiform or Lamellae Bone) 두 가지 구조로

구성되어 있다 무층골은 미성숙한 뼈로 골절이 있는 가골(Callus)과

퇴행성 뼈 뿐만 아니라 성장하고 있는 뼈의 골간단(Metaphyseal)

부분에서 일반적으로 발견된다 또한 무층골은 상대적으로 무질서하게

배열된 굵은 콜라겐 섬유로 구성되어 있기 때문에 등방성(Isotropy)

특성을 갖는다

반대로 층판골은 무층골이나 이전에 있던 뼈가 성장한 것으로 훨씬

성숙한 뼈이다 보통 3~7 μm 두께를 가진 층판골은 아주 조직화되어

있고 각각의 층판이 평형하게 놓여져 있기 때문에 응력이 집중된

콜라겐 섬유를 함유하고 있다 결과적으로 콜라겐 섬유의 종축에

평형한 방향으로 강도가 가장 큰 이방성(Anisotropy) 특성을 갖게

된다 이러한 콜라겐 섬유는 한 층판에서 다른 층판으로 방향을

변성시킬 수 있기에 합판이나 나선형 구조와 비슷한 형태를 가진다

그림 4 HA 원자구조 (흰색 P 파란색 O 빨간색 Ca)(1)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

층판골은 하버스계의 중심혈관공급장치를 가진 골원으로 구성되며

골원은 동심원적 고리형태를 갖는데 대략 한 골원에 4 ~ 20 고리로

이루어져 있다 lt그림 5gt는 무층골과 층판골의 구조를 나타내고 있다

뼈의 거시구조(Macrostructure)는 조밀한 피질골과 다공질 해면골로

나뉜다 대퇴골(Femur)과 같은 길이가 긴 뼈의 끝 단면도에서 조밀한

피질골 껍질이 다공질의 해면골 내부를 감싸고 있는 것을 관찰할 수

있다(그림 1) 머리덮개 뼈와 같은 편평골(Flat Bone)은 얇은 해면골를

중심으로 양쪽으로 조밀한 피질골로 둘러싸인 샌드위치 구조를 갖고

있다 해면골은 50~90의 기공도(Porosity)를 가진 3차원 구조의

해면구조를 가지며 기공 직경은 수 mm가 되는 것도 있다 주로

장골(Long Bone)과 입방골(Cuboidal Bone)의 골단(Epiphysis)과

골간단(Metaphysis)에서 발견되는 해면골은 대체로 등방성이며 주로

생리적 하중 하에서 압축력을 받는다 반대로 피질골은 기공도가 30

미만이며 직경이 1mm 미만의 작은 기공으로 이루어져 있다 대퇴골과

경골(Tibia)와 같은 장골의 결단에서 주로 발견되는 조밀한 피질골은

하중축에 따라 보강구조와 함께 높은 이방성 특성을 가지고 있다

일반적으로 해면골이 물질대사적인 측면에서 훨씬 더 활성도가 높고

피질골보다 훨씬 자주 변형되어 결과적으로 피질골보다 평균 더 어린

뼈 이다

그림 5 무층골 및 층판골(45)

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 기계적 특성

피질골은 보통 해면골보다 더 조밀해서 기계적으로 더 강하다 뼈의

종류에 따라 압축강도 탄성계수 파괴인성 인장강도와 같은 기계적

특성을 lt표 1gt에 나타내었다 이러한 기계적 특성은 물론 나이 성별

음식습관 건강상태 및 신체부위에 따라 변한다 전체 뼈의 이방성 비는

보통 종축으로 21 횡축으로 26 정도 된다 병든 뼈는 일반적으로

건강한 뼈 보다 밀도가 낮고 기계적 특성도 낮다

표 1 뼈의 기계적 특성(6-8)

뼈의 재형성과 골세포

뼈를 대체하기 어려운 이유는 뼈의 복잡한 구조뿐만 아니라 동적인

능력때문이다 즉 뼈는 손상을 입었을 때 다시 재생 하거나 하중

환경이 변할 때 변화할 수 있는 동적 능력을 가지고 있다 예를 들어

지속적인 운동을 통해서 뼈의 무게를 증가시켜서 하중으로부터

골절을 견딜 수 있게 한다 그러므로 이와 같이 뼈가 동적 능력에 따라

변화하는 동안 어떻게 골세포가 조정되는지 이해하는 것이 인공뼈

개발에 가장 기본이 되는 것이다

살아있는 기관으로서 뼈는 물리적 활동이나 기계적 하중에

의해서 발생하는 다양한 응력에 따라 뼈의 크기 형태 위치 그리고

특성이 재형성 과정을 통해 평생 동안 변화 할 수 있다 다시 말해

Human boneStrength (MPa) Youngrsquo

s modulus (GPa)

Fracture toughness KIC

(MPa m12)

Tensile strength(MPa)Compressive Bending

Cancellous 2 12 ― 005 05 ― ―

Cortical 100 230 50 150 7 30 2 12 ―

Tibia 159 ― 181 ― 140

Femur 167 ― 172 ― 121

Radius 114 ― 186 ― 149

Humerus 132 ― 172 ― 130

Cervical 10 ― 023 ― 31

Lumbar 5 ― 016 ― 37

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 골재형성 단위(BMU Bone-Remodeling Unit)를 통해 뼈의

재형성 과정을 활성화시킴으로써 과도한 기계적 하중 하에서도

자기보수(Self-Repairing) 능력을 가지고 있다 이 과정에는 3가지

골세포가 관여한다 첫째는 뼈 형성세포인 골모세포(Osteoblast)

둘째는 뼈 유지세포인 골세포(Osteocyte) 그리고 마지막으로 뼈

흡수세포인 파골세포(Osteoclast)이다

lt그림 6gt은 어떻게 골세포가 뼈 재형성 과정에서 작용하는지 나타낸

것이다 파골세포가 오래된 뼈를 흡수하기 위해서 뼈 기질속에 있는

생장인자나 사이토카인 단백질에 의해서 활성화된다 그 후 골모세포가

칼슘을 함유한 광물질을 증착시키기 위해 파골세포와 골세포에 의해서

분비된 인슐린과 같은 생장인자에 의해서 활성화된다 골세포는

인슐린과 같은 생장인자와 조직 생장인자 분비를 통해서 비칼슘 증착과

칼슘 증착 사이를 골모세포 분화를 통해서 새로운 뼈 생성을 조절하게

된다

골모세포(Osteoblast)

골모세포는 평균 직경이 10 ~ 50 μm로 골막(Periosteal)과

골내막(Endosteal) 표면에 위치하여 새로운 뼈 합성에 관여한다

초기 이식물질이 뼈 표면에 접착되면 골모세포가 활발하게

증식하고 콜라겐 비트로넥틴(Vitronectin 세포접착성 당단백질)

그림 6 골재형성 과정 도식도(9)

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

및 섬유결합소(Fibronectin)를 유발하는 유전자를 발산한다

증식의 마지막 단계에 세포외기질의 발달과 성숙이 시작되며

골모세포가 비칼슘세포에서 칼슘세포로 분화가 시작된다 알칼리성

인산가수분해효소(ALP Alkaline Phosphatase) 활성도와

mRNA 발산이 열배로 증가한다 광물질화 과정이 시작되고 이에

광물질 소결절이 생성됨에 따라 골모세포가 합성되며 BSP(Bone

Sialoprotein) 및 칼슘과 결합된다 백질인 오스테오칼신(Osteocalcin)

및 다른 기질 단백질을 증착하게 된다 오스테오칼신은 HA와

상호작용하여 골모세포에 의한 뼈의 재흡수와 골모세포골세포에 의한

골형성 사이를 연결하고 조절하게 된다

골세포(Osteocyte)

골세포는 광물화된 뼈 기질에 묻혀있는 성숙한 골모세포이며

동시에 새로운 뼈 합성에 기여하지만 골모세포 만큼은 되지 않는다

골세포와 골모세포 사이의 가장 기본적인 차이는 뼈 속에서 상대적인

위치 차이이다 골세포는 골원의 중심부 내강 주위와 판층 사이에서

동심원적으로 배열되어 있다 또한 골세포는 주위의 다른 골세포와

함께 작은 소관(Canaliculi)을 통해서 접촉하고 의사소통할 수 있는

상당히 긴 가지를 가지고 있다 이와 같이 3차원적으로 함께 섞인

구조로 인해서 골세포는 조직내의 생리학적 응력과 변형신호에

민감하게 반응하며 새로운 뼈를 증착하는 골모세포의 활동도와 오래된

뼈를 녹이는 파골세포의 활동도를 조절하도록 돕는다

파골세포(Osteoclast)

파골세포는 골수(Bone Marrow)의 분화세포에서 나와서 하우쉽소강(Howshiplsquos

Lacunae)이라는 침식공간의 뼈 재흡수 영역에 존재한다 파골세포는 주로 뼈

재흡수에 관여하며 직경이 100 μm로 세포당 100개까지 파골세포핵을 가진다

파골세포가 뼈를 녹이기 위해서 분열된 뼈 사이를 쓸어내는 동안 표면적을 늘리기

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

위해서 물결 모양의 세모막 가장자리를 형성한다 그후 파골세포는 주석산염

저항산성인산분해효소(TRAP Tartrate-Resistant Acid Phosphatase)를

형성하여 탄산 무수화효소(Carbonic Anhydrase)를 통해 수소이온을

방출하게 되어 국부적인 pH를 낮추게 된다

낮아진 pH는 HA 결정의 용해도를 증가시키고 뼈 기질의 유기물

성분이 마지막으로 산성 단백질 가수분해에 의해서 제거되게 된다

임플란트 표면에서 일어나는 뼈의 재형성 정도에 따라서 보철장치의

수명이 정해진다 예를 들어 임플란트의 헐거워짐이나 실패는 임플란트

주위 뼈의 재형성이 거의 일어나지 않아서 결국 영양불량의 뼈가

되거나 뼈 주위에 너무 많은 뼈의 재형성이 일어나 극단적인 뼈

재흡수나 골용해(Osteolysis)를 유발할 수 있다

현재 사용되는 뼈 대체물의 문제점

전통적으로 자가이식(Autografts) 동종이식(Allografts)

이종이식(Xenografts) 및 금속 임플란트가 뼈 골절과 손상부를

치료하는데 이용되어 왔다 하지만 이와 같은 뼈 대체물은 각각 특정한

문제점과 한계점들을 가지고 있다

자가이식

자가이식은 골격의 한 부분을 제거하여 동일인의 다른 부위에 옮긴

조직이다 일반적으로 환자의 장골에서 해면골 형태로 축출하지만

피질골도 사용된다 역사적으로 자가이식은 뼈 발생 세포뿐만 아니라

뼈의 치료와 재생에 필요한 필수적인 골유도인자(Osteoinductive

Factors)를 제공한다 하지만 자가이식은 언제나 기증자 부족과

기증자의 병적상태에 의존하기 때문에 자가이식의 응용에 많은 한계가

있다 이식이 필요한 환자 수가 기증자 수를 훨씬 넘어서고 있다

새로운 기술개발이 이러한 부족분을 줄이는데 필요하다

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

동종이식과 이종이식

동종이식은 동일한 종족내에 유전적으로 다른 개체사이에 이식된

조직이고 반면에 이종이식은 다른 종족사이에 이식된 조직이다

분명히 동종이식과 이종이식은 질병의 전달과 면역반응 등의 문제를

일으킬 위험성이 아주 높다

금속과 합금 임플란트

이상에서 언급한 자가이식 동종이식 이종이식과 관련된 문제때문에

금 속과 같은 합성물질을 수많은 정형외과 응용분야에서 재료로

사용되어 왔다 하지만 금속과 합금은 실제 뼈처럼 생리학적 역학적

기계적 특성을 나타내지 못하기 때문에 건강한 뼈의 특성을 가지지

못하고 또한 시간에 따른 재형성 및 자가보수 능력이 없다 lt표 2gt는

현재 정형외과 분야에서 사용되고 있는 금속의 물리적 기계적 특성을

나타낸 것이다 분명히 금속은 lt표 1gt에 열거한 실제 뼈보다 훨씬 높은

밀도와 기계적 특성을 가지고 있다

Stainless Steels(SUS316L)은 1926년 처음으로 의료용으로 사용된

금속 재료로 골고정용 강선 나사 또는 고정판으로 사용되었으며

내부식(Less Corrosive) 특성을 가지고 있으며 지금까지도 널리 사용되는

대표적인 금속 임플란트 재료이다

표 2 정형외과용 합금의 기계적 특성(1011)

Tensile strength

(MPa) Elongation ()

Fatigue

strength (MPa)

Youngs

modulus (MPa)

CP Ti 414 18 310-413 100

Ti-6Al-4V 853 10 540-570 100

SUS316L 482 40 262 200

Co-Cr Alloy(casting) 655 8 241-276 200

Co-Cr Alloy(forging) 855 - 379-517 230

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

코발트 크롬 합금(Co-Cr alloy)은 뛰어난 내부식성과 함께 내마모(Less

Abrasive) 특성을 가지고 있기 때문에 인공 고관절이나 슬관절과 같이

생리적 부하와 함께 운동성이 요구되는 조직의 대체물질로 사용되고

있다 그러나 이들 금속은 완전한 비부식(Noncorrosive)성 재료가

아니며 이식 후 체액에 용해되어 유출되는 금속성분에 의해 생체적합성이

좌우될 뿐만 아니라 탄성율도 자연골에 비해 약 10배나 높은 200 GPa에

이르기 때문에 경시적으로 기계적 친화성 부조화에 의한 골조직의 흡수

수축 비대와 같은 좋지 않은 예후를 나타낸다

타이타늄(Titanium Ti)은 이식 후 면역반응을 일으키지 않으면서

골조직과 직접 화학적으로 결합하는 생체활성을 나타낼 뿐만 아니라

부동화(Passivation)시켜 Ti 표면에 형성된 산화막은 금속 ion의 용출을

차단함과 동시에 체액에 의한 부식도 방어하는 특성을 가지고 있고

탄성율도 다른 금속에 비해 약 12에 해당하여 골 탄성율에 상대적으로

가깝다는 장점을 가지고 있다 골유착(Osseointegration)은 체액내에

존재하는 산소 원자가 Ti원자와 화학적으로 반응하여 표면에 Ti

산화막(TiO2)을 형성하면 골조직의 무기질이 그들과 직접 결합 축적되어

신생골을 형성하는 것으로 알려져 있다

금속 임플란트와 생리학적 뼈의 기계적 특성 사이의 차이는

응력차폐(Stress Shield) 문제를 야기시킨다 즉 임플란트 재료가

기계적인 하중에서 회복되는 뼈를 막아서 뼈 주위를 괴사시켜 결국

임플란트 결합을 약화 시킨다 결과적으로 임플란트와 괴사된 뼈조직을

제거해야 하는 복잡한 과정을 유발시킨다 응력차폐뿐만 아니라

불충분한 골유착(Osseointegration)은 임플란트 결합을 약화시키거나

섬유조직의 내부성장을 유발시킨다 이상의 임상적 문제점으로 인하여

생리학적 뼈와 비슷한 구조 특성 및 기능을 가지고 있는 인공뼈

대체물의 개발 중요성이 더욱 부각된다

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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Page 7: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

76인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 기본적으로 인체를 지탱하는 기계적 기능(Mechanical

Function)과 치유세포를 보호 및 저장하는 생물학적 기능(Biological

Func t i on ) 그리고 광물이온을 일정하게 유지하는 화학적

기능(Chemical Function) 등 다양한 기능을 동시에 수행하고 있다

이러한 뼈의 다양한 기능을 대체하기 위한 인공뼈 개발은 본래

자연뼈의 조성(Composition)과 미세구조(Microstructure) 및 기계적

특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이 중요하다

뼈는 다양한 기능을 동시에 수행할 수 있도록 복잡한 구조로

이루어져 있으며 인공뼈 개발에 있어 뼈의 구조를 이해하는 것이

중요하다 일반적으로 뼈는 3단계의 계층구조로 이루어져 있다

첫째는 비콜라겐 유기단백질(Non-Collagenous Organic Proteins)

원섬유 콜라겐(Fibrillar Collagen) 및 광물 결정과 같은 수 ~ 수백

nm 단위의 나노구조이다 둘째는 박막층(Lamellae) 골원(Osteon)

및 하버스계(Haversian System)와 같은 1 ~ 500 μm 단위의

미세구조이다 셋째는 해면골(Cancellous Bone) 피질골(Cortical

Bone)과 같은 거시구조이다 lt그림 2gt는 이와 같이 뼈의 계층구조에

따른 불규칙하고 다양한 구조와 각 계층구조 및 각 계층구조의 기계적

특성 메커니즘을 도식화하여 보여준다

그림 1 장골(대퇴골)의 횡단면(a) 및 종단면(b)(1)

a b

98인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 나노구조

뼈의 구조에 있어서 콜라겐 섬유와 이를 감싸고 있는 광물질이 뼈의

가장 기본단위가 된다 이를 바탕으로 뼈의 성장이 일어난다 뼈의

조성은 종 나이 식습관 건강상태 및 해부학적 위치에 따라 다르다

하지만 일반적으로 무기물이 뼈의 무게 70를 차지하고 나머지 30는

유기물로 구성되어 있다

뼈의 유기물중 거의 90가 콜라겐으로 이루어져 있고 나머지 10는

비콜라겐 단백질과 기질(Ground Substances)로 구성되어 있다

뼈에서 발견되는 콜라겐은 주로 뼈 형성세포인 조골세포(Osteoblast)로

합성되어 있다 최초 3중 나선형 전콜라겐(Triple Helical Procollagen)에

콜라겐 사슬내부에서 활발히 반응하는 콜라겐 분자가 알데히드

그림 2 뼈의 계층적 구조(좌)와 기계적 특성 메커니즘(우)(2)

98인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

교차결합(Cross-Linking)에 의해 안정화되어 세포외 모체로 발생된다

일반적으로 인체에는 12종의 콜라겐이 있는데 각각의 콜라겐은 3개의

폴리텝티드(Polypeptide) 사슬로 구성되며 또한 각각의 폴리텝티드

사슬은 대략 1000여 개의 아미노산으로 이루어져 있다

생장인자 단백질과 사이토킨(예 인슐린과 같은 생장인자

골원성 단백질) 골유도 단백질(예 오스테오넥틴 오스테오폰틴

오스테오칼신) 세포외 기질물질(예 BSP Bone Sialoprotein

골프로테오글리칸 프로테올리피드 인단백질) 등과 같은 비콜라겐

단백질은 뼈 전체 무게에 대한 비중은 작지만 뼈 광물질의 크기와

방향을 조절하고 칼슘과 인을 저장하는 등의 생물학적으로 중요한

기능을 담당한다 새로운 뼈가 생성되는 동안 조골세포와 칼슘 인과

같은 광물질 이온 등과 같은 비콜라겐 단백질이 홀구역과 콜라겐

속으로 증착하여 HA 결정 성장을 촉진하게 된다 기질은 단백질

다당류(Polysaccharides) 뮤코다당류(Mucopolysaccharides)로

구성되어 콜라겐 섬유와 HA사이를 메우는 접합제(Cement) 역할을 한다

그림 3 뼈의 콜라겐 섬유와 광물질 도식도(13)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

일반적으로 뼈는 세포 무기질로 생각할 수 있지만 실제로 60의

콜라겐과 30-40의 HA(Ca10(PO4)6(OH)2)로 구성되어 있다 즉

뼈는 콜라겐이 대부분인 기질 속에 나노크기의 HA이 잘 흩어져 있는

나노구조의 복합체(Nanostructured Composite)이다

뼈의 미세구조와 거시구조

뼈의 미세구조(Microstructure) 단위에는 무층골(Haversian or

Woven Bone)과 층판골(Plexiform or Lamellae Bone) 두 가지 구조로

구성되어 있다 무층골은 미성숙한 뼈로 골절이 있는 가골(Callus)과

퇴행성 뼈 뿐만 아니라 성장하고 있는 뼈의 골간단(Metaphyseal)

부분에서 일반적으로 발견된다 또한 무층골은 상대적으로 무질서하게

배열된 굵은 콜라겐 섬유로 구성되어 있기 때문에 등방성(Isotropy)

특성을 갖는다

반대로 층판골은 무층골이나 이전에 있던 뼈가 성장한 것으로 훨씬

성숙한 뼈이다 보통 3~7 μm 두께를 가진 층판골은 아주 조직화되어

있고 각각의 층판이 평형하게 놓여져 있기 때문에 응력이 집중된

콜라겐 섬유를 함유하고 있다 결과적으로 콜라겐 섬유의 종축에

평형한 방향으로 강도가 가장 큰 이방성(Anisotropy) 특성을 갖게

된다 이러한 콜라겐 섬유는 한 층판에서 다른 층판으로 방향을

변성시킬 수 있기에 합판이나 나선형 구조와 비슷한 형태를 가진다

그림 4 HA 원자구조 (흰색 P 파란색 O 빨간색 Ca)(1)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

층판골은 하버스계의 중심혈관공급장치를 가진 골원으로 구성되며

골원은 동심원적 고리형태를 갖는데 대략 한 골원에 4 ~ 20 고리로

이루어져 있다 lt그림 5gt는 무층골과 층판골의 구조를 나타내고 있다

뼈의 거시구조(Macrostructure)는 조밀한 피질골과 다공질 해면골로

나뉜다 대퇴골(Femur)과 같은 길이가 긴 뼈의 끝 단면도에서 조밀한

피질골 껍질이 다공질의 해면골 내부를 감싸고 있는 것을 관찰할 수

있다(그림 1) 머리덮개 뼈와 같은 편평골(Flat Bone)은 얇은 해면골를

중심으로 양쪽으로 조밀한 피질골로 둘러싸인 샌드위치 구조를 갖고

있다 해면골은 50~90의 기공도(Porosity)를 가진 3차원 구조의

해면구조를 가지며 기공 직경은 수 mm가 되는 것도 있다 주로

장골(Long Bone)과 입방골(Cuboidal Bone)의 골단(Epiphysis)과

골간단(Metaphysis)에서 발견되는 해면골은 대체로 등방성이며 주로

생리적 하중 하에서 압축력을 받는다 반대로 피질골은 기공도가 30

미만이며 직경이 1mm 미만의 작은 기공으로 이루어져 있다 대퇴골과

경골(Tibia)와 같은 장골의 결단에서 주로 발견되는 조밀한 피질골은

하중축에 따라 보강구조와 함께 높은 이방성 특성을 가지고 있다

일반적으로 해면골이 물질대사적인 측면에서 훨씬 더 활성도가 높고

피질골보다 훨씬 자주 변형되어 결과적으로 피질골보다 평균 더 어린

뼈 이다

그림 5 무층골 및 층판골(45)

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 기계적 특성

피질골은 보통 해면골보다 더 조밀해서 기계적으로 더 강하다 뼈의

종류에 따라 압축강도 탄성계수 파괴인성 인장강도와 같은 기계적

특성을 lt표 1gt에 나타내었다 이러한 기계적 특성은 물론 나이 성별

음식습관 건강상태 및 신체부위에 따라 변한다 전체 뼈의 이방성 비는

보통 종축으로 21 횡축으로 26 정도 된다 병든 뼈는 일반적으로

건강한 뼈 보다 밀도가 낮고 기계적 특성도 낮다

표 1 뼈의 기계적 특성(6-8)

뼈의 재형성과 골세포

뼈를 대체하기 어려운 이유는 뼈의 복잡한 구조뿐만 아니라 동적인

능력때문이다 즉 뼈는 손상을 입었을 때 다시 재생 하거나 하중

환경이 변할 때 변화할 수 있는 동적 능력을 가지고 있다 예를 들어

지속적인 운동을 통해서 뼈의 무게를 증가시켜서 하중으로부터

골절을 견딜 수 있게 한다 그러므로 이와 같이 뼈가 동적 능력에 따라

변화하는 동안 어떻게 골세포가 조정되는지 이해하는 것이 인공뼈

개발에 가장 기본이 되는 것이다

살아있는 기관으로서 뼈는 물리적 활동이나 기계적 하중에

의해서 발생하는 다양한 응력에 따라 뼈의 크기 형태 위치 그리고

특성이 재형성 과정을 통해 평생 동안 변화 할 수 있다 다시 말해

Human boneStrength (MPa) Youngrsquo

s modulus (GPa)

Fracture toughness KIC

(MPa m12)

Tensile strength(MPa)Compressive Bending

Cancellous 2 12 ― 005 05 ― ―

Cortical 100 230 50 150 7 30 2 12 ―

Tibia 159 ― 181 ― 140

Femur 167 ― 172 ― 121

Radius 114 ― 186 ― 149

Humerus 132 ― 172 ― 130

Cervical 10 ― 023 ― 31

Lumbar 5 ― 016 ― 37

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 골재형성 단위(BMU Bone-Remodeling Unit)를 통해 뼈의

재형성 과정을 활성화시킴으로써 과도한 기계적 하중 하에서도

자기보수(Self-Repairing) 능력을 가지고 있다 이 과정에는 3가지

골세포가 관여한다 첫째는 뼈 형성세포인 골모세포(Osteoblast)

둘째는 뼈 유지세포인 골세포(Osteocyte) 그리고 마지막으로 뼈

흡수세포인 파골세포(Osteoclast)이다

lt그림 6gt은 어떻게 골세포가 뼈 재형성 과정에서 작용하는지 나타낸

것이다 파골세포가 오래된 뼈를 흡수하기 위해서 뼈 기질속에 있는

생장인자나 사이토카인 단백질에 의해서 활성화된다 그 후 골모세포가

칼슘을 함유한 광물질을 증착시키기 위해 파골세포와 골세포에 의해서

분비된 인슐린과 같은 생장인자에 의해서 활성화된다 골세포는

인슐린과 같은 생장인자와 조직 생장인자 분비를 통해서 비칼슘 증착과

칼슘 증착 사이를 골모세포 분화를 통해서 새로운 뼈 생성을 조절하게

된다

골모세포(Osteoblast)

골모세포는 평균 직경이 10 ~ 50 μm로 골막(Periosteal)과

골내막(Endosteal) 표면에 위치하여 새로운 뼈 합성에 관여한다

초기 이식물질이 뼈 표면에 접착되면 골모세포가 활발하게

증식하고 콜라겐 비트로넥틴(Vitronectin 세포접착성 당단백질)

그림 6 골재형성 과정 도식도(9)

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

및 섬유결합소(Fibronectin)를 유발하는 유전자를 발산한다

증식의 마지막 단계에 세포외기질의 발달과 성숙이 시작되며

골모세포가 비칼슘세포에서 칼슘세포로 분화가 시작된다 알칼리성

인산가수분해효소(ALP Alkaline Phosphatase) 활성도와

mRNA 발산이 열배로 증가한다 광물질화 과정이 시작되고 이에

광물질 소결절이 생성됨에 따라 골모세포가 합성되며 BSP(Bone

Sialoprotein) 및 칼슘과 결합된다 백질인 오스테오칼신(Osteocalcin)

및 다른 기질 단백질을 증착하게 된다 오스테오칼신은 HA와

상호작용하여 골모세포에 의한 뼈의 재흡수와 골모세포골세포에 의한

골형성 사이를 연결하고 조절하게 된다

골세포(Osteocyte)

골세포는 광물화된 뼈 기질에 묻혀있는 성숙한 골모세포이며

동시에 새로운 뼈 합성에 기여하지만 골모세포 만큼은 되지 않는다

골세포와 골모세포 사이의 가장 기본적인 차이는 뼈 속에서 상대적인

위치 차이이다 골세포는 골원의 중심부 내강 주위와 판층 사이에서

동심원적으로 배열되어 있다 또한 골세포는 주위의 다른 골세포와

함께 작은 소관(Canaliculi)을 통해서 접촉하고 의사소통할 수 있는

상당히 긴 가지를 가지고 있다 이와 같이 3차원적으로 함께 섞인

구조로 인해서 골세포는 조직내의 생리학적 응력과 변형신호에

민감하게 반응하며 새로운 뼈를 증착하는 골모세포의 활동도와 오래된

뼈를 녹이는 파골세포의 활동도를 조절하도록 돕는다

파골세포(Osteoclast)

파골세포는 골수(Bone Marrow)의 분화세포에서 나와서 하우쉽소강(Howshiplsquos

Lacunae)이라는 침식공간의 뼈 재흡수 영역에 존재한다 파골세포는 주로 뼈

재흡수에 관여하며 직경이 100 μm로 세포당 100개까지 파골세포핵을 가진다

파골세포가 뼈를 녹이기 위해서 분열된 뼈 사이를 쓸어내는 동안 표면적을 늘리기

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

위해서 물결 모양의 세모막 가장자리를 형성한다 그후 파골세포는 주석산염

저항산성인산분해효소(TRAP Tartrate-Resistant Acid Phosphatase)를

형성하여 탄산 무수화효소(Carbonic Anhydrase)를 통해 수소이온을

방출하게 되어 국부적인 pH를 낮추게 된다

낮아진 pH는 HA 결정의 용해도를 증가시키고 뼈 기질의 유기물

성분이 마지막으로 산성 단백질 가수분해에 의해서 제거되게 된다

임플란트 표면에서 일어나는 뼈의 재형성 정도에 따라서 보철장치의

수명이 정해진다 예를 들어 임플란트의 헐거워짐이나 실패는 임플란트

주위 뼈의 재형성이 거의 일어나지 않아서 결국 영양불량의 뼈가

되거나 뼈 주위에 너무 많은 뼈의 재형성이 일어나 극단적인 뼈

재흡수나 골용해(Osteolysis)를 유발할 수 있다

현재 사용되는 뼈 대체물의 문제점

전통적으로 자가이식(Autografts) 동종이식(Allografts)

이종이식(Xenografts) 및 금속 임플란트가 뼈 골절과 손상부를

치료하는데 이용되어 왔다 하지만 이와 같은 뼈 대체물은 각각 특정한

문제점과 한계점들을 가지고 있다

자가이식

자가이식은 골격의 한 부분을 제거하여 동일인의 다른 부위에 옮긴

조직이다 일반적으로 환자의 장골에서 해면골 형태로 축출하지만

피질골도 사용된다 역사적으로 자가이식은 뼈 발생 세포뿐만 아니라

뼈의 치료와 재생에 필요한 필수적인 골유도인자(Osteoinductive

Factors)를 제공한다 하지만 자가이식은 언제나 기증자 부족과

기증자의 병적상태에 의존하기 때문에 자가이식의 응용에 많은 한계가

있다 이식이 필요한 환자 수가 기증자 수를 훨씬 넘어서고 있다

새로운 기술개발이 이러한 부족분을 줄이는데 필요하다

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

동종이식과 이종이식

동종이식은 동일한 종족내에 유전적으로 다른 개체사이에 이식된

조직이고 반면에 이종이식은 다른 종족사이에 이식된 조직이다

분명히 동종이식과 이종이식은 질병의 전달과 면역반응 등의 문제를

일으킬 위험성이 아주 높다

금속과 합금 임플란트

이상에서 언급한 자가이식 동종이식 이종이식과 관련된 문제때문에

금 속과 같은 합성물질을 수많은 정형외과 응용분야에서 재료로

사용되어 왔다 하지만 금속과 합금은 실제 뼈처럼 생리학적 역학적

기계적 특성을 나타내지 못하기 때문에 건강한 뼈의 특성을 가지지

못하고 또한 시간에 따른 재형성 및 자가보수 능력이 없다 lt표 2gt는

현재 정형외과 분야에서 사용되고 있는 금속의 물리적 기계적 특성을

나타낸 것이다 분명히 금속은 lt표 1gt에 열거한 실제 뼈보다 훨씬 높은

밀도와 기계적 특성을 가지고 있다

Stainless Steels(SUS316L)은 1926년 처음으로 의료용으로 사용된

금속 재료로 골고정용 강선 나사 또는 고정판으로 사용되었으며

내부식(Less Corrosive) 특성을 가지고 있으며 지금까지도 널리 사용되는

대표적인 금속 임플란트 재료이다

표 2 정형외과용 합금의 기계적 특성(1011)

Tensile strength

(MPa) Elongation ()

Fatigue

strength (MPa)

Youngs

modulus (MPa)

CP Ti 414 18 310-413 100

Ti-6Al-4V 853 10 540-570 100

SUS316L 482 40 262 200

Co-Cr Alloy(casting) 655 8 241-276 200

Co-Cr Alloy(forging) 855 - 379-517 230

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

코발트 크롬 합금(Co-Cr alloy)은 뛰어난 내부식성과 함께 내마모(Less

Abrasive) 특성을 가지고 있기 때문에 인공 고관절이나 슬관절과 같이

생리적 부하와 함께 운동성이 요구되는 조직의 대체물질로 사용되고

있다 그러나 이들 금속은 완전한 비부식(Noncorrosive)성 재료가

아니며 이식 후 체액에 용해되어 유출되는 금속성분에 의해 생체적합성이

좌우될 뿐만 아니라 탄성율도 자연골에 비해 약 10배나 높은 200 GPa에

이르기 때문에 경시적으로 기계적 친화성 부조화에 의한 골조직의 흡수

수축 비대와 같은 좋지 않은 예후를 나타낸다

타이타늄(Titanium Ti)은 이식 후 면역반응을 일으키지 않으면서

골조직과 직접 화학적으로 결합하는 생체활성을 나타낼 뿐만 아니라

부동화(Passivation)시켜 Ti 표면에 형성된 산화막은 금속 ion의 용출을

차단함과 동시에 체액에 의한 부식도 방어하는 특성을 가지고 있고

탄성율도 다른 금속에 비해 약 12에 해당하여 골 탄성율에 상대적으로

가깝다는 장점을 가지고 있다 골유착(Osseointegration)은 체액내에

존재하는 산소 원자가 Ti원자와 화학적으로 반응하여 표면에 Ti

산화막(TiO2)을 형성하면 골조직의 무기질이 그들과 직접 결합 축적되어

신생골을 형성하는 것으로 알려져 있다

금속 임플란트와 생리학적 뼈의 기계적 특성 사이의 차이는

응력차폐(Stress Shield) 문제를 야기시킨다 즉 임플란트 재료가

기계적인 하중에서 회복되는 뼈를 막아서 뼈 주위를 괴사시켜 결국

임플란트 결합을 약화 시킨다 결과적으로 임플란트와 괴사된 뼈조직을

제거해야 하는 복잡한 과정을 유발시킨다 응력차폐뿐만 아니라

불충분한 골유착(Osseointegration)은 임플란트 결합을 약화시키거나

섬유조직의 내부성장을 유발시킨다 이상의 임상적 문제점으로 인하여

생리학적 뼈와 비슷한 구조 특성 및 기능을 가지고 있는 인공뼈

대체물의 개발 중요성이 더욱 부각된다

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 8: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

98인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 나노구조

뼈의 구조에 있어서 콜라겐 섬유와 이를 감싸고 있는 광물질이 뼈의

가장 기본단위가 된다 이를 바탕으로 뼈의 성장이 일어난다 뼈의

조성은 종 나이 식습관 건강상태 및 해부학적 위치에 따라 다르다

하지만 일반적으로 무기물이 뼈의 무게 70를 차지하고 나머지 30는

유기물로 구성되어 있다

뼈의 유기물중 거의 90가 콜라겐으로 이루어져 있고 나머지 10는

비콜라겐 단백질과 기질(Ground Substances)로 구성되어 있다

뼈에서 발견되는 콜라겐은 주로 뼈 형성세포인 조골세포(Osteoblast)로

합성되어 있다 최초 3중 나선형 전콜라겐(Triple Helical Procollagen)에

콜라겐 사슬내부에서 활발히 반응하는 콜라겐 분자가 알데히드

그림 2 뼈의 계층적 구조(좌)와 기계적 특성 메커니즘(우)(2)

98인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

교차결합(Cross-Linking)에 의해 안정화되어 세포외 모체로 발생된다

일반적으로 인체에는 12종의 콜라겐이 있는데 각각의 콜라겐은 3개의

폴리텝티드(Polypeptide) 사슬로 구성되며 또한 각각의 폴리텝티드

사슬은 대략 1000여 개의 아미노산으로 이루어져 있다

생장인자 단백질과 사이토킨(예 인슐린과 같은 생장인자

골원성 단백질) 골유도 단백질(예 오스테오넥틴 오스테오폰틴

오스테오칼신) 세포외 기질물질(예 BSP Bone Sialoprotein

골프로테오글리칸 프로테올리피드 인단백질) 등과 같은 비콜라겐

단백질은 뼈 전체 무게에 대한 비중은 작지만 뼈 광물질의 크기와

방향을 조절하고 칼슘과 인을 저장하는 등의 생물학적으로 중요한

기능을 담당한다 새로운 뼈가 생성되는 동안 조골세포와 칼슘 인과

같은 광물질 이온 등과 같은 비콜라겐 단백질이 홀구역과 콜라겐

속으로 증착하여 HA 결정 성장을 촉진하게 된다 기질은 단백질

다당류(Polysaccharides) 뮤코다당류(Mucopolysaccharides)로

구성되어 콜라겐 섬유와 HA사이를 메우는 접합제(Cement) 역할을 한다

그림 3 뼈의 콜라겐 섬유와 광물질 도식도(13)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

일반적으로 뼈는 세포 무기질로 생각할 수 있지만 실제로 60의

콜라겐과 30-40의 HA(Ca10(PO4)6(OH)2)로 구성되어 있다 즉

뼈는 콜라겐이 대부분인 기질 속에 나노크기의 HA이 잘 흩어져 있는

나노구조의 복합체(Nanostructured Composite)이다

뼈의 미세구조와 거시구조

뼈의 미세구조(Microstructure) 단위에는 무층골(Haversian or

Woven Bone)과 층판골(Plexiform or Lamellae Bone) 두 가지 구조로

구성되어 있다 무층골은 미성숙한 뼈로 골절이 있는 가골(Callus)과

퇴행성 뼈 뿐만 아니라 성장하고 있는 뼈의 골간단(Metaphyseal)

부분에서 일반적으로 발견된다 또한 무층골은 상대적으로 무질서하게

배열된 굵은 콜라겐 섬유로 구성되어 있기 때문에 등방성(Isotropy)

특성을 갖는다

반대로 층판골은 무층골이나 이전에 있던 뼈가 성장한 것으로 훨씬

성숙한 뼈이다 보통 3~7 μm 두께를 가진 층판골은 아주 조직화되어

있고 각각의 층판이 평형하게 놓여져 있기 때문에 응력이 집중된

콜라겐 섬유를 함유하고 있다 결과적으로 콜라겐 섬유의 종축에

평형한 방향으로 강도가 가장 큰 이방성(Anisotropy) 특성을 갖게

된다 이러한 콜라겐 섬유는 한 층판에서 다른 층판으로 방향을

변성시킬 수 있기에 합판이나 나선형 구조와 비슷한 형태를 가진다

그림 4 HA 원자구조 (흰색 P 파란색 O 빨간색 Ca)(1)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

층판골은 하버스계의 중심혈관공급장치를 가진 골원으로 구성되며

골원은 동심원적 고리형태를 갖는데 대략 한 골원에 4 ~ 20 고리로

이루어져 있다 lt그림 5gt는 무층골과 층판골의 구조를 나타내고 있다

뼈의 거시구조(Macrostructure)는 조밀한 피질골과 다공질 해면골로

나뉜다 대퇴골(Femur)과 같은 길이가 긴 뼈의 끝 단면도에서 조밀한

피질골 껍질이 다공질의 해면골 내부를 감싸고 있는 것을 관찰할 수

있다(그림 1) 머리덮개 뼈와 같은 편평골(Flat Bone)은 얇은 해면골를

중심으로 양쪽으로 조밀한 피질골로 둘러싸인 샌드위치 구조를 갖고

있다 해면골은 50~90의 기공도(Porosity)를 가진 3차원 구조의

해면구조를 가지며 기공 직경은 수 mm가 되는 것도 있다 주로

장골(Long Bone)과 입방골(Cuboidal Bone)의 골단(Epiphysis)과

골간단(Metaphysis)에서 발견되는 해면골은 대체로 등방성이며 주로

생리적 하중 하에서 압축력을 받는다 반대로 피질골은 기공도가 30

미만이며 직경이 1mm 미만의 작은 기공으로 이루어져 있다 대퇴골과

경골(Tibia)와 같은 장골의 결단에서 주로 발견되는 조밀한 피질골은

하중축에 따라 보강구조와 함께 높은 이방성 특성을 가지고 있다

일반적으로 해면골이 물질대사적인 측면에서 훨씬 더 활성도가 높고

피질골보다 훨씬 자주 변형되어 결과적으로 피질골보다 평균 더 어린

뼈 이다

그림 5 무층골 및 층판골(45)

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 기계적 특성

피질골은 보통 해면골보다 더 조밀해서 기계적으로 더 강하다 뼈의

종류에 따라 압축강도 탄성계수 파괴인성 인장강도와 같은 기계적

특성을 lt표 1gt에 나타내었다 이러한 기계적 특성은 물론 나이 성별

음식습관 건강상태 및 신체부위에 따라 변한다 전체 뼈의 이방성 비는

보통 종축으로 21 횡축으로 26 정도 된다 병든 뼈는 일반적으로

건강한 뼈 보다 밀도가 낮고 기계적 특성도 낮다

표 1 뼈의 기계적 특성(6-8)

뼈의 재형성과 골세포

뼈를 대체하기 어려운 이유는 뼈의 복잡한 구조뿐만 아니라 동적인

능력때문이다 즉 뼈는 손상을 입었을 때 다시 재생 하거나 하중

환경이 변할 때 변화할 수 있는 동적 능력을 가지고 있다 예를 들어

지속적인 운동을 통해서 뼈의 무게를 증가시켜서 하중으로부터

골절을 견딜 수 있게 한다 그러므로 이와 같이 뼈가 동적 능력에 따라

변화하는 동안 어떻게 골세포가 조정되는지 이해하는 것이 인공뼈

개발에 가장 기본이 되는 것이다

살아있는 기관으로서 뼈는 물리적 활동이나 기계적 하중에

의해서 발생하는 다양한 응력에 따라 뼈의 크기 형태 위치 그리고

특성이 재형성 과정을 통해 평생 동안 변화 할 수 있다 다시 말해

Human boneStrength (MPa) Youngrsquo

s modulus (GPa)

Fracture toughness KIC

(MPa m12)

Tensile strength(MPa)Compressive Bending

Cancellous 2 12 ― 005 05 ― ―

Cortical 100 230 50 150 7 30 2 12 ―

Tibia 159 ― 181 ― 140

Femur 167 ― 172 ― 121

Radius 114 ― 186 ― 149

Humerus 132 ― 172 ― 130

Cervical 10 ― 023 ― 31

Lumbar 5 ― 016 ― 37

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 골재형성 단위(BMU Bone-Remodeling Unit)를 통해 뼈의

재형성 과정을 활성화시킴으로써 과도한 기계적 하중 하에서도

자기보수(Self-Repairing) 능력을 가지고 있다 이 과정에는 3가지

골세포가 관여한다 첫째는 뼈 형성세포인 골모세포(Osteoblast)

둘째는 뼈 유지세포인 골세포(Osteocyte) 그리고 마지막으로 뼈

흡수세포인 파골세포(Osteoclast)이다

lt그림 6gt은 어떻게 골세포가 뼈 재형성 과정에서 작용하는지 나타낸

것이다 파골세포가 오래된 뼈를 흡수하기 위해서 뼈 기질속에 있는

생장인자나 사이토카인 단백질에 의해서 활성화된다 그 후 골모세포가

칼슘을 함유한 광물질을 증착시키기 위해 파골세포와 골세포에 의해서

분비된 인슐린과 같은 생장인자에 의해서 활성화된다 골세포는

인슐린과 같은 생장인자와 조직 생장인자 분비를 통해서 비칼슘 증착과

칼슘 증착 사이를 골모세포 분화를 통해서 새로운 뼈 생성을 조절하게

된다

골모세포(Osteoblast)

골모세포는 평균 직경이 10 ~ 50 μm로 골막(Periosteal)과

골내막(Endosteal) 표면에 위치하여 새로운 뼈 합성에 관여한다

초기 이식물질이 뼈 표면에 접착되면 골모세포가 활발하게

증식하고 콜라겐 비트로넥틴(Vitronectin 세포접착성 당단백질)

그림 6 골재형성 과정 도식도(9)

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

및 섬유결합소(Fibronectin)를 유발하는 유전자를 발산한다

증식의 마지막 단계에 세포외기질의 발달과 성숙이 시작되며

골모세포가 비칼슘세포에서 칼슘세포로 분화가 시작된다 알칼리성

인산가수분해효소(ALP Alkaline Phosphatase) 활성도와

mRNA 발산이 열배로 증가한다 광물질화 과정이 시작되고 이에

광물질 소결절이 생성됨에 따라 골모세포가 합성되며 BSP(Bone

Sialoprotein) 및 칼슘과 결합된다 백질인 오스테오칼신(Osteocalcin)

및 다른 기질 단백질을 증착하게 된다 오스테오칼신은 HA와

상호작용하여 골모세포에 의한 뼈의 재흡수와 골모세포골세포에 의한

골형성 사이를 연결하고 조절하게 된다

골세포(Osteocyte)

골세포는 광물화된 뼈 기질에 묻혀있는 성숙한 골모세포이며

동시에 새로운 뼈 합성에 기여하지만 골모세포 만큼은 되지 않는다

골세포와 골모세포 사이의 가장 기본적인 차이는 뼈 속에서 상대적인

위치 차이이다 골세포는 골원의 중심부 내강 주위와 판층 사이에서

동심원적으로 배열되어 있다 또한 골세포는 주위의 다른 골세포와

함께 작은 소관(Canaliculi)을 통해서 접촉하고 의사소통할 수 있는

상당히 긴 가지를 가지고 있다 이와 같이 3차원적으로 함께 섞인

구조로 인해서 골세포는 조직내의 생리학적 응력과 변형신호에

민감하게 반응하며 새로운 뼈를 증착하는 골모세포의 활동도와 오래된

뼈를 녹이는 파골세포의 활동도를 조절하도록 돕는다

파골세포(Osteoclast)

파골세포는 골수(Bone Marrow)의 분화세포에서 나와서 하우쉽소강(Howshiplsquos

Lacunae)이라는 침식공간의 뼈 재흡수 영역에 존재한다 파골세포는 주로 뼈

재흡수에 관여하며 직경이 100 μm로 세포당 100개까지 파골세포핵을 가진다

파골세포가 뼈를 녹이기 위해서 분열된 뼈 사이를 쓸어내는 동안 표면적을 늘리기

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

위해서 물결 모양의 세모막 가장자리를 형성한다 그후 파골세포는 주석산염

저항산성인산분해효소(TRAP Tartrate-Resistant Acid Phosphatase)를

형성하여 탄산 무수화효소(Carbonic Anhydrase)를 통해 수소이온을

방출하게 되어 국부적인 pH를 낮추게 된다

낮아진 pH는 HA 결정의 용해도를 증가시키고 뼈 기질의 유기물

성분이 마지막으로 산성 단백질 가수분해에 의해서 제거되게 된다

임플란트 표면에서 일어나는 뼈의 재형성 정도에 따라서 보철장치의

수명이 정해진다 예를 들어 임플란트의 헐거워짐이나 실패는 임플란트

주위 뼈의 재형성이 거의 일어나지 않아서 결국 영양불량의 뼈가

되거나 뼈 주위에 너무 많은 뼈의 재형성이 일어나 극단적인 뼈

재흡수나 골용해(Osteolysis)를 유발할 수 있다

현재 사용되는 뼈 대체물의 문제점

전통적으로 자가이식(Autografts) 동종이식(Allografts)

이종이식(Xenografts) 및 금속 임플란트가 뼈 골절과 손상부를

치료하는데 이용되어 왔다 하지만 이와 같은 뼈 대체물은 각각 특정한

문제점과 한계점들을 가지고 있다

자가이식

자가이식은 골격의 한 부분을 제거하여 동일인의 다른 부위에 옮긴

조직이다 일반적으로 환자의 장골에서 해면골 형태로 축출하지만

피질골도 사용된다 역사적으로 자가이식은 뼈 발생 세포뿐만 아니라

뼈의 치료와 재생에 필요한 필수적인 골유도인자(Osteoinductive

Factors)를 제공한다 하지만 자가이식은 언제나 기증자 부족과

기증자의 병적상태에 의존하기 때문에 자가이식의 응용에 많은 한계가

있다 이식이 필요한 환자 수가 기증자 수를 훨씬 넘어서고 있다

새로운 기술개발이 이러한 부족분을 줄이는데 필요하다

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

동종이식과 이종이식

동종이식은 동일한 종족내에 유전적으로 다른 개체사이에 이식된

조직이고 반면에 이종이식은 다른 종족사이에 이식된 조직이다

분명히 동종이식과 이종이식은 질병의 전달과 면역반응 등의 문제를

일으킬 위험성이 아주 높다

금속과 합금 임플란트

이상에서 언급한 자가이식 동종이식 이종이식과 관련된 문제때문에

금 속과 같은 합성물질을 수많은 정형외과 응용분야에서 재료로

사용되어 왔다 하지만 금속과 합금은 실제 뼈처럼 생리학적 역학적

기계적 특성을 나타내지 못하기 때문에 건강한 뼈의 특성을 가지지

못하고 또한 시간에 따른 재형성 및 자가보수 능력이 없다 lt표 2gt는

현재 정형외과 분야에서 사용되고 있는 금속의 물리적 기계적 특성을

나타낸 것이다 분명히 금속은 lt표 1gt에 열거한 실제 뼈보다 훨씬 높은

밀도와 기계적 특성을 가지고 있다

Stainless Steels(SUS316L)은 1926년 처음으로 의료용으로 사용된

금속 재료로 골고정용 강선 나사 또는 고정판으로 사용되었으며

내부식(Less Corrosive) 특성을 가지고 있으며 지금까지도 널리 사용되는

대표적인 금속 임플란트 재료이다

표 2 정형외과용 합금의 기계적 특성(1011)

Tensile strength

(MPa) Elongation ()

Fatigue

strength (MPa)

Youngs

modulus (MPa)

CP Ti 414 18 310-413 100

Ti-6Al-4V 853 10 540-570 100

SUS316L 482 40 262 200

Co-Cr Alloy(casting) 655 8 241-276 200

Co-Cr Alloy(forging) 855 - 379-517 230

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

코발트 크롬 합금(Co-Cr alloy)은 뛰어난 내부식성과 함께 내마모(Less

Abrasive) 특성을 가지고 있기 때문에 인공 고관절이나 슬관절과 같이

생리적 부하와 함께 운동성이 요구되는 조직의 대체물질로 사용되고

있다 그러나 이들 금속은 완전한 비부식(Noncorrosive)성 재료가

아니며 이식 후 체액에 용해되어 유출되는 금속성분에 의해 생체적합성이

좌우될 뿐만 아니라 탄성율도 자연골에 비해 약 10배나 높은 200 GPa에

이르기 때문에 경시적으로 기계적 친화성 부조화에 의한 골조직의 흡수

수축 비대와 같은 좋지 않은 예후를 나타낸다

타이타늄(Titanium Ti)은 이식 후 면역반응을 일으키지 않으면서

골조직과 직접 화학적으로 결합하는 생체활성을 나타낼 뿐만 아니라

부동화(Passivation)시켜 Ti 표면에 형성된 산화막은 금속 ion의 용출을

차단함과 동시에 체액에 의한 부식도 방어하는 특성을 가지고 있고

탄성율도 다른 금속에 비해 약 12에 해당하여 골 탄성율에 상대적으로

가깝다는 장점을 가지고 있다 골유착(Osseointegration)은 체액내에

존재하는 산소 원자가 Ti원자와 화학적으로 반응하여 표면에 Ti

산화막(TiO2)을 형성하면 골조직의 무기질이 그들과 직접 결합 축적되어

신생골을 형성하는 것으로 알려져 있다

금속 임플란트와 생리학적 뼈의 기계적 특성 사이의 차이는

응력차폐(Stress Shield) 문제를 야기시킨다 즉 임플란트 재료가

기계적인 하중에서 회복되는 뼈를 막아서 뼈 주위를 괴사시켜 결국

임플란트 결합을 약화 시킨다 결과적으로 임플란트와 괴사된 뼈조직을

제거해야 하는 복잡한 과정을 유발시킨다 응력차폐뿐만 아니라

불충분한 골유착(Osseointegration)은 임플란트 결합을 약화시키거나

섬유조직의 내부성장을 유발시킨다 이상의 임상적 문제점으로 인하여

생리학적 뼈와 비슷한 구조 특성 및 기능을 가지고 있는 인공뼈

대체물의 개발 중요성이 더욱 부각된다

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

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Page 9: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

98인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

교차결합(Cross-Linking)에 의해 안정화되어 세포외 모체로 발생된다

일반적으로 인체에는 12종의 콜라겐이 있는데 각각의 콜라겐은 3개의

폴리텝티드(Polypeptide) 사슬로 구성되며 또한 각각의 폴리텝티드

사슬은 대략 1000여 개의 아미노산으로 이루어져 있다

생장인자 단백질과 사이토킨(예 인슐린과 같은 생장인자

골원성 단백질) 골유도 단백질(예 오스테오넥틴 오스테오폰틴

오스테오칼신) 세포외 기질물질(예 BSP Bone Sialoprotein

골프로테오글리칸 프로테올리피드 인단백질) 등과 같은 비콜라겐

단백질은 뼈 전체 무게에 대한 비중은 작지만 뼈 광물질의 크기와

방향을 조절하고 칼슘과 인을 저장하는 등의 생물학적으로 중요한

기능을 담당한다 새로운 뼈가 생성되는 동안 조골세포와 칼슘 인과

같은 광물질 이온 등과 같은 비콜라겐 단백질이 홀구역과 콜라겐

속으로 증착하여 HA 결정 성장을 촉진하게 된다 기질은 단백질

다당류(Polysaccharides) 뮤코다당류(Mucopolysaccharides)로

구성되어 콜라겐 섬유와 HA사이를 메우는 접합제(Cement) 역할을 한다

그림 3 뼈의 콜라겐 섬유와 광물질 도식도(13)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

일반적으로 뼈는 세포 무기질로 생각할 수 있지만 실제로 60의

콜라겐과 30-40의 HA(Ca10(PO4)6(OH)2)로 구성되어 있다 즉

뼈는 콜라겐이 대부분인 기질 속에 나노크기의 HA이 잘 흩어져 있는

나노구조의 복합체(Nanostructured Composite)이다

뼈의 미세구조와 거시구조

뼈의 미세구조(Microstructure) 단위에는 무층골(Haversian or

Woven Bone)과 층판골(Plexiform or Lamellae Bone) 두 가지 구조로

구성되어 있다 무층골은 미성숙한 뼈로 골절이 있는 가골(Callus)과

퇴행성 뼈 뿐만 아니라 성장하고 있는 뼈의 골간단(Metaphyseal)

부분에서 일반적으로 발견된다 또한 무층골은 상대적으로 무질서하게

배열된 굵은 콜라겐 섬유로 구성되어 있기 때문에 등방성(Isotropy)

특성을 갖는다

반대로 층판골은 무층골이나 이전에 있던 뼈가 성장한 것으로 훨씬

성숙한 뼈이다 보통 3~7 μm 두께를 가진 층판골은 아주 조직화되어

있고 각각의 층판이 평형하게 놓여져 있기 때문에 응력이 집중된

콜라겐 섬유를 함유하고 있다 결과적으로 콜라겐 섬유의 종축에

평형한 방향으로 강도가 가장 큰 이방성(Anisotropy) 특성을 갖게

된다 이러한 콜라겐 섬유는 한 층판에서 다른 층판으로 방향을

변성시킬 수 있기에 합판이나 나선형 구조와 비슷한 형태를 가진다

그림 4 HA 원자구조 (흰색 P 파란색 O 빨간색 Ca)(1)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

층판골은 하버스계의 중심혈관공급장치를 가진 골원으로 구성되며

골원은 동심원적 고리형태를 갖는데 대략 한 골원에 4 ~ 20 고리로

이루어져 있다 lt그림 5gt는 무층골과 층판골의 구조를 나타내고 있다

뼈의 거시구조(Macrostructure)는 조밀한 피질골과 다공질 해면골로

나뉜다 대퇴골(Femur)과 같은 길이가 긴 뼈의 끝 단면도에서 조밀한

피질골 껍질이 다공질의 해면골 내부를 감싸고 있는 것을 관찰할 수

있다(그림 1) 머리덮개 뼈와 같은 편평골(Flat Bone)은 얇은 해면골를

중심으로 양쪽으로 조밀한 피질골로 둘러싸인 샌드위치 구조를 갖고

있다 해면골은 50~90의 기공도(Porosity)를 가진 3차원 구조의

해면구조를 가지며 기공 직경은 수 mm가 되는 것도 있다 주로

장골(Long Bone)과 입방골(Cuboidal Bone)의 골단(Epiphysis)과

골간단(Metaphysis)에서 발견되는 해면골은 대체로 등방성이며 주로

생리적 하중 하에서 압축력을 받는다 반대로 피질골은 기공도가 30

미만이며 직경이 1mm 미만의 작은 기공으로 이루어져 있다 대퇴골과

경골(Tibia)와 같은 장골의 결단에서 주로 발견되는 조밀한 피질골은

하중축에 따라 보강구조와 함께 높은 이방성 특성을 가지고 있다

일반적으로 해면골이 물질대사적인 측면에서 훨씬 더 활성도가 높고

피질골보다 훨씬 자주 변형되어 결과적으로 피질골보다 평균 더 어린

뼈 이다

그림 5 무층골 및 층판골(45)

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 기계적 특성

피질골은 보통 해면골보다 더 조밀해서 기계적으로 더 강하다 뼈의

종류에 따라 압축강도 탄성계수 파괴인성 인장강도와 같은 기계적

특성을 lt표 1gt에 나타내었다 이러한 기계적 특성은 물론 나이 성별

음식습관 건강상태 및 신체부위에 따라 변한다 전체 뼈의 이방성 비는

보통 종축으로 21 횡축으로 26 정도 된다 병든 뼈는 일반적으로

건강한 뼈 보다 밀도가 낮고 기계적 특성도 낮다

표 1 뼈의 기계적 특성(6-8)

뼈의 재형성과 골세포

뼈를 대체하기 어려운 이유는 뼈의 복잡한 구조뿐만 아니라 동적인

능력때문이다 즉 뼈는 손상을 입었을 때 다시 재생 하거나 하중

환경이 변할 때 변화할 수 있는 동적 능력을 가지고 있다 예를 들어

지속적인 운동을 통해서 뼈의 무게를 증가시켜서 하중으로부터

골절을 견딜 수 있게 한다 그러므로 이와 같이 뼈가 동적 능력에 따라

변화하는 동안 어떻게 골세포가 조정되는지 이해하는 것이 인공뼈

개발에 가장 기본이 되는 것이다

살아있는 기관으로서 뼈는 물리적 활동이나 기계적 하중에

의해서 발생하는 다양한 응력에 따라 뼈의 크기 형태 위치 그리고

특성이 재형성 과정을 통해 평생 동안 변화 할 수 있다 다시 말해

Human boneStrength (MPa) Youngrsquo

s modulus (GPa)

Fracture toughness KIC

(MPa m12)

Tensile strength(MPa)Compressive Bending

Cancellous 2 12 ― 005 05 ― ―

Cortical 100 230 50 150 7 30 2 12 ―

Tibia 159 ― 181 ― 140

Femur 167 ― 172 ― 121

Radius 114 ― 186 ― 149

Humerus 132 ― 172 ― 130

Cervical 10 ― 023 ― 31

Lumbar 5 ― 016 ― 37

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 골재형성 단위(BMU Bone-Remodeling Unit)를 통해 뼈의

재형성 과정을 활성화시킴으로써 과도한 기계적 하중 하에서도

자기보수(Self-Repairing) 능력을 가지고 있다 이 과정에는 3가지

골세포가 관여한다 첫째는 뼈 형성세포인 골모세포(Osteoblast)

둘째는 뼈 유지세포인 골세포(Osteocyte) 그리고 마지막으로 뼈

흡수세포인 파골세포(Osteoclast)이다

lt그림 6gt은 어떻게 골세포가 뼈 재형성 과정에서 작용하는지 나타낸

것이다 파골세포가 오래된 뼈를 흡수하기 위해서 뼈 기질속에 있는

생장인자나 사이토카인 단백질에 의해서 활성화된다 그 후 골모세포가

칼슘을 함유한 광물질을 증착시키기 위해 파골세포와 골세포에 의해서

분비된 인슐린과 같은 생장인자에 의해서 활성화된다 골세포는

인슐린과 같은 생장인자와 조직 생장인자 분비를 통해서 비칼슘 증착과

칼슘 증착 사이를 골모세포 분화를 통해서 새로운 뼈 생성을 조절하게

된다

골모세포(Osteoblast)

골모세포는 평균 직경이 10 ~ 50 μm로 골막(Periosteal)과

골내막(Endosteal) 표면에 위치하여 새로운 뼈 합성에 관여한다

초기 이식물질이 뼈 표면에 접착되면 골모세포가 활발하게

증식하고 콜라겐 비트로넥틴(Vitronectin 세포접착성 당단백질)

그림 6 골재형성 과정 도식도(9)

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

및 섬유결합소(Fibronectin)를 유발하는 유전자를 발산한다

증식의 마지막 단계에 세포외기질의 발달과 성숙이 시작되며

골모세포가 비칼슘세포에서 칼슘세포로 분화가 시작된다 알칼리성

인산가수분해효소(ALP Alkaline Phosphatase) 활성도와

mRNA 발산이 열배로 증가한다 광물질화 과정이 시작되고 이에

광물질 소결절이 생성됨에 따라 골모세포가 합성되며 BSP(Bone

Sialoprotein) 및 칼슘과 결합된다 백질인 오스테오칼신(Osteocalcin)

및 다른 기질 단백질을 증착하게 된다 오스테오칼신은 HA와

상호작용하여 골모세포에 의한 뼈의 재흡수와 골모세포골세포에 의한

골형성 사이를 연결하고 조절하게 된다

골세포(Osteocyte)

골세포는 광물화된 뼈 기질에 묻혀있는 성숙한 골모세포이며

동시에 새로운 뼈 합성에 기여하지만 골모세포 만큼은 되지 않는다

골세포와 골모세포 사이의 가장 기본적인 차이는 뼈 속에서 상대적인

위치 차이이다 골세포는 골원의 중심부 내강 주위와 판층 사이에서

동심원적으로 배열되어 있다 또한 골세포는 주위의 다른 골세포와

함께 작은 소관(Canaliculi)을 통해서 접촉하고 의사소통할 수 있는

상당히 긴 가지를 가지고 있다 이와 같이 3차원적으로 함께 섞인

구조로 인해서 골세포는 조직내의 생리학적 응력과 변형신호에

민감하게 반응하며 새로운 뼈를 증착하는 골모세포의 활동도와 오래된

뼈를 녹이는 파골세포의 활동도를 조절하도록 돕는다

파골세포(Osteoclast)

파골세포는 골수(Bone Marrow)의 분화세포에서 나와서 하우쉽소강(Howshiplsquos

Lacunae)이라는 침식공간의 뼈 재흡수 영역에 존재한다 파골세포는 주로 뼈

재흡수에 관여하며 직경이 100 μm로 세포당 100개까지 파골세포핵을 가진다

파골세포가 뼈를 녹이기 위해서 분열된 뼈 사이를 쓸어내는 동안 표면적을 늘리기

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

위해서 물결 모양의 세모막 가장자리를 형성한다 그후 파골세포는 주석산염

저항산성인산분해효소(TRAP Tartrate-Resistant Acid Phosphatase)를

형성하여 탄산 무수화효소(Carbonic Anhydrase)를 통해 수소이온을

방출하게 되어 국부적인 pH를 낮추게 된다

낮아진 pH는 HA 결정의 용해도를 증가시키고 뼈 기질의 유기물

성분이 마지막으로 산성 단백질 가수분해에 의해서 제거되게 된다

임플란트 표면에서 일어나는 뼈의 재형성 정도에 따라서 보철장치의

수명이 정해진다 예를 들어 임플란트의 헐거워짐이나 실패는 임플란트

주위 뼈의 재형성이 거의 일어나지 않아서 결국 영양불량의 뼈가

되거나 뼈 주위에 너무 많은 뼈의 재형성이 일어나 극단적인 뼈

재흡수나 골용해(Osteolysis)를 유발할 수 있다

현재 사용되는 뼈 대체물의 문제점

전통적으로 자가이식(Autografts) 동종이식(Allografts)

이종이식(Xenografts) 및 금속 임플란트가 뼈 골절과 손상부를

치료하는데 이용되어 왔다 하지만 이와 같은 뼈 대체물은 각각 특정한

문제점과 한계점들을 가지고 있다

자가이식

자가이식은 골격의 한 부분을 제거하여 동일인의 다른 부위에 옮긴

조직이다 일반적으로 환자의 장골에서 해면골 형태로 축출하지만

피질골도 사용된다 역사적으로 자가이식은 뼈 발생 세포뿐만 아니라

뼈의 치료와 재생에 필요한 필수적인 골유도인자(Osteoinductive

Factors)를 제공한다 하지만 자가이식은 언제나 기증자 부족과

기증자의 병적상태에 의존하기 때문에 자가이식의 응용에 많은 한계가

있다 이식이 필요한 환자 수가 기증자 수를 훨씬 넘어서고 있다

새로운 기술개발이 이러한 부족분을 줄이는데 필요하다

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

동종이식과 이종이식

동종이식은 동일한 종족내에 유전적으로 다른 개체사이에 이식된

조직이고 반면에 이종이식은 다른 종족사이에 이식된 조직이다

분명히 동종이식과 이종이식은 질병의 전달과 면역반응 등의 문제를

일으킬 위험성이 아주 높다

금속과 합금 임플란트

이상에서 언급한 자가이식 동종이식 이종이식과 관련된 문제때문에

금 속과 같은 합성물질을 수많은 정형외과 응용분야에서 재료로

사용되어 왔다 하지만 금속과 합금은 실제 뼈처럼 생리학적 역학적

기계적 특성을 나타내지 못하기 때문에 건강한 뼈의 특성을 가지지

못하고 또한 시간에 따른 재형성 및 자가보수 능력이 없다 lt표 2gt는

현재 정형외과 분야에서 사용되고 있는 금속의 물리적 기계적 특성을

나타낸 것이다 분명히 금속은 lt표 1gt에 열거한 실제 뼈보다 훨씬 높은

밀도와 기계적 특성을 가지고 있다

Stainless Steels(SUS316L)은 1926년 처음으로 의료용으로 사용된

금속 재료로 골고정용 강선 나사 또는 고정판으로 사용되었으며

내부식(Less Corrosive) 특성을 가지고 있으며 지금까지도 널리 사용되는

대표적인 금속 임플란트 재료이다

표 2 정형외과용 합금의 기계적 특성(1011)

Tensile strength

(MPa) Elongation ()

Fatigue

strength (MPa)

Youngs

modulus (MPa)

CP Ti 414 18 310-413 100

Ti-6Al-4V 853 10 540-570 100

SUS316L 482 40 262 200

Co-Cr Alloy(casting) 655 8 241-276 200

Co-Cr Alloy(forging) 855 - 379-517 230

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

코발트 크롬 합금(Co-Cr alloy)은 뛰어난 내부식성과 함께 내마모(Less

Abrasive) 특성을 가지고 있기 때문에 인공 고관절이나 슬관절과 같이

생리적 부하와 함께 운동성이 요구되는 조직의 대체물질로 사용되고

있다 그러나 이들 금속은 완전한 비부식(Noncorrosive)성 재료가

아니며 이식 후 체액에 용해되어 유출되는 금속성분에 의해 생체적합성이

좌우될 뿐만 아니라 탄성율도 자연골에 비해 약 10배나 높은 200 GPa에

이르기 때문에 경시적으로 기계적 친화성 부조화에 의한 골조직의 흡수

수축 비대와 같은 좋지 않은 예후를 나타낸다

타이타늄(Titanium Ti)은 이식 후 면역반응을 일으키지 않으면서

골조직과 직접 화학적으로 결합하는 생체활성을 나타낼 뿐만 아니라

부동화(Passivation)시켜 Ti 표면에 형성된 산화막은 금속 ion의 용출을

차단함과 동시에 체액에 의한 부식도 방어하는 특성을 가지고 있고

탄성율도 다른 금속에 비해 약 12에 해당하여 골 탄성율에 상대적으로

가깝다는 장점을 가지고 있다 골유착(Osseointegration)은 체액내에

존재하는 산소 원자가 Ti원자와 화학적으로 반응하여 표면에 Ti

산화막(TiO2)을 형성하면 골조직의 무기질이 그들과 직접 결합 축적되어

신생골을 형성하는 것으로 알려져 있다

금속 임플란트와 생리학적 뼈의 기계적 특성 사이의 차이는

응력차폐(Stress Shield) 문제를 야기시킨다 즉 임플란트 재료가

기계적인 하중에서 회복되는 뼈를 막아서 뼈 주위를 괴사시켜 결국

임플란트 결합을 약화 시킨다 결과적으로 임플란트와 괴사된 뼈조직을

제거해야 하는 복잡한 과정을 유발시킨다 응력차폐뿐만 아니라

불충분한 골유착(Osseointegration)은 임플란트 결합을 약화시키거나

섬유조직의 내부성장을 유발시킨다 이상의 임상적 문제점으로 인하여

생리학적 뼈와 비슷한 구조 특성 및 기능을 가지고 있는 인공뼈

대체물의 개발 중요성이 더욱 부각된다

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

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5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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Page 10: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

일반적으로 뼈는 세포 무기질로 생각할 수 있지만 실제로 60의

콜라겐과 30-40의 HA(Ca10(PO4)6(OH)2)로 구성되어 있다 즉

뼈는 콜라겐이 대부분인 기질 속에 나노크기의 HA이 잘 흩어져 있는

나노구조의 복합체(Nanostructured Composite)이다

뼈의 미세구조와 거시구조

뼈의 미세구조(Microstructure) 단위에는 무층골(Haversian or

Woven Bone)과 층판골(Plexiform or Lamellae Bone) 두 가지 구조로

구성되어 있다 무층골은 미성숙한 뼈로 골절이 있는 가골(Callus)과

퇴행성 뼈 뿐만 아니라 성장하고 있는 뼈의 골간단(Metaphyseal)

부분에서 일반적으로 발견된다 또한 무층골은 상대적으로 무질서하게

배열된 굵은 콜라겐 섬유로 구성되어 있기 때문에 등방성(Isotropy)

특성을 갖는다

반대로 층판골은 무층골이나 이전에 있던 뼈가 성장한 것으로 훨씬

성숙한 뼈이다 보통 3~7 μm 두께를 가진 층판골은 아주 조직화되어

있고 각각의 층판이 평형하게 놓여져 있기 때문에 응력이 집중된

콜라겐 섬유를 함유하고 있다 결과적으로 콜라겐 섬유의 종축에

평형한 방향으로 강도가 가장 큰 이방성(Anisotropy) 특성을 갖게

된다 이러한 콜라겐 섬유는 한 층판에서 다른 층판으로 방향을

변성시킬 수 있기에 합판이나 나선형 구조와 비슷한 형태를 가진다

그림 4 HA 원자구조 (흰색 P 파란색 O 빨간색 Ca)(1)

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

층판골은 하버스계의 중심혈관공급장치를 가진 골원으로 구성되며

골원은 동심원적 고리형태를 갖는데 대략 한 골원에 4 ~ 20 고리로

이루어져 있다 lt그림 5gt는 무층골과 층판골의 구조를 나타내고 있다

뼈의 거시구조(Macrostructure)는 조밀한 피질골과 다공질 해면골로

나뉜다 대퇴골(Femur)과 같은 길이가 긴 뼈의 끝 단면도에서 조밀한

피질골 껍질이 다공질의 해면골 내부를 감싸고 있는 것을 관찰할 수

있다(그림 1) 머리덮개 뼈와 같은 편평골(Flat Bone)은 얇은 해면골를

중심으로 양쪽으로 조밀한 피질골로 둘러싸인 샌드위치 구조를 갖고

있다 해면골은 50~90의 기공도(Porosity)를 가진 3차원 구조의

해면구조를 가지며 기공 직경은 수 mm가 되는 것도 있다 주로

장골(Long Bone)과 입방골(Cuboidal Bone)의 골단(Epiphysis)과

골간단(Metaphysis)에서 발견되는 해면골은 대체로 등방성이며 주로

생리적 하중 하에서 압축력을 받는다 반대로 피질골은 기공도가 30

미만이며 직경이 1mm 미만의 작은 기공으로 이루어져 있다 대퇴골과

경골(Tibia)와 같은 장골의 결단에서 주로 발견되는 조밀한 피질골은

하중축에 따라 보강구조와 함께 높은 이방성 특성을 가지고 있다

일반적으로 해면골이 물질대사적인 측면에서 훨씬 더 활성도가 높고

피질골보다 훨씬 자주 변형되어 결과적으로 피질골보다 평균 더 어린

뼈 이다

그림 5 무층골 및 층판골(45)

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 기계적 특성

피질골은 보통 해면골보다 더 조밀해서 기계적으로 더 강하다 뼈의

종류에 따라 압축강도 탄성계수 파괴인성 인장강도와 같은 기계적

특성을 lt표 1gt에 나타내었다 이러한 기계적 특성은 물론 나이 성별

음식습관 건강상태 및 신체부위에 따라 변한다 전체 뼈의 이방성 비는

보통 종축으로 21 횡축으로 26 정도 된다 병든 뼈는 일반적으로

건강한 뼈 보다 밀도가 낮고 기계적 특성도 낮다

표 1 뼈의 기계적 특성(6-8)

뼈의 재형성과 골세포

뼈를 대체하기 어려운 이유는 뼈의 복잡한 구조뿐만 아니라 동적인

능력때문이다 즉 뼈는 손상을 입었을 때 다시 재생 하거나 하중

환경이 변할 때 변화할 수 있는 동적 능력을 가지고 있다 예를 들어

지속적인 운동을 통해서 뼈의 무게를 증가시켜서 하중으로부터

골절을 견딜 수 있게 한다 그러므로 이와 같이 뼈가 동적 능력에 따라

변화하는 동안 어떻게 골세포가 조정되는지 이해하는 것이 인공뼈

개발에 가장 기본이 되는 것이다

살아있는 기관으로서 뼈는 물리적 활동이나 기계적 하중에

의해서 발생하는 다양한 응력에 따라 뼈의 크기 형태 위치 그리고

특성이 재형성 과정을 통해 평생 동안 변화 할 수 있다 다시 말해

Human boneStrength (MPa) Youngrsquo

s modulus (GPa)

Fracture toughness KIC

(MPa m12)

Tensile strength(MPa)Compressive Bending

Cancellous 2 12 ― 005 05 ― ―

Cortical 100 230 50 150 7 30 2 12 ―

Tibia 159 ― 181 ― 140

Femur 167 ― 172 ― 121

Radius 114 ― 186 ― 149

Humerus 132 ― 172 ― 130

Cervical 10 ― 023 ― 31

Lumbar 5 ― 016 ― 37

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 골재형성 단위(BMU Bone-Remodeling Unit)를 통해 뼈의

재형성 과정을 활성화시킴으로써 과도한 기계적 하중 하에서도

자기보수(Self-Repairing) 능력을 가지고 있다 이 과정에는 3가지

골세포가 관여한다 첫째는 뼈 형성세포인 골모세포(Osteoblast)

둘째는 뼈 유지세포인 골세포(Osteocyte) 그리고 마지막으로 뼈

흡수세포인 파골세포(Osteoclast)이다

lt그림 6gt은 어떻게 골세포가 뼈 재형성 과정에서 작용하는지 나타낸

것이다 파골세포가 오래된 뼈를 흡수하기 위해서 뼈 기질속에 있는

생장인자나 사이토카인 단백질에 의해서 활성화된다 그 후 골모세포가

칼슘을 함유한 광물질을 증착시키기 위해 파골세포와 골세포에 의해서

분비된 인슐린과 같은 생장인자에 의해서 활성화된다 골세포는

인슐린과 같은 생장인자와 조직 생장인자 분비를 통해서 비칼슘 증착과

칼슘 증착 사이를 골모세포 분화를 통해서 새로운 뼈 생성을 조절하게

된다

골모세포(Osteoblast)

골모세포는 평균 직경이 10 ~ 50 μm로 골막(Periosteal)과

골내막(Endosteal) 표면에 위치하여 새로운 뼈 합성에 관여한다

초기 이식물질이 뼈 표면에 접착되면 골모세포가 활발하게

증식하고 콜라겐 비트로넥틴(Vitronectin 세포접착성 당단백질)

그림 6 골재형성 과정 도식도(9)

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

및 섬유결합소(Fibronectin)를 유발하는 유전자를 발산한다

증식의 마지막 단계에 세포외기질의 발달과 성숙이 시작되며

골모세포가 비칼슘세포에서 칼슘세포로 분화가 시작된다 알칼리성

인산가수분해효소(ALP Alkaline Phosphatase) 활성도와

mRNA 발산이 열배로 증가한다 광물질화 과정이 시작되고 이에

광물질 소결절이 생성됨에 따라 골모세포가 합성되며 BSP(Bone

Sialoprotein) 및 칼슘과 결합된다 백질인 오스테오칼신(Osteocalcin)

및 다른 기질 단백질을 증착하게 된다 오스테오칼신은 HA와

상호작용하여 골모세포에 의한 뼈의 재흡수와 골모세포골세포에 의한

골형성 사이를 연결하고 조절하게 된다

골세포(Osteocyte)

골세포는 광물화된 뼈 기질에 묻혀있는 성숙한 골모세포이며

동시에 새로운 뼈 합성에 기여하지만 골모세포 만큼은 되지 않는다

골세포와 골모세포 사이의 가장 기본적인 차이는 뼈 속에서 상대적인

위치 차이이다 골세포는 골원의 중심부 내강 주위와 판층 사이에서

동심원적으로 배열되어 있다 또한 골세포는 주위의 다른 골세포와

함께 작은 소관(Canaliculi)을 통해서 접촉하고 의사소통할 수 있는

상당히 긴 가지를 가지고 있다 이와 같이 3차원적으로 함께 섞인

구조로 인해서 골세포는 조직내의 생리학적 응력과 변형신호에

민감하게 반응하며 새로운 뼈를 증착하는 골모세포의 활동도와 오래된

뼈를 녹이는 파골세포의 활동도를 조절하도록 돕는다

파골세포(Osteoclast)

파골세포는 골수(Bone Marrow)의 분화세포에서 나와서 하우쉽소강(Howshiplsquos

Lacunae)이라는 침식공간의 뼈 재흡수 영역에 존재한다 파골세포는 주로 뼈

재흡수에 관여하며 직경이 100 μm로 세포당 100개까지 파골세포핵을 가진다

파골세포가 뼈를 녹이기 위해서 분열된 뼈 사이를 쓸어내는 동안 표면적을 늘리기

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

위해서 물결 모양의 세모막 가장자리를 형성한다 그후 파골세포는 주석산염

저항산성인산분해효소(TRAP Tartrate-Resistant Acid Phosphatase)를

형성하여 탄산 무수화효소(Carbonic Anhydrase)를 통해 수소이온을

방출하게 되어 국부적인 pH를 낮추게 된다

낮아진 pH는 HA 결정의 용해도를 증가시키고 뼈 기질의 유기물

성분이 마지막으로 산성 단백질 가수분해에 의해서 제거되게 된다

임플란트 표면에서 일어나는 뼈의 재형성 정도에 따라서 보철장치의

수명이 정해진다 예를 들어 임플란트의 헐거워짐이나 실패는 임플란트

주위 뼈의 재형성이 거의 일어나지 않아서 결국 영양불량의 뼈가

되거나 뼈 주위에 너무 많은 뼈의 재형성이 일어나 극단적인 뼈

재흡수나 골용해(Osteolysis)를 유발할 수 있다

현재 사용되는 뼈 대체물의 문제점

전통적으로 자가이식(Autografts) 동종이식(Allografts)

이종이식(Xenografts) 및 금속 임플란트가 뼈 골절과 손상부를

치료하는데 이용되어 왔다 하지만 이와 같은 뼈 대체물은 각각 특정한

문제점과 한계점들을 가지고 있다

자가이식

자가이식은 골격의 한 부분을 제거하여 동일인의 다른 부위에 옮긴

조직이다 일반적으로 환자의 장골에서 해면골 형태로 축출하지만

피질골도 사용된다 역사적으로 자가이식은 뼈 발생 세포뿐만 아니라

뼈의 치료와 재생에 필요한 필수적인 골유도인자(Osteoinductive

Factors)를 제공한다 하지만 자가이식은 언제나 기증자 부족과

기증자의 병적상태에 의존하기 때문에 자가이식의 응용에 많은 한계가

있다 이식이 필요한 환자 수가 기증자 수를 훨씬 넘어서고 있다

새로운 기술개발이 이러한 부족분을 줄이는데 필요하다

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

동종이식과 이종이식

동종이식은 동일한 종족내에 유전적으로 다른 개체사이에 이식된

조직이고 반면에 이종이식은 다른 종족사이에 이식된 조직이다

분명히 동종이식과 이종이식은 질병의 전달과 면역반응 등의 문제를

일으킬 위험성이 아주 높다

금속과 합금 임플란트

이상에서 언급한 자가이식 동종이식 이종이식과 관련된 문제때문에

금 속과 같은 합성물질을 수많은 정형외과 응용분야에서 재료로

사용되어 왔다 하지만 금속과 합금은 실제 뼈처럼 생리학적 역학적

기계적 특성을 나타내지 못하기 때문에 건강한 뼈의 특성을 가지지

못하고 또한 시간에 따른 재형성 및 자가보수 능력이 없다 lt표 2gt는

현재 정형외과 분야에서 사용되고 있는 금속의 물리적 기계적 특성을

나타낸 것이다 분명히 금속은 lt표 1gt에 열거한 실제 뼈보다 훨씬 높은

밀도와 기계적 특성을 가지고 있다

Stainless Steels(SUS316L)은 1926년 처음으로 의료용으로 사용된

금속 재료로 골고정용 강선 나사 또는 고정판으로 사용되었으며

내부식(Less Corrosive) 특성을 가지고 있으며 지금까지도 널리 사용되는

대표적인 금속 임플란트 재료이다

표 2 정형외과용 합금의 기계적 특성(1011)

Tensile strength

(MPa) Elongation ()

Fatigue

strength (MPa)

Youngs

modulus (MPa)

CP Ti 414 18 310-413 100

Ti-6Al-4V 853 10 540-570 100

SUS316L 482 40 262 200

Co-Cr Alloy(casting) 655 8 241-276 200

Co-Cr Alloy(forging) 855 - 379-517 230

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

코발트 크롬 합금(Co-Cr alloy)은 뛰어난 내부식성과 함께 내마모(Less

Abrasive) 특성을 가지고 있기 때문에 인공 고관절이나 슬관절과 같이

생리적 부하와 함께 운동성이 요구되는 조직의 대체물질로 사용되고

있다 그러나 이들 금속은 완전한 비부식(Noncorrosive)성 재료가

아니며 이식 후 체액에 용해되어 유출되는 금속성분에 의해 생체적합성이

좌우될 뿐만 아니라 탄성율도 자연골에 비해 약 10배나 높은 200 GPa에

이르기 때문에 경시적으로 기계적 친화성 부조화에 의한 골조직의 흡수

수축 비대와 같은 좋지 않은 예후를 나타낸다

타이타늄(Titanium Ti)은 이식 후 면역반응을 일으키지 않으면서

골조직과 직접 화학적으로 결합하는 생체활성을 나타낼 뿐만 아니라

부동화(Passivation)시켜 Ti 표면에 형성된 산화막은 금속 ion의 용출을

차단함과 동시에 체액에 의한 부식도 방어하는 특성을 가지고 있고

탄성율도 다른 금속에 비해 약 12에 해당하여 골 탄성율에 상대적으로

가깝다는 장점을 가지고 있다 골유착(Osseointegration)은 체액내에

존재하는 산소 원자가 Ti원자와 화학적으로 반응하여 표면에 Ti

산화막(TiO2)을 형성하면 골조직의 무기질이 그들과 직접 결합 축적되어

신생골을 형성하는 것으로 알려져 있다

금속 임플란트와 생리학적 뼈의 기계적 특성 사이의 차이는

응력차폐(Stress Shield) 문제를 야기시킨다 즉 임플란트 재료가

기계적인 하중에서 회복되는 뼈를 막아서 뼈 주위를 괴사시켜 결국

임플란트 결합을 약화 시킨다 결과적으로 임플란트와 괴사된 뼈조직을

제거해야 하는 복잡한 과정을 유발시킨다 응력차폐뿐만 아니라

불충분한 골유착(Osseointegration)은 임플란트 결합을 약화시키거나

섬유조직의 내부성장을 유발시킨다 이상의 임상적 문제점으로 인하여

생리학적 뼈와 비슷한 구조 특성 및 기능을 가지고 있는 인공뼈

대체물의 개발 중요성이 더욱 부각된다

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 11: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

1110인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

층판골은 하버스계의 중심혈관공급장치를 가진 골원으로 구성되며

골원은 동심원적 고리형태를 갖는데 대략 한 골원에 4 ~ 20 고리로

이루어져 있다 lt그림 5gt는 무층골과 층판골의 구조를 나타내고 있다

뼈의 거시구조(Macrostructure)는 조밀한 피질골과 다공질 해면골로

나뉜다 대퇴골(Femur)과 같은 길이가 긴 뼈의 끝 단면도에서 조밀한

피질골 껍질이 다공질의 해면골 내부를 감싸고 있는 것을 관찰할 수

있다(그림 1) 머리덮개 뼈와 같은 편평골(Flat Bone)은 얇은 해면골를

중심으로 양쪽으로 조밀한 피질골로 둘러싸인 샌드위치 구조를 갖고

있다 해면골은 50~90의 기공도(Porosity)를 가진 3차원 구조의

해면구조를 가지며 기공 직경은 수 mm가 되는 것도 있다 주로

장골(Long Bone)과 입방골(Cuboidal Bone)의 골단(Epiphysis)과

골간단(Metaphysis)에서 발견되는 해면골은 대체로 등방성이며 주로

생리적 하중 하에서 압축력을 받는다 반대로 피질골은 기공도가 30

미만이며 직경이 1mm 미만의 작은 기공으로 이루어져 있다 대퇴골과

경골(Tibia)와 같은 장골의 결단에서 주로 발견되는 조밀한 피질골은

하중축에 따라 보강구조와 함께 높은 이방성 특성을 가지고 있다

일반적으로 해면골이 물질대사적인 측면에서 훨씬 더 활성도가 높고

피질골보다 훨씬 자주 변형되어 결과적으로 피질골보다 평균 더 어린

뼈 이다

그림 5 무층골 및 층판골(45)

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 기계적 특성

피질골은 보통 해면골보다 더 조밀해서 기계적으로 더 강하다 뼈의

종류에 따라 압축강도 탄성계수 파괴인성 인장강도와 같은 기계적

특성을 lt표 1gt에 나타내었다 이러한 기계적 특성은 물론 나이 성별

음식습관 건강상태 및 신체부위에 따라 변한다 전체 뼈의 이방성 비는

보통 종축으로 21 횡축으로 26 정도 된다 병든 뼈는 일반적으로

건강한 뼈 보다 밀도가 낮고 기계적 특성도 낮다

표 1 뼈의 기계적 특성(6-8)

뼈의 재형성과 골세포

뼈를 대체하기 어려운 이유는 뼈의 복잡한 구조뿐만 아니라 동적인

능력때문이다 즉 뼈는 손상을 입었을 때 다시 재생 하거나 하중

환경이 변할 때 변화할 수 있는 동적 능력을 가지고 있다 예를 들어

지속적인 운동을 통해서 뼈의 무게를 증가시켜서 하중으로부터

골절을 견딜 수 있게 한다 그러므로 이와 같이 뼈가 동적 능력에 따라

변화하는 동안 어떻게 골세포가 조정되는지 이해하는 것이 인공뼈

개발에 가장 기본이 되는 것이다

살아있는 기관으로서 뼈는 물리적 활동이나 기계적 하중에

의해서 발생하는 다양한 응력에 따라 뼈의 크기 형태 위치 그리고

특성이 재형성 과정을 통해 평생 동안 변화 할 수 있다 다시 말해

Human boneStrength (MPa) Youngrsquo

s modulus (GPa)

Fracture toughness KIC

(MPa m12)

Tensile strength(MPa)Compressive Bending

Cancellous 2 12 ― 005 05 ― ―

Cortical 100 230 50 150 7 30 2 12 ―

Tibia 159 ― 181 ― 140

Femur 167 ― 172 ― 121

Radius 114 ― 186 ― 149

Humerus 132 ― 172 ― 130

Cervical 10 ― 023 ― 31

Lumbar 5 ― 016 ― 37

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 골재형성 단위(BMU Bone-Remodeling Unit)를 통해 뼈의

재형성 과정을 활성화시킴으로써 과도한 기계적 하중 하에서도

자기보수(Self-Repairing) 능력을 가지고 있다 이 과정에는 3가지

골세포가 관여한다 첫째는 뼈 형성세포인 골모세포(Osteoblast)

둘째는 뼈 유지세포인 골세포(Osteocyte) 그리고 마지막으로 뼈

흡수세포인 파골세포(Osteoclast)이다

lt그림 6gt은 어떻게 골세포가 뼈 재형성 과정에서 작용하는지 나타낸

것이다 파골세포가 오래된 뼈를 흡수하기 위해서 뼈 기질속에 있는

생장인자나 사이토카인 단백질에 의해서 활성화된다 그 후 골모세포가

칼슘을 함유한 광물질을 증착시키기 위해 파골세포와 골세포에 의해서

분비된 인슐린과 같은 생장인자에 의해서 활성화된다 골세포는

인슐린과 같은 생장인자와 조직 생장인자 분비를 통해서 비칼슘 증착과

칼슘 증착 사이를 골모세포 분화를 통해서 새로운 뼈 생성을 조절하게

된다

골모세포(Osteoblast)

골모세포는 평균 직경이 10 ~ 50 μm로 골막(Periosteal)과

골내막(Endosteal) 표면에 위치하여 새로운 뼈 합성에 관여한다

초기 이식물질이 뼈 표면에 접착되면 골모세포가 활발하게

증식하고 콜라겐 비트로넥틴(Vitronectin 세포접착성 당단백질)

그림 6 골재형성 과정 도식도(9)

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

및 섬유결합소(Fibronectin)를 유발하는 유전자를 발산한다

증식의 마지막 단계에 세포외기질의 발달과 성숙이 시작되며

골모세포가 비칼슘세포에서 칼슘세포로 분화가 시작된다 알칼리성

인산가수분해효소(ALP Alkaline Phosphatase) 활성도와

mRNA 발산이 열배로 증가한다 광물질화 과정이 시작되고 이에

광물질 소결절이 생성됨에 따라 골모세포가 합성되며 BSP(Bone

Sialoprotein) 및 칼슘과 결합된다 백질인 오스테오칼신(Osteocalcin)

및 다른 기질 단백질을 증착하게 된다 오스테오칼신은 HA와

상호작용하여 골모세포에 의한 뼈의 재흡수와 골모세포골세포에 의한

골형성 사이를 연결하고 조절하게 된다

골세포(Osteocyte)

골세포는 광물화된 뼈 기질에 묻혀있는 성숙한 골모세포이며

동시에 새로운 뼈 합성에 기여하지만 골모세포 만큼은 되지 않는다

골세포와 골모세포 사이의 가장 기본적인 차이는 뼈 속에서 상대적인

위치 차이이다 골세포는 골원의 중심부 내강 주위와 판층 사이에서

동심원적으로 배열되어 있다 또한 골세포는 주위의 다른 골세포와

함께 작은 소관(Canaliculi)을 통해서 접촉하고 의사소통할 수 있는

상당히 긴 가지를 가지고 있다 이와 같이 3차원적으로 함께 섞인

구조로 인해서 골세포는 조직내의 생리학적 응력과 변형신호에

민감하게 반응하며 새로운 뼈를 증착하는 골모세포의 활동도와 오래된

뼈를 녹이는 파골세포의 활동도를 조절하도록 돕는다

파골세포(Osteoclast)

파골세포는 골수(Bone Marrow)의 분화세포에서 나와서 하우쉽소강(Howshiplsquos

Lacunae)이라는 침식공간의 뼈 재흡수 영역에 존재한다 파골세포는 주로 뼈

재흡수에 관여하며 직경이 100 μm로 세포당 100개까지 파골세포핵을 가진다

파골세포가 뼈를 녹이기 위해서 분열된 뼈 사이를 쓸어내는 동안 표면적을 늘리기

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

위해서 물결 모양의 세모막 가장자리를 형성한다 그후 파골세포는 주석산염

저항산성인산분해효소(TRAP Tartrate-Resistant Acid Phosphatase)를

형성하여 탄산 무수화효소(Carbonic Anhydrase)를 통해 수소이온을

방출하게 되어 국부적인 pH를 낮추게 된다

낮아진 pH는 HA 결정의 용해도를 증가시키고 뼈 기질의 유기물

성분이 마지막으로 산성 단백질 가수분해에 의해서 제거되게 된다

임플란트 표면에서 일어나는 뼈의 재형성 정도에 따라서 보철장치의

수명이 정해진다 예를 들어 임플란트의 헐거워짐이나 실패는 임플란트

주위 뼈의 재형성이 거의 일어나지 않아서 결국 영양불량의 뼈가

되거나 뼈 주위에 너무 많은 뼈의 재형성이 일어나 극단적인 뼈

재흡수나 골용해(Osteolysis)를 유발할 수 있다

현재 사용되는 뼈 대체물의 문제점

전통적으로 자가이식(Autografts) 동종이식(Allografts)

이종이식(Xenografts) 및 금속 임플란트가 뼈 골절과 손상부를

치료하는데 이용되어 왔다 하지만 이와 같은 뼈 대체물은 각각 특정한

문제점과 한계점들을 가지고 있다

자가이식

자가이식은 골격의 한 부분을 제거하여 동일인의 다른 부위에 옮긴

조직이다 일반적으로 환자의 장골에서 해면골 형태로 축출하지만

피질골도 사용된다 역사적으로 자가이식은 뼈 발생 세포뿐만 아니라

뼈의 치료와 재생에 필요한 필수적인 골유도인자(Osteoinductive

Factors)를 제공한다 하지만 자가이식은 언제나 기증자 부족과

기증자의 병적상태에 의존하기 때문에 자가이식의 응용에 많은 한계가

있다 이식이 필요한 환자 수가 기증자 수를 훨씬 넘어서고 있다

새로운 기술개발이 이러한 부족분을 줄이는데 필요하다

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

동종이식과 이종이식

동종이식은 동일한 종족내에 유전적으로 다른 개체사이에 이식된

조직이고 반면에 이종이식은 다른 종족사이에 이식된 조직이다

분명히 동종이식과 이종이식은 질병의 전달과 면역반응 등의 문제를

일으킬 위험성이 아주 높다

금속과 합금 임플란트

이상에서 언급한 자가이식 동종이식 이종이식과 관련된 문제때문에

금 속과 같은 합성물질을 수많은 정형외과 응용분야에서 재료로

사용되어 왔다 하지만 금속과 합금은 실제 뼈처럼 생리학적 역학적

기계적 특성을 나타내지 못하기 때문에 건강한 뼈의 특성을 가지지

못하고 또한 시간에 따른 재형성 및 자가보수 능력이 없다 lt표 2gt는

현재 정형외과 분야에서 사용되고 있는 금속의 물리적 기계적 특성을

나타낸 것이다 분명히 금속은 lt표 1gt에 열거한 실제 뼈보다 훨씬 높은

밀도와 기계적 특성을 가지고 있다

Stainless Steels(SUS316L)은 1926년 처음으로 의료용으로 사용된

금속 재료로 골고정용 강선 나사 또는 고정판으로 사용되었으며

내부식(Less Corrosive) 특성을 가지고 있으며 지금까지도 널리 사용되는

대표적인 금속 임플란트 재료이다

표 2 정형외과용 합금의 기계적 특성(1011)

Tensile strength

(MPa) Elongation ()

Fatigue

strength (MPa)

Youngs

modulus (MPa)

CP Ti 414 18 310-413 100

Ti-6Al-4V 853 10 540-570 100

SUS316L 482 40 262 200

Co-Cr Alloy(casting) 655 8 241-276 200

Co-Cr Alloy(forging) 855 - 379-517 230

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

코발트 크롬 합금(Co-Cr alloy)은 뛰어난 내부식성과 함께 내마모(Less

Abrasive) 특성을 가지고 있기 때문에 인공 고관절이나 슬관절과 같이

생리적 부하와 함께 운동성이 요구되는 조직의 대체물질로 사용되고

있다 그러나 이들 금속은 완전한 비부식(Noncorrosive)성 재료가

아니며 이식 후 체액에 용해되어 유출되는 금속성분에 의해 생체적합성이

좌우될 뿐만 아니라 탄성율도 자연골에 비해 약 10배나 높은 200 GPa에

이르기 때문에 경시적으로 기계적 친화성 부조화에 의한 골조직의 흡수

수축 비대와 같은 좋지 않은 예후를 나타낸다

타이타늄(Titanium Ti)은 이식 후 면역반응을 일으키지 않으면서

골조직과 직접 화학적으로 결합하는 생체활성을 나타낼 뿐만 아니라

부동화(Passivation)시켜 Ti 표면에 형성된 산화막은 금속 ion의 용출을

차단함과 동시에 체액에 의한 부식도 방어하는 특성을 가지고 있고

탄성율도 다른 금속에 비해 약 12에 해당하여 골 탄성율에 상대적으로

가깝다는 장점을 가지고 있다 골유착(Osseointegration)은 체액내에

존재하는 산소 원자가 Ti원자와 화학적으로 반응하여 표면에 Ti

산화막(TiO2)을 형성하면 골조직의 무기질이 그들과 직접 결합 축적되어

신생골을 형성하는 것으로 알려져 있다

금속 임플란트와 생리학적 뼈의 기계적 특성 사이의 차이는

응력차폐(Stress Shield) 문제를 야기시킨다 즉 임플란트 재료가

기계적인 하중에서 회복되는 뼈를 막아서 뼈 주위를 괴사시켜 결국

임플란트 결합을 약화 시킨다 결과적으로 임플란트와 괴사된 뼈조직을

제거해야 하는 복잡한 과정을 유발시킨다 응력차폐뿐만 아니라

불충분한 골유착(Osseointegration)은 임플란트 결합을 약화시키거나

섬유조직의 내부성장을 유발시킨다 이상의 임상적 문제점으로 인하여

생리학적 뼈와 비슷한 구조 특성 및 기능을 가지고 있는 인공뼈

대체물의 개발 중요성이 더욱 부각된다

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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Page 12: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈의 기계적 특성

피질골은 보통 해면골보다 더 조밀해서 기계적으로 더 강하다 뼈의

종류에 따라 압축강도 탄성계수 파괴인성 인장강도와 같은 기계적

특성을 lt표 1gt에 나타내었다 이러한 기계적 특성은 물론 나이 성별

음식습관 건강상태 및 신체부위에 따라 변한다 전체 뼈의 이방성 비는

보통 종축으로 21 횡축으로 26 정도 된다 병든 뼈는 일반적으로

건강한 뼈 보다 밀도가 낮고 기계적 특성도 낮다

표 1 뼈의 기계적 특성(6-8)

뼈의 재형성과 골세포

뼈를 대체하기 어려운 이유는 뼈의 복잡한 구조뿐만 아니라 동적인

능력때문이다 즉 뼈는 손상을 입었을 때 다시 재생 하거나 하중

환경이 변할 때 변화할 수 있는 동적 능력을 가지고 있다 예를 들어

지속적인 운동을 통해서 뼈의 무게를 증가시켜서 하중으로부터

골절을 견딜 수 있게 한다 그러므로 이와 같이 뼈가 동적 능력에 따라

변화하는 동안 어떻게 골세포가 조정되는지 이해하는 것이 인공뼈

개발에 가장 기본이 되는 것이다

살아있는 기관으로서 뼈는 물리적 활동이나 기계적 하중에

의해서 발생하는 다양한 응력에 따라 뼈의 크기 형태 위치 그리고

특성이 재형성 과정을 통해 평생 동안 변화 할 수 있다 다시 말해

Human boneStrength (MPa) Youngrsquo

s modulus (GPa)

Fracture toughness KIC

(MPa m12)

Tensile strength(MPa)Compressive Bending

Cancellous 2 12 ― 005 05 ― ―

Cortical 100 230 50 150 7 30 2 12 ―

Tibia 159 ― 181 ― 140

Femur 167 ― 172 ― 121

Radius 114 ― 186 ― 149

Humerus 132 ― 172 ― 130

Cervical 10 ― 023 ― 31

Lumbar 5 ― 016 ― 37

1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 골재형성 단위(BMU Bone-Remodeling Unit)를 통해 뼈의

재형성 과정을 활성화시킴으로써 과도한 기계적 하중 하에서도

자기보수(Self-Repairing) 능력을 가지고 있다 이 과정에는 3가지

골세포가 관여한다 첫째는 뼈 형성세포인 골모세포(Osteoblast)

둘째는 뼈 유지세포인 골세포(Osteocyte) 그리고 마지막으로 뼈

흡수세포인 파골세포(Osteoclast)이다

lt그림 6gt은 어떻게 골세포가 뼈 재형성 과정에서 작용하는지 나타낸

것이다 파골세포가 오래된 뼈를 흡수하기 위해서 뼈 기질속에 있는

생장인자나 사이토카인 단백질에 의해서 활성화된다 그 후 골모세포가

칼슘을 함유한 광물질을 증착시키기 위해 파골세포와 골세포에 의해서

분비된 인슐린과 같은 생장인자에 의해서 활성화된다 골세포는

인슐린과 같은 생장인자와 조직 생장인자 분비를 통해서 비칼슘 증착과

칼슘 증착 사이를 골모세포 분화를 통해서 새로운 뼈 생성을 조절하게

된다

골모세포(Osteoblast)

골모세포는 평균 직경이 10 ~ 50 μm로 골막(Periosteal)과

골내막(Endosteal) 표면에 위치하여 새로운 뼈 합성에 관여한다

초기 이식물질이 뼈 표면에 접착되면 골모세포가 활발하게

증식하고 콜라겐 비트로넥틴(Vitronectin 세포접착성 당단백질)

그림 6 골재형성 과정 도식도(9)

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

및 섬유결합소(Fibronectin)를 유발하는 유전자를 발산한다

증식의 마지막 단계에 세포외기질의 발달과 성숙이 시작되며

골모세포가 비칼슘세포에서 칼슘세포로 분화가 시작된다 알칼리성

인산가수분해효소(ALP Alkaline Phosphatase) 활성도와

mRNA 발산이 열배로 증가한다 광물질화 과정이 시작되고 이에

광물질 소결절이 생성됨에 따라 골모세포가 합성되며 BSP(Bone

Sialoprotein) 및 칼슘과 결합된다 백질인 오스테오칼신(Osteocalcin)

및 다른 기질 단백질을 증착하게 된다 오스테오칼신은 HA와

상호작용하여 골모세포에 의한 뼈의 재흡수와 골모세포골세포에 의한

골형성 사이를 연결하고 조절하게 된다

골세포(Osteocyte)

골세포는 광물화된 뼈 기질에 묻혀있는 성숙한 골모세포이며

동시에 새로운 뼈 합성에 기여하지만 골모세포 만큼은 되지 않는다

골세포와 골모세포 사이의 가장 기본적인 차이는 뼈 속에서 상대적인

위치 차이이다 골세포는 골원의 중심부 내강 주위와 판층 사이에서

동심원적으로 배열되어 있다 또한 골세포는 주위의 다른 골세포와

함께 작은 소관(Canaliculi)을 통해서 접촉하고 의사소통할 수 있는

상당히 긴 가지를 가지고 있다 이와 같이 3차원적으로 함께 섞인

구조로 인해서 골세포는 조직내의 생리학적 응력과 변형신호에

민감하게 반응하며 새로운 뼈를 증착하는 골모세포의 활동도와 오래된

뼈를 녹이는 파골세포의 활동도를 조절하도록 돕는다

파골세포(Osteoclast)

파골세포는 골수(Bone Marrow)의 분화세포에서 나와서 하우쉽소강(Howshiplsquos

Lacunae)이라는 침식공간의 뼈 재흡수 영역에 존재한다 파골세포는 주로 뼈

재흡수에 관여하며 직경이 100 μm로 세포당 100개까지 파골세포핵을 가진다

파골세포가 뼈를 녹이기 위해서 분열된 뼈 사이를 쓸어내는 동안 표면적을 늘리기

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

위해서 물결 모양의 세모막 가장자리를 형성한다 그후 파골세포는 주석산염

저항산성인산분해효소(TRAP Tartrate-Resistant Acid Phosphatase)를

형성하여 탄산 무수화효소(Carbonic Anhydrase)를 통해 수소이온을

방출하게 되어 국부적인 pH를 낮추게 된다

낮아진 pH는 HA 결정의 용해도를 증가시키고 뼈 기질의 유기물

성분이 마지막으로 산성 단백질 가수분해에 의해서 제거되게 된다

임플란트 표면에서 일어나는 뼈의 재형성 정도에 따라서 보철장치의

수명이 정해진다 예를 들어 임플란트의 헐거워짐이나 실패는 임플란트

주위 뼈의 재형성이 거의 일어나지 않아서 결국 영양불량의 뼈가

되거나 뼈 주위에 너무 많은 뼈의 재형성이 일어나 극단적인 뼈

재흡수나 골용해(Osteolysis)를 유발할 수 있다

현재 사용되는 뼈 대체물의 문제점

전통적으로 자가이식(Autografts) 동종이식(Allografts)

이종이식(Xenografts) 및 금속 임플란트가 뼈 골절과 손상부를

치료하는데 이용되어 왔다 하지만 이와 같은 뼈 대체물은 각각 특정한

문제점과 한계점들을 가지고 있다

자가이식

자가이식은 골격의 한 부분을 제거하여 동일인의 다른 부위에 옮긴

조직이다 일반적으로 환자의 장골에서 해면골 형태로 축출하지만

피질골도 사용된다 역사적으로 자가이식은 뼈 발생 세포뿐만 아니라

뼈의 치료와 재생에 필요한 필수적인 골유도인자(Osteoinductive

Factors)를 제공한다 하지만 자가이식은 언제나 기증자 부족과

기증자의 병적상태에 의존하기 때문에 자가이식의 응용에 많은 한계가

있다 이식이 필요한 환자 수가 기증자 수를 훨씬 넘어서고 있다

새로운 기술개발이 이러한 부족분을 줄이는데 필요하다

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

동종이식과 이종이식

동종이식은 동일한 종족내에 유전적으로 다른 개체사이에 이식된

조직이고 반면에 이종이식은 다른 종족사이에 이식된 조직이다

분명히 동종이식과 이종이식은 질병의 전달과 면역반응 등의 문제를

일으킬 위험성이 아주 높다

금속과 합금 임플란트

이상에서 언급한 자가이식 동종이식 이종이식과 관련된 문제때문에

금 속과 같은 합성물질을 수많은 정형외과 응용분야에서 재료로

사용되어 왔다 하지만 금속과 합금은 실제 뼈처럼 생리학적 역학적

기계적 특성을 나타내지 못하기 때문에 건강한 뼈의 특성을 가지지

못하고 또한 시간에 따른 재형성 및 자가보수 능력이 없다 lt표 2gt는

현재 정형외과 분야에서 사용되고 있는 금속의 물리적 기계적 특성을

나타낸 것이다 분명히 금속은 lt표 1gt에 열거한 실제 뼈보다 훨씬 높은

밀도와 기계적 특성을 가지고 있다

Stainless Steels(SUS316L)은 1926년 처음으로 의료용으로 사용된

금속 재료로 골고정용 강선 나사 또는 고정판으로 사용되었으며

내부식(Less Corrosive) 특성을 가지고 있으며 지금까지도 널리 사용되는

대표적인 금속 임플란트 재료이다

표 2 정형외과용 합금의 기계적 특성(1011)

Tensile strength

(MPa) Elongation ()

Fatigue

strength (MPa)

Youngs

modulus (MPa)

CP Ti 414 18 310-413 100

Ti-6Al-4V 853 10 540-570 100

SUS316L 482 40 262 200

Co-Cr Alloy(casting) 655 8 241-276 200

Co-Cr Alloy(forging) 855 - 379-517 230

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

코발트 크롬 합금(Co-Cr alloy)은 뛰어난 내부식성과 함께 내마모(Less

Abrasive) 특성을 가지고 있기 때문에 인공 고관절이나 슬관절과 같이

생리적 부하와 함께 운동성이 요구되는 조직의 대체물질로 사용되고

있다 그러나 이들 금속은 완전한 비부식(Noncorrosive)성 재료가

아니며 이식 후 체액에 용해되어 유출되는 금속성분에 의해 생체적합성이

좌우될 뿐만 아니라 탄성율도 자연골에 비해 약 10배나 높은 200 GPa에

이르기 때문에 경시적으로 기계적 친화성 부조화에 의한 골조직의 흡수

수축 비대와 같은 좋지 않은 예후를 나타낸다

타이타늄(Titanium Ti)은 이식 후 면역반응을 일으키지 않으면서

골조직과 직접 화학적으로 결합하는 생체활성을 나타낼 뿐만 아니라

부동화(Passivation)시켜 Ti 표면에 형성된 산화막은 금속 ion의 용출을

차단함과 동시에 체액에 의한 부식도 방어하는 특성을 가지고 있고

탄성율도 다른 금속에 비해 약 12에 해당하여 골 탄성율에 상대적으로

가깝다는 장점을 가지고 있다 골유착(Osseointegration)은 체액내에

존재하는 산소 원자가 Ti원자와 화학적으로 반응하여 표면에 Ti

산화막(TiO2)을 형성하면 골조직의 무기질이 그들과 직접 결합 축적되어

신생골을 형성하는 것으로 알려져 있다

금속 임플란트와 생리학적 뼈의 기계적 특성 사이의 차이는

응력차폐(Stress Shield) 문제를 야기시킨다 즉 임플란트 재료가

기계적인 하중에서 회복되는 뼈를 막아서 뼈 주위를 괴사시켜 결국

임플란트 결합을 약화 시킨다 결과적으로 임플란트와 괴사된 뼈조직을

제거해야 하는 복잡한 과정을 유발시킨다 응력차폐뿐만 아니라

불충분한 골유착(Osseointegration)은 임플란트 결합을 약화시키거나

섬유조직의 내부성장을 유발시킨다 이상의 임상적 문제점으로 인하여

생리학적 뼈와 비슷한 구조 특성 및 기능을 가지고 있는 인공뼈

대체물의 개발 중요성이 더욱 부각된다

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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1312인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈는 골재형성 단위(BMU Bone-Remodeling Unit)를 통해 뼈의

재형성 과정을 활성화시킴으로써 과도한 기계적 하중 하에서도

자기보수(Self-Repairing) 능력을 가지고 있다 이 과정에는 3가지

골세포가 관여한다 첫째는 뼈 형성세포인 골모세포(Osteoblast)

둘째는 뼈 유지세포인 골세포(Osteocyte) 그리고 마지막으로 뼈

흡수세포인 파골세포(Osteoclast)이다

lt그림 6gt은 어떻게 골세포가 뼈 재형성 과정에서 작용하는지 나타낸

것이다 파골세포가 오래된 뼈를 흡수하기 위해서 뼈 기질속에 있는

생장인자나 사이토카인 단백질에 의해서 활성화된다 그 후 골모세포가

칼슘을 함유한 광물질을 증착시키기 위해 파골세포와 골세포에 의해서

분비된 인슐린과 같은 생장인자에 의해서 활성화된다 골세포는

인슐린과 같은 생장인자와 조직 생장인자 분비를 통해서 비칼슘 증착과

칼슘 증착 사이를 골모세포 분화를 통해서 새로운 뼈 생성을 조절하게

된다

골모세포(Osteoblast)

골모세포는 평균 직경이 10 ~ 50 μm로 골막(Periosteal)과

골내막(Endosteal) 표면에 위치하여 새로운 뼈 합성에 관여한다

초기 이식물질이 뼈 표면에 접착되면 골모세포가 활발하게

증식하고 콜라겐 비트로넥틴(Vitronectin 세포접착성 당단백질)

그림 6 골재형성 과정 도식도(9)

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

및 섬유결합소(Fibronectin)를 유발하는 유전자를 발산한다

증식의 마지막 단계에 세포외기질의 발달과 성숙이 시작되며

골모세포가 비칼슘세포에서 칼슘세포로 분화가 시작된다 알칼리성

인산가수분해효소(ALP Alkaline Phosphatase) 활성도와

mRNA 발산이 열배로 증가한다 광물질화 과정이 시작되고 이에

광물질 소결절이 생성됨에 따라 골모세포가 합성되며 BSP(Bone

Sialoprotein) 및 칼슘과 결합된다 백질인 오스테오칼신(Osteocalcin)

및 다른 기질 단백질을 증착하게 된다 오스테오칼신은 HA와

상호작용하여 골모세포에 의한 뼈의 재흡수와 골모세포골세포에 의한

골형성 사이를 연결하고 조절하게 된다

골세포(Osteocyte)

골세포는 광물화된 뼈 기질에 묻혀있는 성숙한 골모세포이며

동시에 새로운 뼈 합성에 기여하지만 골모세포 만큼은 되지 않는다

골세포와 골모세포 사이의 가장 기본적인 차이는 뼈 속에서 상대적인

위치 차이이다 골세포는 골원의 중심부 내강 주위와 판층 사이에서

동심원적으로 배열되어 있다 또한 골세포는 주위의 다른 골세포와

함께 작은 소관(Canaliculi)을 통해서 접촉하고 의사소통할 수 있는

상당히 긴 가지를 가지고 있다 이와 같이 3차원적으로 함께 섞인

구조로 인해서 골세포는 조직내의 생리학적 응력과 변형신호에

민감하게 반응하며 새로운 뼈를 증착하는 골모세포의 활동도와 오래된

뼈를 녹이는 파골세포의 활동도를 조절하도록 돕는다

파골세포(Osteoclast)

파골세포는 골수(Bone Marrow)의 분화세포에서 나와서 하우쉽소강(Howshiplsquos

Lacunae)이라는 침식공간의 뼈 재흡수 영역에 존재한다 파골세포는 주로 뼈

재흡수에 관여하며 직경이 100 μm로 세포당 100개까지 파골세포핵을 가진다

파골세포가 뼈를 녹이기 위해서 분열된 뼈 사이를 쓸어내는 동안 표면적을 늘리기

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

위해서 물결 모양의 세모막 가장자리를 형성한다 그후 파골세포는 주석산염

저항산성인산분해효소(TRAP Tartrate-Resistant Acid Phosphatase)를

형성하여 탄산 무수화효소(Carbonic Anhydrase)를 통해 수소이온을

방출하게 되어 국부적인 pH를 낮추게 된다

낮아진 pH는 HA 결정의 용해도를 증가시키고 뼈 기질의 유기물

성분이 마지막으로 산성 단백질 가수분해에 의해서 제거되게 된다

임플란트 표면에서 일어나는 뼈의 재형성 정도에 따라서 보철장치의

수명이 정해진다 예를 들어 임플란트의 헐거워짐이나 실패는 임플란트

주위 뼈의 재형성이 거의 일어나지 않아서 결국 영양불량의 뼈가

되거나 뼈 주위에 너무 많은 뼈의 재형성이 일어나 극단적인 뼈

재흡수나 골용해(Osteolysis)를 유발할 수 있다

현재 사용되는 뼈 대체물의 문제점

전통적으로 자가이식(Autografts) 동종이식(Allografts)

이종이식(Xenografts) 및 금속 임플란트가 뼈 골절과 손상부를

치료하는데 이용되어 왔다 하지만 이와 같은 뼈 대체물은 각각 특정한

문제점과 한계점들을 가지고 있다

자가이식

자가이식은 골격의 한 부분을 제거하여 동일인의 다른 부위에 옮긴

조직이다 일반적으로 환자의 장골에서 해면골 형태로 축출하지만

피질골도 사용된다 역사적으로 자가이식은 뼈 발생 세포뿐만 아니라

뼈의 치료와 재생에 필요한 필수적인 골유도인자(Osteoinductive

Factors)를 제공한다 하지만 자가이식은 언제나 기증자 부족과

기증자의 병적상태에 의존하기 때문에 자가이식의 응용에 많은 한계가

있다 이식이 필요한 환자 수가 기증자 수를 훨씬 넘어서고 있다

새로운 기술개발이 이러한 부족분을 줄이는데 필요하다

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

동종이식과 이종이식

동종이식은 동일한 종족내에 유전적으로 다른 개체사이에 이식된

조직이고 반면에 이종이식은 다른 종족사이에 이식된 조직이다

분명히 동종이식과 이종이식은 질병의 전달과 면역반응 등의 문제를

일으킬 위험성이 아주 높다

금속과 합금 임플란트

이상에서 언급한 자가이식 동종이식 이종이식과 관련된 문제때문에

금 속과 같은 합성물질을 수많은 정형외과 응용분야에서 재료로

사용되어 왔다 하지만 금속과 합금은 실제 뼈처럼 생리학적 역학적

기계적 특성을 나타내지 못하기 때문에 건강한 뼈의 특성을 가지지

못하고 또한 시간에 따른 재형성 및 자가보수 능력이 없다 lt표 2gt는

현재 정형외과 분야에서 사용되고 있는 금속의 물리적 기계적 특성을

나타낸 것이다 분명히 금속은 lt표 1gt에 열거한 실제 뼈보다 훨씬 높은

밀도와 기계적 특성을 가지고 있다

Stainless Steels(SUS316L)은 1926년 처음으로 의료용으로 사용된

금속 재료로 골고정용 강선 나사 또는 고정판으로 사용되었으며

내부식(Less Corrosive) 특성을 가지고 있으며 지금까지도 널리 사용되는

대표적인 금속 임플란트 재료이다

표 2 정형외과용 합금의 기계적 특성(1011)

Tensile strength

(MPa) Elongation ()

Fatigue

strength (MPa)

Youngs

modulus (MPa)

CP Ti 414 18 310-413 100

Ti-6Al-4V 853 10 540-570 100

SUS316L 482 40 262 200

Co-Cr Alloy(casting) 655 8 241-276 200

Co-Cr Alloy(forging) 855 - 379-517 230

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

코발트 크롬 합금(Co-Cr alloy)은 뛰어난 내부식성과 함께 내마모(Less

Abrasive) 특성을 가지고 있기 때문에 인공 고관절이나 슬관절과 같이

생리적 부하와 함께 운동성이 요구되는 조직의 대체물질로 사용되고

있다 그러나 이들 금속은 완전한 비부식(Noncorrosive)성 재료가

아니며 이식 후 체액에 용해되어 유출되는 금속성분에 의해 생체적합성이

좌우될 뿐만 아니라 탄성율도 자연골에 비해 약 10배나 높은 200 GPa에

이르기 때문에 경시적으로 기계적 친화성 부조화에 의한 골조직의 흡수

수축 비대와 같은 좋지 않은 예후를 나타낸다

타이타늄(Titanium Ti)은 이식 후 면역반응을 일으키지 않으면서

골조직과 직접 화학적으로 결합하는 생체활성을 나타낼 뿐만 아니라

부동화(Passivation)시켜 Ti 표면에 형성된 산화막은 금속 ion의 용출을

차단함과 동시에 체액에 의한 부식도 방어하는 특성을 가지고 있고

탄성율도 다른 금속에 비해 약 12에 해당하여 골 탄성율에 상대적으로

가깝다는 장점을 가지고 있다 골유착(Osseointegration)은 체액내에

존재하는 산소 원자가 Ti원자와 화학적으로 반응하여 표면에 Ti

산화막(TiO2)을 형성하면 골조직의 무기질이 그들과 직접 결합 축적되어

신생골을 형성하는 것으로 알려져 있다

금속 임플란트와 생리학적 뼈의 기계적 특성 사이의 차이는

응력차폐(Stress Shield) 문제를 야기시킨다 즉 임플란트 재료가

기계적인 하중에서 회복되는 뼈를 막아서 뼈 주위를 괴사시켜 결국

임플란트 결합을 약화 시킨다 결과적으로 임플란트와 괴사된 뼈조직을

제거해야 하는 복잡한 과정을 유발시킨다 응력차폐뿐만 아니라

불충분한 골유착(Osseointegration)은 임플란트 결합을 약화시키거나

섬유조직의 내부성장을 유발시킨다 이상의 임상적 문제점으로 인하여

생리학적 뼈와 비슷한 구조 특성 및 기능을 가지고 있는 인공뼈

대체물의 개발 중요성이 더욱 부각된다

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

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5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

및 섬유결합소(Fibronectin)를 유발하는 유전자를 발산한다

증식의 마지막 단계에 세포외기질의 발달과 성숙이 시작되며

골모세포가 비칼슘세포에서 칼슘세포로 분화가 시작된다 알칼리성

인산가수분해효소(ALP Alkaline Phosphatase) 활성도와

mRNA 발산이 열배로 증가한다 광물질화 과정이 시작되고 이에

광물질 소결절이 생성됨에 따라 골모세포가 합성되며 BSP(Bone

Sialoprotein) 및 칼슘과 결합된다 백질인 오스테오칼신(Osteocalcin)

및 다른 기질 단백질을 증착하게 된다 오스테오칼신은 HA와

상호작용하여 골모세포에 의한 뼈의 재흡수와 골모세포골세포에 의한

골형성 사이를 연결하고 조절하게 된다

골세포(Osteocyte)

골세포는 광물화된 뼈 기질에 묻혀있는 성숙한 골모세포이며

동시에 새로운 뼈 합성에 기여하지만 골모세포 만큼은 되지 않는다

골세포와 골모세포 사이의 가장 기본적인 차이는 뼈 속에서 상대적인

위치 차이이다 골세포는 골원의 중심부 내강 주위와 판층 사이에서

동심원적으로 배열되어 있다 또한 골세포는 주위의 다른 골세포와

함께 작은 소관(Canaliculi)을 통해서 접촉하고 의사소통할 수 있는

상당히 긴 가지를 가지고 있다 이와 같이 3차원적으로 함께 섞인

구조로 인해서 골세포는 조직내의 생리학적 응력과 변형신호에

민감하게 반응하며 새로운 뼈를 증착하는 골모세포의 활동도와 오래된

뼈를 녹이는 파골세포의 활동도를 조절하도록 돕는다

파골세포(Osteoclast)

파골세포는 골수(Bone Marrow)의 분화세포에서 나와서 하우쉽소강(Howshiplsquos

Lacunae)이라는 침식공간의 뼈 재흡수 영역에 존재한다 파골세포는 주로 뼈

재흡수에 관여하며 직경이 100 μm로 세포당 100개까지 파골세포핵을 가진다

파골세포가 뼈를 녹이기 위해서 분열된 뼈 사이를 쓸어내는 동안 표면적을 늘리기

1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

위해서 물결 모양의 세모막 가장자리를 형성한다 그후 파골세포는 주석산염

저항산성인산분해효소(TRAP Tartrate-Resistant Acid Phosphatase)를

형성하여 탄산 무수화효소(Carbonic Anhydrase)를 통해 수소이온을

방출하게 되어 국부적인 pH를 낮추게 된다

낮아진 pH는 HA 결정의 용해도를 증가시키고 뼈 기질의 유기물

성분이 마지막으로 산성 단백질 가수분해에 의해서 제거되게 된다

임플란트 표면에서 일어나는 뼈의 재형성 정도에 따라서 보철장치의

수명이 정해진다 예를 들어 임플란트의 헐거워짐이나 실패는 임플란트

주위 뼈의 재형성이 거의 일어나지 않아서 결국 영양불량의 뼈가

되거나 뼈 주위에 너무 많은 뼈의 재형성이 일어나 극단적인 뼈

재흡수나 골용해(Osteolysis)를 유발할 수 있다

현재 사용되는 뼈 대체물의 문제점

전통적으로 자가이식(Autografts) 동종이식(Allografts)

이종이식(Xenografts) 및 금속 임플란트가 뼈 골절과 손상부를

치료하는데 이용되어 왔다 하지만 이와 같은 뼈 대체물은 각각 특정한

문제점과 한계점들을 가지고 있다

자가이식

자가이식은 골격의 한 부분을 제거하여 동일인의 다른 부위에 옮긴

조직이다 일반적으로 환자의 장골에서 해면골 형태로 축출하지만

피질골도 사용된다 역사적으로 자가이식은 뼈 발생 세포뿐만 아니라

뼈의 치료와 재생에 필요한 필수적인 골유도인자(Osteoinductive

Factors)를 제공한다 하지만 자가이식은 언제나 기증자 부족과

기증자의 병적상태에 의존하기 때문에 자가이식의 응용에 많은 한계가

있다 이식이 필요한 환자 수가 기증자 수를 훨씬 넘어서고 있다

새로운 기술개발이 이러한 부족분을 줄이는데 필요하다

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

동종이식과 이종이식

동종이식은 동일한 종족내에 유전적으로 다른 개체사이에 이식된

조직이고 반면에 이종이식은 다른 종족사이에 이식된 조직이다

분명히 동종이식과 이종이식은 질병의 전달과 면역반응 등의 문제를

일으킬 위험성이 아주 높다

금속과 합금 임플란트

이상에서 언급한 자가이식 동종이식 이종이식과 관련된 문제때문에

금 속과 같은 합성물질을 수많은 정형외과 응용분야에서 재료로

사용되어 왔다 하지만 금속과 합금은 실제 뼈처럼 생리학적 역학적

기계적 특성을 나타내지 못하기 때문에 건강한 뼈의 특성을 가지지

못하고 또한 시간에 따른 재형성 및 자가보수 능력이 없다 lt표 2gt는

현재 정형외과 분야에서 사용되고 있는 금속의 물리적 기계적 특성을

나타낸 것이다 분명히 금속은 lt표 1gt에 열거한 실제 뼈보다 훨씬 높은

밀도와 기계적 특성을 가지고 있다

Stainless Steels(SUS316L)은 1926년 처음으로 의료용으로 사용된

금속 재료로 골고정용 강선 나사 또는 고정판으로 사용되었으며

내부식(Less Corrosive) 특성을 가지고 있으며 지금까지도 널리 사용되는

대표적인 금속 임플란트 재료이다

표 2 정형외과용 합금의 기계적 특성(1011)

Tensile strength

(MPa) Elongation ()

Fatigue

strength (MPa)

Youngs

modulus (MPa)

CP Ti 414 18 310-413 100

Ti-6Al-4V 853 10 540-570 100

SUS316L 482 40 262 200

Co-Cr Alloy(casting) 655 8 241-276 200

Co-Cr Alloy(forging) 855 - 379-517 230

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

코발트 크롬 합금(Co-Cr alloy)은 뛰어난 내부식성과 함께 내마모(Less

Abrasive) 특성을 가지고 있기 때문에 인공 고관절이나 슬관절과 같이

생리적 부하와 함께 운동성이 요구되는 조직의 대체물질로 사용되고

있다 그러나 이들 금속은 완전한 비부식(Noncorrosive)성 재료가

아니며 이식 후 체액에 용해되어 유출되는 금속성분에 의해 생체적합성이

좌우될 뿐만 아니라 탄성율도 자연골에 비해 약 10배나 높은 200 GPa에

이르기 때문에 경시적으로 기계적 친화성 부조화에 의한 골조직의 흡수

수축 비대와 같은 좋지 않은 예후를 나타낸다

타이타늄(Titanium Ti)은 이식 후 면역반응을 일으키지 않으면서

골조직과 직접 화학적으로 결합하는 생체활성을 나타낼 뿐만 아니라

부동화(Passivation)시켜 Ti 표면에 형성된 산화막은 금속 ion의 용출을

차단함과 동시에 체액에 의한 부식도 방어하는 특성을 가지고 있고

탄성율도 다른 금속에 비해 약 12에 해당하여 골 탄성율에 상대적으로

가깝다는 장점을 가지고 있다 골유착(Osseointegration)은 체액내에

존재하는 산소 원자가 Ti원자와 화학적으로 반응하여 표면에 Ti

산화막(TiO2)을 형성하면 골조직의 무기질이 그들과 직접 결합 축적되어

신생골을 형성하는 것으로 알려져 있다

금속 임플란트와 생리학적 뼈의 기계적 특성 사이의 차이는

응력차폐(Stress Shield) 문제를 야기시킨다 즉 임플란트 재료가

기계적인 하중에서 회복되는 뼈를 막아서 뼈 주위를 괴사시켜 결국

임플란트 결합을 약화 시킨다 결과적으로 임플란트와 괴사된 뼈조직을

제거해야 하는 복잡한 과정을 유발시킨다 응력차폐뿐만 아니라

불충분한 골유착(Osseointegration)은 임플란트 결합을 약화시키거나

섬유조직의 내부성장을 유발시킨다 이상의 임상적 문제점으로 인하여

생리학적 뼈와 비슷한 구조 특성 및 기능을 가지고 있는 인공뼈

대체물의 개발 중요성이 더욱 부각된다

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

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5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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1514인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

위해서 물결 모양의 세모막 가장자리를 형성한다 그후 파골세포는 주석산염

저항산성인산분해효소(TRAP Tartrate-Resistant Acid Phosphatase)를

형성하여 탄산 무수화효소(Carbonic Anhydrase)를 통해 수소이온을

방출하게 되어 국부적인 pH를 낮추게 된다

낮아진 pH는 HA 결정의 용해도를 증가시키고 뼈 기질의 유기물

성분이 마지막으로 산성 단백질 가수분해에 의해서 제거되게 된다

임플란트 표면에서 일어나는 뼈의 재형성 정도에 따라서 보철장치의

수명이 정해진다 예를 들어 임플란트의 헐거워짐이나 실패는 임플란트

주위 뼈의 재형성이 거의 일어나지 않아서 결국 영양불량의 뼈가

되거나 뼈 주위에 너무 많은 뼈의 재형성이 일어나 극단적인 뼈

재흡수나 골용해(Osteolysis)를 유발할 수 있다

현재 사용되는 뼈 대체물의 문제점

전통적으로 자가이식(Autografts) 동종이식(Allografts)

이종이식(Xenografts) 및 금속 임플란트가 뼈 골절과 손상부를

치료하는데 이용되어 왔다 하지만 이와 같은 뼈 대체물은 각각 특정한

문제점과 한계점들을 가지고 있다

자가이식

자가이식은 골격의 한 부분을 제거하여 동일인의 다른 부위에 옮긴

조직이다 일반적으로 환자의 장골에서 해면골 형태로 축출하지만

피질골도 사용된다 역사적으로 자가이식은 뼈 발생 세포뿐만 아니라

뼈의 치료와 재생에 필요한 필수적인 골유도인자(Osteoinductive

Factors)를 제공한다 하지만 자가이식은 언제나 기증자 부족과

기증자의 병적상태에 의존하기 때문에 자가이식의 응용에 많은 한계가

있다 이식이 필요한 환자 수가 기증자 수를 훨씬 넘어서고 있다

새로운 기술개발이 이러한 부족분을 줄이는데 필요하다

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

동종이식과 이종이식

동종이식은 동일한 종족내에 유전적으로 다른 개체사이에 이식된

조직이고 반면에 이종이식은 다른 종족사이에 이식된 조직이다

분명히 동종이식과 이종이식은 질병의 전달과 면역반응 등의 문제를

일으킬 위험성이 아주 높다

금속과 합금 임플란트

이상에서 언급한 자가이식 동종이식 이종이식과 관련된 문제때문에

금 속과 같은 합성물질을 수많은 정형외과 응용분야에서 재료로

사용되어 왔다 하지만 금속과 합금은 실제 뼈처럼 생리학적 역학적

기계적 특성을 나타내지 못하기 때문에 건강한 뼈의 특성을 가지지

못하고 또한 시간에 따른 재형성 및 자가보수 능력이 없다 lt표 2gt는

현재 정형외과 분야에서 사용되고 있는 금속의 물리적 기계적 특성을

나타낸 것이다 분명히 금속은 lt표 1gt에 열거한 실제 뼈보다 훨씬 높은

밀도와 기계적 특성을 가지고 있다

Stainless Steels(SUS316L)은 1926년 처음으로 의료용으로 사용된

금속 재료로 골고정용 강선 나사 또는 고정판으로 사용되었으며

내부식(Less Corrosive) 특성을 가지고 있으며 지금까지도 널리 사용되는

대표적인 금속 임플란트 재료이다

표 2 정형외과용 합금의 기계적 특성(1011)

Tensile strength

(MPa) Elongation ()

Fatigue

strength (MPa)

Youngs

modulus (MPa)

CP Ti 414 18 310-413 100

Ti-6Al-4V 853 10 540-570 100

SUS316L 482 40 262 200

Co-Cr Alloy(casting) 655 8 241-276 200

Co-Cr Alloy(forging) 855 - 379-517 230

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

코발트 크롬 합금(Co-Cr alloy)은 뛰어난 내부식성과 함께 내마모(Less

Abrasive) 특성을 가지고 있기 때문에 인공 고관절이나 슬관절과 같이

생리적 부하와 함께 운동성이 요구되는 조직의 대체물질로 사용되고

있다 그러나 이들 금속은 완전한 비부식(Noncorrosive)성 재료가

아니며 이식 후 체액에 용해되어 유출되는 금속성분에 의해 생체적합성이

좌우될 뿐만 아니라 탄성율도 자연골에 비해 약 10배나 높은 200 GPa에

이르기 때문에 경시적으로 기계적 친화성 부조화에 의한 골조직의 흡수

수축 비대와 같은 좋지 않은 예후를 나타낸다

타이타늄(Titanium Ti)은 이식 후 면역반응을 일으키지 않으면서

골조직과 직접 화학적으로 결합하는 생체활성을 나타낼 뿐만 아니라

부동화(Passivation)시켜 Ti 표면에 형성된 산화막은 금속 ion의 용출을

차단함과 동시에 체액에 의한 부식도 방어하는 특성을 가지고 있고

탄성율도 다른 금속에 비해 약 12에 해당하여 골 탄성율에 상대적으로

가깝다는 장점을 가지고 있다 골유착(Osseointegration)은 체액내에

존재하는 산소 원자가 Ti원자와 화학적으로 반응하여 표면에 Ti

산화막(TiO2)을 형성하면 골조직의 무기질이 그들과 직접 결합 축적되어

신생골을 형성하는 것으로 알려져 있다

금속 임플란트와 생리학적 뼈의 기계적 특성 사이의 차이는

응력차폐(Stress Shield) 문제를 야기시킨다 즉 임플란트 재료가

기계적인 하중에서 회복되는 뼈를 막아서 뼈 주위를 괴사시켜 결국

임플란트 결합을 약화 시킨다 결과적으로 임플란트와 괴사된 뼈조직을

제거해야 하는 복잡한 과정을 유발시킨다 응력차폐뿐만 아니라

불충분한 골유착(Osseointegration)은 임플란트 결합을 약화시키거나

섬유조직의 내부성장을 유발시킨다 이상의 임상적 문제점으로 인하여

생리학적 뼈와 비슷한 구조 특성 및 기능을 가지고 있는 인공뼈

대체물의 개발 중요성이 더욱 부각된다

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

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5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

동종이식과 이종이식

동종이식은 동일한 종족내에 유전적으로 다른 개체사이에 이식된

조직이고 반면에 이종이식은 다른 종족사이에 이식된 조직이다

분명히 동종이식과 이종이식은 질병의 전달과 면역반응 등의 문제를

일으킬 위험성이 아주 높다

금속과 합금 임플란트

이상에서 언급한 자가이식 동종이식 이종이식과 관련된 문제때문에

금 속과 같은 합성물질을 수많은 정형외과 응용분야에서 재료로

사용되어 왔다 하지만 금속과 합금은 실제 뼈처럼 생리학적 역학적

기계적 특성을 나타내지 못하기 때문에 건강한 뼈의 특성을 가지지

못하고 또한 시간에 따른 재형성 및 자가보수 능력이 없다 lt표 2gt는

현재 정형외과 분야에서 사용되고 있는 금속의 물리적 기계적 특성을

나타낸 것이다 분명히 금속은 lt표 1gt에 열거한 실제 뼈보다 훨씬 높은

밀도와 기계적 특성을 가지고 있다

Stainless Steels(SUS316L)은 1926년 처음으로 의료용으로 사용된

금속 재료로 골고정용 강선 나사 또는 고정판으로 사용되었으며

내부식(Less Corrosive) 특성을 가지고 있으며 지금까지도 널리 사용되는

대표적인 금속 임플란트 재료이다

표 2 정형외과용 합금의 기계적 특성(1011)

Tensile strength

(MPa) Elongation ()

Fatigue

strength (MPa)

Youngs

modulus (MPa)

CP Ti 414 18 310-413 100

Ti-6Al-4V 853 10 540-570 100

SUS316L 482 40 262 200

Co-Cr Alloy(casting) 655 8 241-276 200

Co-Cr Alloy(forging) 855 - 379-517 230

1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

코발트 크롬 합금(Co-Cr alloy)은 뛰어난 내부식성과 함께 내마모(Less

Abrasive) 특성을 가지고 있기 때문에 인공 고관절이나 슬관절과 같이

생리적 부하와 함께 운동성이 요구되는 조직의 대체물질로 사용되고

있다 그러나 이들 금속은 완전한 비부식(Noncorrosive)성 재료가

아니며 이식 후 체액에 용해되어 유출되는 금속성분에 의해 생체적합성이

좌우될 뿐만 아니라 탄성율도 자연골에 비해 약 10배나 높은 200 GPa에

이르기 때문에 경시적으로 기계적 친화성 부조화에 의한 골조직의 흡수

수축 비대와 같은 좋지 않은 예후를 나타낸다

타이타늄(Titanium Ti)은 이식 후 면역반응을 일으키지 않으면서

골조직과 직접 화학적으로 결합하는 생체활성을 나타낼 뿐만 아니라

부동화(Passivation)시켜 Ti 표면에 형성된 산화막은 금속 ion의 용출을

차단함과 동시에 체액에 의한 부식도 방어하는 특성을 가지고 있고

탄성율도 다른 금속에 비해 약 12에 해당하여 골 탄성율에 상대적으로

가깝다는 장점을 가지고 있다 골유착(Osseointegration)은 체액내에

존재하는 산소 원자가 Ti원자와 화학적으로 반응하여 표면에 Ti

산화막(TiO2)을 형성하면 골조직의 무기질이 그들과 직접 결합 축적되어

신생골을 형성하는 것으로 알려져 있다

금속 임플란트와 생리학적 뼈의 기계적 특성 사이의 차이는

응력차폐(Stress Shield) 문제를 야기시킨다 즉 임플란트 재료가

기계적인 하중에서 회복되는 뼈를 막아서 뼈 주위를 괴사시켜 결국

임플란트 결합을 약화 시킨다 결과적으로 임플란트와 괴사된 뼈조직을

제거해야 하는 복잡한 과정을 유발시킨다 응력차폐뿐만 아니라

불충분한 골유착(Osseointegration)은 임플란트 결합을 약화시키거나

섬유조직의 내부성장을 유발시킨다 이상의 임상적 문제점으로 인하여

생리학적 뼈와 비슷한 구조 특성 및 기능을 가지고 있는 인공뼈

대체물의 개발 중요성이 더욱 부각된다

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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1716인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

코발트 크롬 합금(Co-Cr alloy)은 뛰어난 내부식성과 함께 내마모(Less

Abrasive) 특성을 가지고 있기 때문에 인공 고관절이나 슬관절과 같이

생리적 부하와 함께 운동성이 요구되는 조직의 대체물질로 사용되고

있다 그러나 이들 금속은 완전한 비부식(Noncorrosive)성 재료가

아니며 이식 후 체액에 용해되어 유출되는 금속성분에 의해 생체적합성이

좌우될 뿐만 아니라 탄성율도 자연골에 비해 약 10배나 높은 200 GPa에

이르기 때문에 경시적으로 기계적 친화성 부조화에 의한 골조직의 흡수

수축 비대와 같은 좋지 않은 예후를 나타낸다

타이타늄(Titanium Ti)은 이식 후 면역반응을 일으키지 않으면서

골조직과 직접 화학적으로 결합하는 생체활성을 나타낼 뿐만 아니라

부동화(Passivation)시켜 Ti 표면에 형성된 산화막은 금속 ion의 용출을

차단함과 동시에 체액에 의한 부식도 방어하는 특성을 가지고 있고

탄성율도 다른 금속에 비해 약 12에 해당하여 골 탄성율에 상대적으로

가깝다는 장점을 가지고 있다 골유착(Osseointegration)은 체액내에

존재하는 산소 원자가 Ti원자와 화학적으로 반응하여 표면에 Ti

산화막(TiO2)을 형성하면 골조직의 무기질이 그들과 직접 결합 축적되어

신생골을 형성하는 것으로 알려져 있다

금속 임플란트와 생리학적 뼈의 기계적 특성 사이의 차이는

응력차폐(Stress Shield) 문제를 야기시킨다 즉 임플란트 재료가

기계적인 하중에서 회복되는 뼈를 막아서 뼈 주위를 괴사시켜 결국

임플란트 결합을 약화 시킨다 결과적으로 임플란트와 괴사된 뼈조직을

제거해야 하는 복잡한 과정을 유발시킨다 응력차폐뿐만 아니라

불충분한 골유착(Osseointegration)은 임플란트 결합을 약화시키거나

섬유조직의 내부성장을 유발시킨다 이상의 임상적 문제점으로 인하여

생리학적 뼈와 비슷한 구조 특성 및 기능을 가지고 있는 인공뼈

대체물의 개발 중요성이 더욱 부각된다

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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Braatz Mathematical modeling of drug delivery from

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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tissue engineering A review Polymer Degradation and

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28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

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29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

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30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

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highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

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32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

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35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 19: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

1918인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 20: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈 조직공학은 일반적으로 뼈세포와 지지체(Scaffold)를 통합한

집합체를포함한 것으로 자연적인 방법으로 뼈 재생을 위한 가능성을

제공한다 조 직공학은 새롭게 시작되는 분야로 ldquo공학과 자연과학의

원칙과 응용이 일반적이고 병리학적 포유류 조직의 조직-기능관계를

이해하고 또한 조직기능을 원상태로 회복시키고 유지하며 향상시킬 수

있는 생물학적 대체물 개발rdquo에 목표를 두고 있다

조직공학은 실험실에서 살아있는 세포와 환자 몸의 조직이나

기관을새롭게 만들거나 회복시키거나 대체 할 수 있는 생체재료와 같은

인공성분과 병합하여 조직 대체물을 합성한다 lt그림 7gt은 대퇴골의

예를 이용하여 뼈 조직공학의 개념을 설명한 것이다 이상적인

지지체는 생분해(Biodegradable)되어야 하고 임시적인 3차원 기질이

되어 그곳에서 세포가 자라며 필요한 조직이 재생될 수 있어야 한다

그러므로 지지체는 목적한 기능을 다한 후에 흡수되며 어떠한 이물질도

환자의 몸속에 남아 있지 않게 된다

인공뼈의 필수조건과 재료

2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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2120인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

(a 골절 부위고정 b 골조직 성장 인자를 포함한 다공성 생분해성

고분자 지지체를 골절 부위에 이식 c 새로운 골조직이 지지체 내에

채워진 후 d 새로운 골조직이 생분해성 고분자를 대체 e 골조직을

형성한 부위는 신체 조직과 동일한 세포가 성장하고 혈관들이 형성)

현재 뼈 조직공학의 당면한 문제들은 다음과 같다 첫째는 3차원적으로

세포의 접착성장 및 성장 할 수 있도록 템플릿 작용을 할 수 있는 3차원

지지체를 개발하는 것과 둘째는 이러한 지지체의 세포기능을 이해하는

것이다 지지체는 세포들이 증식하고 분화하도록 필요한 지원을

제공하며 지지체 구조는 새로운 뼈의 최종적인 모양을 정하게 된다

지난 십여년 동안 뼈 조직공학의 가장 중요한 목표 중의 하나가 넓은

부분의 뼈 결함(Bone Defect) 부분을 채울 수 있는 뼈 대체물로서

생분해될 수 있는 재료의 개발이었다 또한 이러한 지지체는 내부에

포함되어 있는 세포에 산소와 영양분을 적절하게 공급해야 할 뿐만

아니라 세포에서 불순물을 제거해야 한다 무엇보다도 손상된 뼈

조직에 생리학적 기계적 기능을 완전히 회복시키는 것이 궁극적인

목표이다 결과적으로 지지체는 조직공학에 있어서 필수적인 요소이기

때문에 뼈의 재생을 위해 일연의 특성을 가지고 있어야 한다 즉

지지체의 성공적인 디자인을 위해서 지지체와 주변 조직과의 거시적

미시적 구조적인 이해가 필요하다 그러한 특성들이 세포의 존속

증식 성장 및 분화에 영향을 줄 뿐만 아니라 궁극적으로 임상적인

그림 7 뼈 조직공학의 개념도(12)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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bioactive materials with different mechanical properties

Biomaterials 24 (2003) 2161-2175

8 Kalpana S Katti Biomaterials in total joint replacement

Colloids and Surfaces B Biointerfaces 39 (2004) 133-142

9 Usha Kini B N Nandeesh Physiology of Bone Formation

Remodeling and Metabolism Radionuclide and Hybrid Bone

Imaging (2012) 29-57

10 JB Park JD Bronzino Biomaterials Principles and

Applications CRC press Boca Raton FL 2003

11 M Geetha AK Singh R Asokamani AK Gogia Ti based

biomaterials the ultimate choice for orthopaedic implants

A review Progress in Materials Science 54 (2009) 397-425

12 Tissue engineering Bernhard O Palsson Sangeeta N

Bhatia Pearson Prentice Hall Bioengineering 2004

13 材料と生體組織との接合 表面技術(日本) 63(12) (2012)

733~737

14 J H Shepherd S M Best Calcium Phosphate Scaffolds

for Bone Repair JOM Journal of the Minerals Metals and

Materials Society 63(4) 2011 83-92

15 F J Orsquobrien Biomaterials and scaffolds for tissue

engineering Materials Today 14(3) 2011 88~95

16 Herman S Mansur Hermes S Costa Alexandra AP

Mansur Marivalda Pereira 3D-macroporous hybrid scaffolds

for tissue engineering Network design and mathematical

modeling of the degradation kinetics Materials Science and

Engineering C 32 (2012) 404-415

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

17 R Dorati C Colonna C Tomasi I Genta G Bruni B

Conti Design of 3D scaffolds for tissue engineering testing a

tough polylactide-based graft copolymer Materials Science

and Engineering C (2013) in-press

18 Masami Okamoto Baiju John Synthetic biopolymer

nanocomposites for tissue engineering scaffolds Progress in

Polymer Science 38 (2013) 1487-1503

19 K C Kavya R Jayakumar Shantikumar Nair Krishna

Prasad Chennazhi Fabrication and characterization

of chitosangelatinnSiO2 composite scaffold for bone

tissue engineering International Journal of Biological

Macromolecules 59 (2013) 255-263

20 정구인 김지선 최주현 전재훈 의공학 분야에서 사용되는

의용생체재료의 연구 동향 및 전망 공업화학전망 13(6) (2010) 18-

31

21 松崎邦南 花田幸太郎 生體吸收マグネシウム合金の成形技術の開發

素形材(日本) 54(3) (2013) 27~32

22 Harpreet S Brar Benjamin G Keselowsky Malisa

Sarntinoranont and Michele V Manuel Design

Considerations for Developing Biodegradable and

Bioabsorbale Magnesium Implants JOM Journal of the

Minerals Metals and Materials Society 63(4) (2011) 100~104

23 Nan Li Yufeng Zheng Novel Magnesium Alloys Developed

for Biomedical Application A Review Journal of Materials

Science amp Technology 29(6) (2013) 489-502

24 Ashlee N Ford Versypt Daniel W Pack Richard D

Braatz Mathematical modeling of drug delivery from

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

autocatalytically degradable PLGA microspheres - A review

Journal of Controlled Release 165 (2013) 29-37

25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

Kenny Biodegradable polymer matrix nanocomposites for

tissue engineering A review Polymer Degradation and

Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 22: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

회복의 성공과 실패를 결정짓는 유전자발현(Gene Expression)과 유전

표현형(Gene Phenotype) 보존에 영향을 주게 된다

뼈 지지체의 필수조건

생체적합성(Biocompatibility)

지지체는 세포와 생체적으로 적합해야 하고 면역반응 세포독성(Cyto

toxicity) 및 상처조직 형성 등이 없이 모조직에 잘 맞아야 한다

즉 세포가 지지체와 접착한 후 표면으로 이동하고 통과하여 새로운

매질을 형성하도록 증식될 수 있는 생체적합성을 가지고 있어야 하며

이식 이후 지지체 면역반응으로 나타나는 염증에 의해 치료효과가

떨어지거나 신체에 거부반응이 일어나지 않아야 한다

생분해성(Biodegradability)

조직공학은 시간이 걸리더라도 신체 중의 세포에 의해서 재생이

일어나도록 한 후 이식된 지지체를 제거하는 것을 목적으로 한다

지지체는 영구적인 이식을 위한 것이 아니며 세포가 스스로 세포외

매질을 생산한 뒤에 생분해되어야 하는데 그러기 위해서 생분해된

물질은 독성을 갖지 않아야 하며 다른 조직이나 기관에 영향을 주지

않으면서 체외로 배출되어야 한다 지지체의 분해속도와 새로운

조직형성속도는 상처 부위가 완전히 재생되는 동안 지지체도 완전히

분해될 수 있도록 적절한 속도로 서로 연결되어 있어야 한다 지지체의

분해속도는 구성재료의 구조와 분자량 등과 같은 요인에 의해서 변경될

수 있다 지지체의 기하학적 모양이 분해속도에 영향을 주는 것처럼

지지체 구조면적대 부피비 공극율 공극모양과 크기 등과 같은 요소도

지지체 분해속도에 중요한 역할을 한다 또한 생체 내 이식부위 기계적

하중 정도 분해물 대사속도 등도 지지체의 분해시간에 중요한 영향을

준다(13)

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 23: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

2322인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기계적 특성

지지체는 이식되는 환부에서 요구되는 기계적 성질을 만족해야 하며

임플란트 수술 시에 요구되는 강도를 가져야 한다 심장 혈관이나

정형외과 수술에서 사용되는 지지체는 강도가 요구되며 특히 뼈나

연골의 경우 시술에서부터 리모델링이 완료될 때까지 높은 강도가

요구된다 생체 내에서 뼈가 항상 압축 인장 비틀림 굽힘 등과 같은

생리학적 응력 하에 있기 때문에 이식된 지지체의 기계적 특성은 살아

있는 뼈와 비슷해야 상처부위의 빠른 회복을 기대할 수 있다

표면 특성

지지체는 세포가 붙어 잘 증식하며 분화할 수 있기에 적당한

표면을 가지고 있어야 한다 지지체의 화학적 지형적 표면 특성은

생체활성도(Bioactivity)와 골전도(Osteoconductivity)를 제어할

수가 있다 화학적 특성은 단백질이 초기에 흡수되고 차후에 세포가

재료표면에 붙을 수 있는 능력과 연관되어 있다 지형적 특성은

골전도에 중요하다 골전도는 재료이식 직후에 일어나는 섬유소

응고(Fibrin Clot)를 통한 지지체 표면에 골세포가 이동하는 과정을

말한다 이와 같이 섬유소 응고를 통한 골세포 이동은 일시적으로

섬유소 기질의 수축을 일으킨다 그래서 섬유소 기질이 지지체에

안정하게 잘 접착되어 있는 것이 아주 중요한 반면에 골세포가 이동할

때 창상수축(Wound Contraction) 때문에 섬유소가 지지체에서

일탈된다 부드러운 표면과 반대로 거친 표면은 섬유소 기질을 구속할

수 있어서 골세포의 지지체 표면으로 이동을 촉진할 수 있다

골 형성

지지체는 환부의 뼈를 재생시킬 수 있도록 설계되어야 하며 이것을

위하여 다음의 4가지 특성을 가져야 이상적이다

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 24: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

bull 골유착 뼈 섬유조직 사이에 해로운 막을 형성하지 않으면서

화학적으로 뼈와 잘 결합하는 능력

bull 골전도 임플란트 표면에 뼈가 성장하도록 도와주는 능력 즉

혈관의 촉진과 적응 새로운 하버스계통의 창조

bull 골유도 뼈 형성의 골아로 분화시키는 주변의 세포들로부터 간엽

줄기세포를 발생시키고 활성화하는 능력

bull 골형성 뼈 이식시 자기세포를 임플란트에 붙여서 새로운 뼈를

생성시키는 과정

위의 요건 중 처음부터 세 번째까지는 생체 및 합성재료를 이용하여

달성될 수 있으나 네 번째 항은 현재까지는 자가골(Autogenous)

재료만으로 만족될 수 있어서 골 이식의 최고수준의 표준이라고 언급된다

그러나 자가골 이식(Autografts)의 경우 불행하게도 환자의 6~20의 경우

지속적인 통증 과민반응 또는 마비 등 합병증이 올 수 있다(14)

다공성 3차원 구조

지지체는 3차원 구조를 가져야 하며 혈관신생 조직융합 및 영양분과

신진대사 부산물의 원활한 전달 생분해된 지지체 성분을 다른 조직이나

기관에 영향을 주지 않으면서 지지체 밖으로 확산시키기 위한 다공성

구조를 가져야 한다 기공 크기는 세포 조직 및 혈관이 원활이 통과될 수

있도록 돕기 위해서 면적을 최적화해야 하기 때문에 조직공학에 있어서

아주 중요한 요소 중의 하나이다 하지만 단위 체적당 높은 표면적을

얻기 위해서 기공의 크기가 대략 10 μm인 조골세포보다 큰 정도에서

작으면 작을수록 유리하다 만약 기공 크기가 너무 작으면 세포에

의해서 기공이 막힐 수 있다 이 경우 지지체 내부로 세포침투와 신혈관

형성(Neovascularization)을 막게 된다 서로 연결된 큰 기공들이 지지체

내부로의 세포이동을 조절하여 영양 공급과 불순물 제거를 더 원활하게

하며 결과적으로 지지체 내부 중앙부분까지 세포의 생존율을 향상시킬

수 있는 것으로 보고되고 있다(15)

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 25: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

2524인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

현재 다양한 조직공학 응용을 위해서 최적의 기공 크기와 모양을

찾는 연구가 진행 중이며 몇 가지 예를 lt그림 8gt에 나타내었다 그리고

실제 뼈의 기공과 잘 맞는 지지체 기공을 제어 할 수 있는 기술이 아주

중요하다 또한 기공도 기공 구조 및 기공 크기도 지지체의 기계적

생물학적 특성에 영향을 준다

뼈 지지체 재료 선택

뼈 조직공학 응용분야에서 사용되는 지지체를 생산하기 위한 가장

최적의 재료를 선택하는 것은 성공적인 조직공학 제품 생산에 있어서

가장 중요한 단계이다 이를 위해 지지체뿐만 아니라 구성 물질의

특성을 아주 면밀히 조사해야 한다 지금까지 다양한 자연 생체재료와

폴리머 세라믹스 등과 같은 합성 생체재료들이 뼈조직 공학

응용분야에 연구되어 왔다 lt표 3gt은 뼈 치유분야에 많이 사용되는

재료의 종류 및 장단점을 나타낸 것이다

그림 8 다공성 3차원 구조 지지체(16-19)

Hybrid PVABaG crosslinked

with 50 of GA

polylactide-based

graft copolymer (LMP-3055)

ChitosangelatinnSiO2 composite

scaffold

PCLCa-deficient nHA (nano-scale

hydroxyapatite) 249 wt

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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20 정구인 김지선 최주현 전재훈 의공학 분야에서 사용되는

의용생체재료의 연구 동향 및 전망 공업화학전망 13(6) (2010) 18-

31

21 松崎邦南 花田幸太郎 生體吸收マグネシウム合金の成形技術の開發

素形材(日本) 54(3) (2013) 27~32

22 Harpreet S Brar Benjamin G Keselowsky Malisa

Sarntinoranont and Michele V Manuel Design

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Bioabsorbale Magnesium Implants JOM Journal of the

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23 Nan Li Yufeng Zheng Novel Magnesium Alloys Developed

for Biomedical Application A Review Journal of Materials

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24 Ashlee N Ford Versypt Daniel W Pack Richard D

Braatz Mathematical modeling of drug delivery from

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

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Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

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Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

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28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

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29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

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30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

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31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

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32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 26: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

생분해성 금속

뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는 Stainless Steels

Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다 특히 Ti

alloys는 다른 금속계 재료에 비해 생체적합성이 우수하여 현재까지도

지지체로 많이 활용되고 있다 하지만 앞서 언급한 지지체로서의

필수조건 중 하나인 생분해성을 가지고 있지 않아 응력차폐에 의한

인공관절 주위 골절의 원인이 되고 있다 따라서 최근 생분해성 특성을

가진 Mg alloys에 대한 관심이 높아지고 있다

Mg alloys는 다른 생체 재료에 비해 생체흡수 특성뿐만 아니라 많은

장점이 있다 lt그림 9gt와 같이 강도나 영률은 뼈에 가장 가깝고 생체

흡수성은 고분자 재료보다 높다 뼈보다 강도가 높은 재료를 골절

지지체로 사용하는 경우 응력차폐(Stress Shield) 효과가 생겨 뼈 밀도가

감소하고 뼈의 강도가 저하한다 Mg alloys에서는 이와 같은 영향이

적으며 생분해 속도가 빠른 것이 문제이므로 현재 개선연구가 추진되고

있다 Mg alloys을 인공뼈 지지체로 사용하는 경우 두 가지의 가능성이

재료 종류 장점 단점

금속

(Metals)

Stainless Steels

Co-Cr alloys

Ti alloys

높은 인장강도

높은 인성연성

제작하기 쉬움

생체적합성 낮음

부식되기 쉬움

무거움

높은 강성

고분자

(Polymers)

PMMA

UHMWPE

Silicones

제작하기 쉬움

우수한 생체친화성

가벼움

유연함

낮은 기계적 강도

시간에 따라 형태가 변형됨

세라믹tm

(Cetamics)

TCP

HA

bioglass

생체적합성 우수

생체불활성

압축강도 우수

내마모성

깨지기 쉬움

제작하기 어려움

낮은 기계적 신뢰성

복합재료

(Composites)

HApolymer

Carbon-Ti

생체적합성우수

맞춤형 성형이 가능

높은 인장강도

제작하기 어려움

표 3 뼈 치유를 위한 재료의 종류 및 장단점(20)

2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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2726인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

있다 하나는 뼈를 고정시키는 판과 나사이고 또 하나는 결손된 뼈

복원에 다공질 재료로 사용되는 것이다 또한 생분해성 특성을 이용한

관상동맥 치료기기인 스텐트(Stent) 재료로 활용하기 위한 연구가

진행되고 있다(2122)

생분해성 폴리머

지난 10여년간 지지체 재료로서 생체흡수성 자연재료와 합성폴리머에

대한 관심이 증가되고 있다 특히 폴리락티드글리콜라이드(PLGA

Polylactide-co-Glycolide)와 같은 폴리머는 정확하게 화학조성(예

PLGA 내의 락티드글리콜라이드 비) 결정도 분자량 분자량 분포 및

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와 기계적 강도와

그림 9 생체용 Mg alloys의 기계적 특성(23)

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

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5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식 및 조직형성에 최적의

조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의 분해 부산물은 자연적인

신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다

가장 일반적으로 사용되는 합성 폴리머는 생분해성 지방족

폴리에스테르(AP Aliphatic Polyester)이다 PLA PGA PLGA와

같은 폴리머는 이미 미국 식품의약국에 의해서 승인 받았다

최초 상업용 봉합선인 PLGA로 합성된 덱손(Dexon)은 1970년에

이용되었고 최초 FDA 승인 약품은 루프론데포(Lupron Depot)

약물전달시스템(TAP Pharmaceutical Products Inc Lake Forest

IL)으로 전립선암이 상당히 진행된 환자들에게 락티드글리콜라이드를

7525 비로 분해될 수 있는 미소구체(Microsphere) 형태로 항암제

로렐린데포(Lorelin Depot Leuprolide Acetate)를 기존에 매일

투여했던 것을 최대 4 개월까지 지속적으로 투여 할 수 있는 장치로

개발되었다 장골에서 일어난 골절을 고정하기 위해서 사용했던

생분해성 폴리머는 1984년 필란드에서 처음으로 임상에 적용하였다

1990년 이후로 조직공학 분야에 PLA PGA PLGA와 같은 폴리머를

광범위하게 사용하기 시작했다

폴리(DL-락티드-co-글리콜라이드) (PLGA) 랜덤 공중합체를

형성하기 위해서 촉매로 옥토에이트 제1주석(Stannous Octoate)이

존재하는 상황에서 양이온 개환반응(Cationic Ring-Opening

Reaction)을 통해서 DL-락티드와 글리콜라이드는 중합되었다

PLGA은 에스테르 결합의 비효모 가수분해를 통해서 점진적으로

내생적인 천연 신진대사 산물인 락트산과 글리콜산으로 분해된다

효소에 의해 미리 결정되어서 분해를 일으키는 폴리머보다 가수분해에

의해서 갈라지는 폴리머는 신체내에서 훨씬 예측 가능한 분해율을

가지는 경향이 있다 이는 효소의 활동도 정도가 환자에 따라서 변할

뿐만 아니라 같은 환자라도 어떤 조직부분이냐에 따라 광범위하게

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 29: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

2928인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

변하기 때문이다 PLA PGA PLGA의 분해산물은 비독성 천연

대사산물이며 결국 체내에서 이산화탄소와 물의 형태로 제거된다(24)

lt그림 10gt과 같은 구조를 가지는 PLGA의 분해과정은 4단계로

나뉘는데 처음 외곽에서 시작해서 점진적으로 내부로 들어가면서

전체적인 붕괴가 뒤따른다 첫째 단계로 물이 폴리머로 확산되고

에스테르결합에 가수분해에 의해 사슬이 끊어지기 시작한다 둘째

단계는 기질내부의 산성분위기가 분화를 더욱 촉진하면서 분자량이

급격하게 작아져서 표면과 내부의 분화가 시작된다 셋째 단계는

저분자량 소중합체가 외부의 얇은층을 통해서 확산하기 시작하고

이런 소중합체의 분자량이 매개물 내에서 용해될 정도로 작을 때 무게

감소가 시작된다 마지막 단계는 폴리머 껍질이 소중합체가 용해된

후에도 그대로 있으면서 껍질 분해가 조금씩 일어나기 시작한다

PLA PGA PLGA와 같은 폴리머의 분해속도는 폴리락티드산과

폴리글리콜라이드산 비 분자량 분자량분포 결정도 친수성 뿐만

아니라 시편크기 모양 기공도 표면특성 살균방법에 따라 수

주에서부터 수 년 동안 진행될 수 있도록 제조될 수 있다 일반적으로

분해속도는 분자량이 증가할수록 감소하고 결정도가 낮아지면 질수록

폴리머를 가수분해 시키는 물분자의 침수 확률은 높아지게 된다 2 ~

3 MRad로 살균할 때 사용하는 감마선은 지방족 폴리머가 방사선에

아주 민감하기 때문에 폴리머의 중요 골격을 분해시킨다 그래서

이런 폴리머는 에틸렌옥사이드에 노출시켜 보통 소독한다 하지만

그림 10 PLGA 구조(24)

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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Page 30: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

에틸렌옥사이드 가스를 사용하는 것은 안전도에 위험 요소를 내포할

뿐만 아니라 폴리머 장치 내부에 잔류흔적을 남길 가능성이 높다

그렇기 때문에 에틸렌옥사이드 가스는 긴 시간 동안 제거되어야 한다

폴리머 결정도(Polymer Crystallinity)는 폴리머 사슬사이의

배열도를 나타내는 것이다 부피가 큰 부그룹이나 가지 그리고 산소와

같이 자유롭게 이동할 수 있는 원자가 주위 사슬배열과 결정도에

악영향을 줄 수 있다 젖산이 비대칭 중심을 가지고 있기 때문에 PLA은

네가지 입체 이성질체로 존재한다 즉 폴리(L-락트산) 폴리(D-

락트산) 메조폴리(DL-락트산) 폴리(L-락트산)과 폴리(D-락트산)

라세미 혼합물이다 입체 규칙성 스테레오폴리(D-락트산)는 반결정인

반면 라세미 폴리(DL-락트산)는 무정형이다

같은 조건하에서 친수성 PGA는 비록 비슷한 에스테르의 화학적

활성도를 갖고 있음에도 불구하고 수용액이나 생체내에서 물분자

흡수가 이전 폴리머를 통해서 훨씬 빨리 흡수되기 때문에 소수성

PLA보다 더 빨리 분해된다 PLA에 반복적인 여분의 메틸기가

PLA를 더욱 소수성으로 가수분해를 천천히 일어나게 한다 그러므로

글리콜산의 양이 많으면 많을수록 분해 속도는 더욱 빨라지는 것처럼

보인다 공중합체내의 글리콜산의 양이 증가함에 따라 PGA의 결정성

영역이 더 많이 형성되어서 PLGA 수명이 PLAPGA비가 5050일

때 가장 짧아지게 된다 결과적으로 무정형 폴리머나 반결정 폴리머

내에서 일어나는 가수분해보다 백본에서 일어나는 가수분해가

훨씬오래 걸리기 때문에 백본 가수분해가 결정 영역 부분의 표면에서만

일어나는 경향이 있다

생분해성 폴리머의 기계적 특성은 생분해성 폴리머의 화학구조

결정도 분자량 혹은 분자방향성에 의존한다 lt표 4gt는 몇몇 생분해성

폴리머의 특성을 정리 요약한 것이다

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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Page 31: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

3130인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분명히 폴리머 분해는 성분요소의 감소 때문에 기계적 특성은 감소하고

결정성은 증가한다 PGA는 2 ~ 4주 사이에 기계적 특성이 감소하는

반면 PLA는 생체내에서 혹은 시험관내에서 기계적 특성의 감소는 수

개월 혹은 수 년이 걸린다 반결정 폴리머의 무정형성 영역은 결정성

영역보다 분해가 일찍 일어나서 무정형성 부분의 결정성을 증가시킨다

Polymers

Thermal amp Mechanical Properties

Degradation Properties Processing and Applications

Polymer repeat unit structureMelting

Tem(C)

TensileModulus

(GPa)

Time (Months) Products Solvent Applications

Polylactic acid PLA 173-178 60-65 15-27 12-18 L-lactic acid

CholoroformDioxaneDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Fracture fixationinterference screwssuture anchorsmeniscus repair

Polyglycolic acid PGA 225-230 35-40 5-7 3-4 Glycolic acid

HexafluoroisopropanolAcetoneDicholoremthaneCholoroform

Suture anchorsmeniscus repairmedical devicesdrug delivery

Poly(3ecaprolactone)

PCL58-63 -60 04-06 gt24 Caproic acid

CholoroformHexafluoroisopropanolDichlorometaneToluene

Suture coatingdentalorthopaedic implants

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (5050)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Suture drug delivery

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (8515)

Amorphous 50-55 14-28 3-6DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuranhexafluoroisopropanol

Interference screwssuture anchors ACLreconstruction

Poly- latic-co-glycolic

PLGA (9010)

Amorphous 50-55 - gt3DL-lactic acid

andglycolic acid

CholoroformDichlorometaneEtylacetateAcetoneTetrahydrofuran

Artificial skinwound healing suture

Poly(PropyleneFumarate) PPF 30-50 -60 2-3

Depends onthe formulationand compositionseveral monthsgt24

Fumaric acidpropyleneglycol andpoly(acrylic

acid-cofumaricacid)

TetrahydrofuranAcetoneEthanol

Orthopaedic implantsdetal foam coatingsdrug delivery

표 4 생분해성 폴리머의 특성(2526)

Glass TransitionTem(C)

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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Page 32: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분자량의 분포를 나타내는 이질성 지수(Heterogeneity Index HI

MwMn)는PLGA 분해에 따라 증가하는데 이는 Mw(무게 평균 분자량)의

감소보다 Mn(수 평균 분자량)의 감소가 더 빠르다는 것을 나타낸다

폴리 엡실론-카프로락톤(PCL Poly ε-Caprolactone)과 같은 다른

지방족 폴리에스테르가 있는데 이 또한 뼈 조직공학 재료로 이용되고

있다 PCL은 PLA PGA PLGA 보다 훨씬 느린 분해속도를 가지고

있다 느린 분해속도로 인해서 PCL은 일반적인 조직공학적 재료로

많은 주목을 끌지 못하지만 장기간 이식 기간이 필용하거나 제어약품

방출분야에 사용되고 있다 최 근에 PCL 기반 공중합체가 분해특성을

향상시키기 위해서 합성되고 있다 폴리프로필렌푸마레이트(PPF

Polypropylene Fumarate) 역시 중요한 합성 생분해성 폴리머이며

글리콜라이드와 락티드 폴리머와 비슷하게 에스테르 결합의

가수분해를 통해 분해될 수 있다 PPF의 기계적 특성은 합성방법과

사용되는 교차결합물에 따라 다양하게 변한다

콜라겐과 같은 자연적으로 합성된 폴리머 역시 지지체 제작에

사용되고 있다 콜라겐은 섬유 단백질이며 주요 천연세포외기질

요소이다 한편으로 콜라겐은 현재까지 조직재생에 가장 널리 사용되는

천연 폴리머이며 뼈 조직응용분야에서도 생체적합성이 우수하여

매우 좋은 생물학적 특성을 가진 재료로 많은 관심이 집중되지만

다른 한편으로 콜라겐이 다루기가 어렵고 뼈에 요구되는 하중을

지지하기에는 좋지 못한 기계적 특성을 가지고 있다 젤라틴과 같은

변성 콜라겐 역시 뼈 조직회복에 다공성 재료로 가공되고 있다 이러한

변성 콜라겐 재료의 강도를 증가시키기 위해서는 세라믹과 함께

복합재료로 사용되어야 한다

생체활성 세라믹스

세라믹을 이용하는 주요 장점은 골세포와 함께 높은 세포적합성(Cyto

compatibility)을 가지고 있다 뼈 조직공학에서 알루미나 지르코니아

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

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5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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Page 33: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

3332인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

티타니아 인산칼슘(Ca4P2O9 TCPCa3(PO4)2 HACa10(PO4)6(OH)2)과

이들의 혼합물과 부산물이 지지체 제조용 세라믹스로 가장 널리 사용되고

있다 이들 세리믹스는 화학적 구조가 천연산 뼈 내의 광물성분과

비슷하기 때문에 생리적 유체와 반응할 수 있다 또한 세포활성도를

통해서 세라믹스는 경연조직과 강한 결합을 형성할 수 있다 그렇기

때문에 이와 같은 세라믹스를 생활성(Bioactive) 재료라고 한다 생활성

세라믹스는 세라믹 표면에서 골세포의 증착 성장 및 분화를 지지하기

때문에 골전도성이 있는 것으로 간주되며 또한 생체내에서 뼈 형성

단백질(BMPs Bone Morphogenetic Proteins)을 결합하고 응축할 수

있기에 골유도성이 있는 것으로 보고되고 있다

인산칼슘은 Ca4(PO4)2O Ca10(PO4)6(OH)2 Ca8H2(PO4)6

5H2O Ca3(PO4)2 및 Ca(H2PO4) 2H2O 등 다양하다 이들의

화학조성에 따라서 in vivo에서의 골전도능 생체활성 재흡수성 등을

조절할 수 있다 이들의 in-vivo거동은 CaP 비 결정구조 및 기공도

등의 여러 요인에 의하여 달라질 수 있다 이들 중 Monocalcium

phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)만을 제외하고는 모두 생물 또는

미네랄 형태로 자연에 존재한다

Octacalcium Phosphate(Ca8H2(PO4)6 5H2O)는 생물학적

인회석의 전구체(Phosphate)로 간주되는 뼈와 치아의 미네랄 요소이다

Tricalcium phosphate(Ca3(PO4)2)는 ldquowhitlockiterdquo이라는 광물이다 이

물질은 수산화인회석의 합성 대체 및 응용의 관점에서 매우 중요하다

Tetracalcium Phosphate(Ca4(PO4)2O)는 CaP 비가 수산화인회석의

CaP 비보다 큰 값을 갖는 유일한 칼슘 인회석이며 일반적으로 고온에서

생성된다 Monocalcium Phosphate(Ca(H2PO4) 2H2O)은 뼈 시멘트로

흔히 사용되는 것으로 다른 칼슘 인회석과 혼합되어 사용되기도 한다(14)

아파타이트는 원래 M10(ZO4)6X2의 조성을 갖는 광물의 총칭으로

다양한 원소가 치환되어 있는 인산칼슘화합물이다 이 중에서

생체와 관계가 깊은 것은 척추동물의 골과 치아의 무기물 주성분인

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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Page 34: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Ca10(PO4)6(OH)2로 대표되는 수산화아파타이트(HA)이다

인공적으로 합성 제작된 HA는 금속이나 고분자보다 생체조직과의

친화력이 극히 좋아 인공뼈의 원료로 사용된다 HA는 생리적 조건

하에서 열역학적으로 가장 안정된 인산칼슘화합물이며 이것이

인공뼈나 인공치아 등 인공장기의 재료로 쓰이는 이유는 이들이

조직과 생체 내에서 잘 융합할 수 있기 때문이다 한편 세포배양에서

세포지지체로서 골아 세포를 비롯하여 각종 세포의 기질배양용

소재로도 응용된다 다공성 인산칼슘은 생체적합성은 우수하나 강도가

낮다는 단점을 감안하여 하중이 걸리지 않는 부위의 치료에 사용하려는

노력의 일환으로 안면 특히 눈 위 부분의 뼈 및 두개골 접합용 재료로

사용하려는 노력이 진행되고 있다(27)

HA는 생체 적합성 특히 뼈 조직과의 적합성이 뛰어나서 인공뼈

인공관절 뼈 보충제 및 치과 임플란트 등 경조직의 대체 재료로

이용되고 있다 그러나 기계적 강도가 낮아서 큰 힘을 받는 생체 부위에

단독으로 이용하기 어렵다 따라서 금속재료 표면에 HA를 코팅하는

방법이 이용되고 있다 대표적 HA 박막 코팅 방법에는 (1) 스퍼터링

(2) Dipping(미국에서는 DCD법 Discrete Crystalline Deposition

of Nanometer-scale CaP Crystals method) (3) 열분해 (4)

Biomimetic (5) Laser ablation (6) 알칼리 처리 등 여러 가지

있다 이들 코팅 방법으로 HA 막 두께는 나노에서 까지 다양하며

기공률도 10 50 결정성이나 기제 금속과의 결합력도 달라 무엇이

최선인가 결론을 얻지 못하고 있다 (6) 알칼리 처리법은 체내에서 주위

체액의 pH를 높여 석회화를 촉진 나노 HA 코팅과 같은 효과를 내려고

한 것이다 지금 완성된 HA 코팅 기술은 아직 없다 HA의 최적 두께

결정성 기제 금속과의 결합 기공률 조직과의 반응성 등 해결해야 할

문제가 많다(28)

또한 최근에는 산호를 이용한 연구도 일부 수행되고 있다 산호

뼈대는 요즘 많이 사용되고 있는 HA와 같은 세라믹 제품에 비해 자기

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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23 Nan Li Yufeng Zheng Novel Magnesium Alloys Developed

for Biomedical Application A Review Journal of Materials

Science amp Technology 29(6) (2013) 489-502

24 Ashlee N Ford Versypt Daniel W Pack Richard D

Braatz Mathematical modeling of drug delivery from

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

autocatalytically degradable PLGA microspheres - A review

Journal of Controlled Release 165 (2013) 29-37

25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

Kenny Biodegradable polymer matrix nanocomposites for

tissue engineering A review Polymer Degradation and

Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 35: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

3534인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈가 형성되는 과정에서 재흡수되어 없어진다는 점이 최대 장점이다

뼈 조직공학 연구의 목표 중 하나는 새로운 뼈가 형성되는 속도와 같은

속도로 이식된 뼈대가 녹아 없어지면서도 뼈 형성을 방해하지 않는

지지체를 만드는 것이다(29)

표 5 인산칼슘 종류와 주요 특성(30)

CaP molarratio

Compound Formula Solubility at 25 -log (Ks)

Solubility at

25 gl

pH stability range in aqueous

solutions at 25

05 Monocalcium phosphate monohydrate (MCPM) Ca(H2PO4)2H2O 114 ~18 00 20

05 Monocalcium phosphate anhydrous (MCPA) Ca(H2PO4)2 114 ~17 ③

10 Dicalcium phosphate dihydrate

(DCPD)mineral brushite

CaHPO42H2O 659 ~0088 20 60

10 Dicalcium phosphate anhydrous

(DCPA)mineral monetite

CaHPO4 690 ~0048 ③

133 Octacalcium phosphate (OCP) Ca8(HPO4)2(PO4)45H2O 966 ~00081 55 70

15 a-Tricalcium phosphate (a-TCP) a-Ca3(PO4)2 255 ~00025 ①

15 szlig-Tricalcium phosphate (b-TCP) b-Ca3(PO4)2 289 ~00005

10 22 Amorphous calcium phosphate (ACP)

CaxHy(PO4)znH2O n = 3 45

15 20H2O② ② 5 12 ④

15 167 Calcium-deficient hydroxyapatite (CDHA) ⑤

Ca10-x(HPO4)x(PO4)6-x(OH)2-x⑥

(0 lt x lt 1)~851 ~00094 65 95

167 Hydroxyapatite (HA HAp or OHAp) Ca10(PO4)6(OH)2 1168 ~00003 95 12

167 Fluorapatite (FA or FAp) Ca10(PO4)6F2 1200 ~00002 7 12

167 Oxyapatite (OA or OAp) Ca10(PO4)6O ~69 ~0087 ①

20 Tetracalcium phosphate

(TTCP or TetCP)mineral hilgenstockite

Ca4(PO4)2O 38 44 ~00007 ①

① These compounds cannot be precipitated from aqueous solutions② Cannot be measured precisely However the following values were found 257 01(pH 740) 299 01(pH 600) 327 01(pH 528) The comparative extent of dissolution in acidic buffer is ACP α-TCP α-TCP gt CDHA HA gt FA③ Stable at temperatures above 100 C④ Always metastable⑤ Occasionally CDHA is named precipitated HA⑥ In the case x = 1 (the boundary condition with CaP = 15) the chemical formula of CDHA looks as follows Ca9(HPO4) (PO4)5(OH)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

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5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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Page 36: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 세라믹 복합재료

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위해 지지체의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있다 최근 수년 동안 뼈

조직공학용 지지체 재료로 폴리머 세라믹 복합재료 개발에 많은 관심이

집중되고 있으며 다음과 같은 경향을 가지고 있다

폴리머 세라믹 유무기 복합재료는 생체활성 세라믹스가 일반적으로

탄성계수가 매우 높으며 충격에 약하기 때문에 탄성계수가 낮으며

충격에도 쉽게 부러지지 않는 폴리머 재료와의 융합을 통해 골과

유사한 기계적 물성을 지니게할 수 있다 폴리머 세라믹 복합재료로

Bonfield는 HAPEX라는 복합재료를 개발하였으며 생체내구성을

가지며 생체활성이 있고 생분해성이 있는 복합재료이다 해외

연구현황으로는 90년대 후반과 2000년대에 들어서면서 압축강도를

증가시키기 위한 목적의 monolithic 시멘트에서 벗어나 골 조직 형성

촉진 및 기계적 물성 향상을 위한 방편으로 복합 재료화 생체활성

물질 전달이 가능한 복합체 및 인공 지지체에 대한 연구가 활성화된

것이 큰 특징이다 복합 소재에 나노 기술의 도입으로 복합 인공

경조직 재료의 단점을 개선하려는 것이다 연구의 핵심 기술은 새로운

합성법에 의한 HA 나노 결정의 제조공정 개선 및 폴리머 매트릭스의

균일한 분산기술이 주를 이루고 있다 폴리머 매트릭스 내 나노 크기의

균일한 분산으로 형성된 나노 복합체는 천연 뼈와 같은 기계적 강도를

보인다는 연구결과가 보고되었다 또한 HA 나노입자를 폴리머와

단순 혼합하는 것이 아니라 폴리머 지지체 표면에 도입하는 기술을

통해 골세포의 부착 분화 및 성장에 이상적인 환경제공을 통해 골재생

기능을 높이려는 시도도 진행 중이다(31)

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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23 Nan Li Yufeng Zheng Novel Magnesium Alloys Developed

for Biomedical Application A Review Journal of Materials

Science amp Technology 29(6) (2013) 489-502

24 Ashlee N Ford Versypt Daniel W Pack Richard D

Braatz Mathematical modeling of drug delivery from

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

autocatalytically degradable PLGA microspheres - A review

Journal of Controlled Release 165 (2013) 29-37

25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

Kenny Biodegradable polymer matrix nanocomposites for

tissue engineering A review Polymer Degradation and

Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 37: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

3736인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

폴리머 복합물 내부의 딱딱한 세라믹 결정상은 지지체의 기계적

특성을 향상시키는데 중요하다 인산칼슘에 PLA PGA PLGA와

같은 생분해성 폴리머를 첨가하는 것이 뼈 골절부위의 모양에 맞게

복합재료의 모양을 만들고 제어하기에 훨씬 유리하다 이러한 연구

사례로 섬유 강화 인산칼슘 시멘트가 있으며 조성에 따른 기계적

특성은 lt표 6gt과 같다

또한 α-Tricalcium Phosphate(α-TCP) 다공체 골격을

하이드록시프로필셀룰로오스(HPC Hydroxypropylcellulose) 수용액에

침지하여 유기고분자막으로 피복함으로써 다공체가 갖는 취약점을

개선하고 생체 내에서의 반응성을 저하시킬 수 있다는 보고도 있다(33)

이러한 폴리머 세라믹 생복합재료는 기존의 단상재료보다 훨씬

장점들이 많음에도 불구하고 여전히 뼈의 많은 특성 특히 뼈의

나노크기에서의 특성을 모방할 수 없기 때문에 아직 실제로 적용되지

못하고 있다

그림 11 HA 표면 고정화된 키토산 스캐폴드 및 골재생 기능(31)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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Page 38: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

표 6 섬유 강화 인산칼슘시멘트 복합재료의 조성 및 기계적 특성(32)

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 39: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

3938인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

과학정보 계량분석 (Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 40: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

분석조건

Web of Science(Thomson Reuters)1) 데이터베이스를 사용하여

2003년부터 2012년까지 발표된 논문을 lt표 7gt의 검색식으로

검색하였으며 총 3125편의 논문이 검색되었다 과학정보계량분석은

한국과학기술정보연구원(KISTI)에서 개발한 COMPAS (COMPetitive

Analysis Service) KM (Knowledge Matrix)과 Gephi NetMiner

VOSviewer를 이용하였다(34)

1) Science Citation Index Expanded is a multidisciplinary index to the journal literature of the

sciences It fully indexes over 7100 major journals across 150 scientific disciplines and includes

all cited references captured from indexed articles Database Coverage 1899 to present

과학정보 계량분석

(Scientometric Analysis)을 이용한

인공뼈 연구동향 분석

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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22 Harpreet S Brar Benjamin G Keselowsky Malisa

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6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

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28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

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29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

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31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

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32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

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34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

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35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 41: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

4140인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문게재 추이

lt그림 12gt에서 나타난 것과 같이 분석 대상 기간의 논문 연평균

증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준 365인 것으로

나타났다 인공뼈에 관한 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있다

2003년부터 2005년까지는 매년 약 200편의 논문이 게재되었으며

2006년부터 2012년까지 점차 증가하고 있으며 2012년에는 507편이

게재되어 급격하게 증가하였다 이를 통해 인공뼈에 관한 관심과

연구가 더 활발히 이루어지고 있는 것을 간접적으로 알 수 있다 한편

우리나라도 논문게재 건수가 매년 조금씩 증가하고 있으며 특히

2012년에 34편의 논문이 게재되었다

표 7 인공뼈관련 검색식

번호 검색식

1Title=(artificial or replacement or implant or prosthesis or prosthetic)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

2Title=(bone or hip or stem or knee or spine or dental or tissue)

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

32 AND 1

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4

Topic=(biomaterial or material or bioceramic or ceramic or bioglass or glass or titania

or alumina or zirconia or hydroxyapate or apatite or silicate or calcium phosphate or

tricalcium phosphate) 데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

4 AND 3

데이터베이스=SCI-EXPANDED 기간=2003-2012

그림 12 연도별 논문게재 추이

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

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Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

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그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연구 트랜드 분석

지난 10년간 게재된 논문 3125편의 키워드 분석을 통해 인공뼈 관련

연구 트랜드 변화를 분석하였다 lt그림 13gt과 같이 2003 - 2007년

동안 게재된 1114편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈 분야에서의

주요 연구 분야는 Dental Implants Finite Element Analysis

Tissue Engineering Immediate Loading 분야였다 그리고 2008

- 2012년 동안 게재된 2011편의 논문 키워드 분석 결과 인공뼈

분야에서의 주요 연구 분야는 Dental Implants Implant Surface

Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width Calcium Phosphate

분야였다 즉 지난 10년 동안 인공뼈 분야에서의 주요 연구 분야로서

Dental Implants 분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며

Finite Element Analysis Tissue Engineering Immediate Loading

분야에서 Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic

Width Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화되고

있음을 알 수 있다

그림 13 2003-2007년(상) 2008-2012년(하) 동안 게재된 인공뼈 분야 논문의 핵심 키워드 분석

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 43: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

4342인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국가별 분석

주요 국가의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 국적을 분석한 결과 세계적으로 76개

국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 76개 국가 중 상위

10개국의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 14gt와 같다 이들 국가 중

미국이 609편의 논문을 발표하여 전체 3125편의 논문 중 1949를

점유하며 가장 많은 논문을 발표한 것으로 나타났다 독일은 406편

(1299) 이탈리아는 279편 (893)의 논문을 발표하여 각각 2

3위를 차지하였다 한편 우리나라는 150편 (48)의 논문을 발표하여

10위를 차지하였다

주요 국가별 논문수준 분석

국가 논문 수준지수(Level)란 특정 기술 분야 전체 논문의 평균

피인용 수에 대한 특정 국가 발표 논문의 평균 피인용 수의 비로서

피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가지표이다 수준지수가 10인 경우

특정 국가가 발표한 논문의 평균 피인용 수가 해당 분야 전체 논문의

평균 피인용 수와 같음을 의미하며 10을 초과하는 경우는 해당 분야

평균 피인용 수에 비해 높음을 의미한다

그림 14 주요 국가의 연도별 논문게재 수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

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87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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2013정보분석보고서

Page 44: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

논문 수준지수 분석 결과는 lt그림 15gt에서 보는 봐와 같이 스웨덴이

가장 높은 값(1811)을 보여 논문의 피인용 관점에서 질적 수준이 가장

우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 논문 수준지수를 보이는

국가는 스위스(1728) 미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038)

일본(1026)이며 분야 평균 이하는 독일(0953) 중국(0721)

브라질(0676) 한국(0649) 순으로 나타났다

주요 국가별 공동연구 분석

인공뼈 분야의 국제 관계 분석을 위해서 lt그림 16gt과 같이 국가별

연관관계를 분석하였다 2003년에서 2012년 게재된 논문만으로 보면

미국이 중심이 되며 그 다음으로 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것을 볼 수 있다

그림 15 주요 국가별 논문게재 수 및 수준지수

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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autocatalytically degradable PLGA microspheres - A review

Journal of Controlled Release 165 (2013) 29-37

25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

Kenny Biodegradable polymer matrix nanocomposites for

tissue engineering A review Polymer Degradation and

Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 45: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

4544인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

기관별 분석

주요 기관의 연도별 논문 수

인공뼈 관련 논문의 저자 소속기관을 분석한 결과 세계적으로

2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났다 2638개

기관 중 상위 11개 기관의 연도별 논문 게재 수는 lt그림 17gt과 같다

이들 기관 중 스웨덴의 Univ Gothenburg가 135편의 논문을 발표하여

전체 3125편의 논문 중 432를 점유하며 가장 많은 논문을 발표한

것으로 나타났다 스위스의 Univ Bern은 53편(17) 브라질의

Univ Sao Paulo는 49편(157)의 논문을 발표하여 각각 2 3위를

차지하였다 우리나라의 기관의 경우 서울대가 42편(134) 연세대가

35편(112)의 논문을 발표하여 각각 6 10위를 차지하였다

그림 16 국가별 연관 관계

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 46: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

주요 기관별 논문수준 및 국제협력 분석

기관 논문 수준지수(Index Level)란 국가 논문 수준지수와 동일한

의미로 국가 대신 기관을 대상으로 분석한 논문 수준지수이다 즉

특정 기술 분야 전체 논문의 평균 피인용 수에 대한 특정 기관 발표

논문의 평균 피인용 수의 비로서 피인용 수에 기반을 둔 질적 수준 평가

지표이다 수준 지수가 10인 경우 특정 기관이 발표한 논문의 평균

피인용 수가 해당 분야 전체 논문의 평균 피인용 수와 같음을 의미하며

10을 초과하는 경우는 해당 분야 평균 피인용 수에 비해 높음을

의미한다

국제협력관계지수는 ldquo특정 연구기관의 협력 대상 중 외국 소재

연구기관의 비중rdquo을 의미하며 이 값이 클수록 국제 공동연구를 활발히

하는 즉 국제네트워크가 강하게 형성된 연구기관임을 의미한다

국제협력강도(Strength of International Cooperation)는 ldquo분야

평균 국제협력관계지수에 대한 특정 연구기관의 국제협력관계지수의

비rdquo로서 특정 연구기관의 국제협력관계지수를 분야 평균으로

정규화한 값이다 특정 연구기관의 국제협력강도가 10인 경우는 해당

연구기관의 국제협력강도가 분야 평균임을 의미하며 10 이상인

그림 17 주요 기관의 연도별 논문게재 수

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

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Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

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BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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modeling of the degradation kinetics Materials Science and

Engineering C 32 (2012) 404-415

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

17 R Dorati C Colonna C Tomasi I Genta G Bruni B

Conti Design of 3D scaffolds for tissue engineering testing a

tough polylactide-based graft copolymer Materials Science

and Engineering C (2013) in-press

18 Masami Okamoto Baiju John Synthetic biopolymer

nanocomposites for tissue engineering scaffolds Progress in

Polymer Science 38 (2013) 1487-1503

19 K C Kavya R Jayakumar Shantikumar Nair Krishna

Prasad Chennazhi Fabrication and characterization

of chitosangelatinnSiO2 composite scaffold for bone

tissue engineering International Journal of Biological

Macromolecules 59 (2013) 255-263

20 정구인 김지선 최주현 전재훈 의공학 분야에서 사용되는

의용생체재료의 연구 동향 및 전망 공업화학전망 13(6) (2010) 18-

31

21 松崎邦南 花田幸太郎 生體吸收マグネシウム合金の成形技術の開發

素形材(日本) 54(3) (2013) 27~32

22 Harpreet S Brar Benjamin G Keselowsky Malisa

Sarntinoranont and Michele V Manuel Design

Considerations for Developing Biodegradable and

Bioabsorbale Magnesium Implants JOM Journal of the

Minerals Metals and Materials Society 63(4) (2011) 100~104

23 Nan Li Yufeng Zheng Novel Magnesium Alloys Developed

for Biomedical Application A Review Journal of Materials

Science amp Technology 29(6) (2013) 489-502

24 Ashlee N Ford Versypt Daniel W Pack Richard D

Braatz Mathematical modeling of drug delivery from

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

autocatalytically degradable PLGA microspheres - A review

Journal of Controlled Release 165 (2013) 29-37

25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

Kenny Biodegradable polymer matrix nanocomposites for

tissue engineering A review Polymer Degradation and

Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 47: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

4746인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

경우는 분야 평균 이상임을 10 미만인 경우는 분야 평균 이하임을

의미한다

논문 수가 많은 상위 11개 기관의 논문 수준지수와 국제협력강도를

그림 18에 나타내었다 해당 기술의 기관별 수준 분석 결과 Univ

Gothenburg가 가장 높은 값(2364)을 보여 논문의 피인용 관점에서

질적 수준이 가장 우수한 것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을

보이는 기관은 Univ Gothenburg(2364) Univ Bern(2287) Univ

Milan(1407) Univ Zurich(1331) Univ Leeds(1213) Univ

Bologna(1107)이며 분야 평균 이하는 서울대(077) NYU(0699)

Univ Hong Kong(0617) 연세대(0601) Univ Sao Paulo(0476)

순으로 나타났다

기관별 국제협력강도 분석 결과 Univ Hong Kong(6127)의

국제협력강도가 가장 높은 것으로 나타났다 분야 평균 이상의

수준을 보이는 기관은 Univ Hong Kong(6127) Univ Bern(431)

NYU(2868) Univ Gothenburg(274) Univ Bologna(2317)

Univ Zurich(2186) Univ Milan(1916) Univ Sao Paulo(1508)

서울대(1005)이며 분야 평균 이하는 Univ Leeds(0805)

그림 18 주요 기관별 논문 수준지수와 국제협력강도

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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Sarntinoranont and Michele V Manuel Design

Considerations for Developing Biodegradable and

Bioabsorbale Magnesium Implants JOM Journal of the

Minerals Metals and Materials Society 63(4) (2011) 100~104

23 Nan Li Yufeng Zheng Novel Magnesium Alloys Developed

for Biomedical Application A Review Journal of Materials

Science amp Technology 29(6) (2013) 489-502

24 Ashlee N Ford Versypt Daniel W Pack Richard D

Braatz Mathematical modeling of drug delivery from

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

autocatalytically degradable PLGA microspheres - A review

Journal of Controlled Release 165 (2013) 29-37

25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

Kenny Biodegradable polymer matrix nanocomposites for

tissue engineering A review Polymer Degradation and

Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 48: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

연세대(0601)로 나타났다 따라서 논문 질적 수준과 국제협력관계의

관점에서 스웨덴의 Univ Gothenburg와 스위스의 Univ Bern이

인공뼈 연구 분야에 있어서 핵심기관으로 판단된다

핵심연구기관의 최근 연구 분야 분석

핵심기관인 Univ Gothenburg와 Univ Bern에서 2012년도에

발표한 논문을 조사하여 각 기관의 최신 연구 분야를 분석하였다

Univ Gothenburg의 경우 Dentistry Oral Surgery(15편)

Engineering(1편) Otorhinolaryngology(1편) Biochemistry

Molecular Biology(1편) Neurosciences Neurology(1편)

Pharmacology Pharmacy(1편) Cell Biology(1편) Orthopedics(1편)

Science Technology Other Topics(1편)로 나타났다 Univ

Bern의 경우 Dentistry Oral Surgery(10편) Cell Biology(1편)

Materials Science(1편) Engineering(1편)으로 나타났다 즉 Univ

Gothenburg와 Univ Bern에서 최근 중점적으로 연구하고 있는 분야는

Dental Implants 분야인 것으로 분석되었다

한국 기관 현황

국내 연구기관 중 인공뼈 관련 논문을 1편 이상 발표한 기관은 총

85개 기관으로 나타났으며 5편 이상 논문을 게재한 연구기관은 lt표

8gt과 같다

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

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31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

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32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

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33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

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Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 49: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

4948인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

저자별 분석

저자별 논문수준 및 국제협력 분석

저자 논문지수 및 국제협력강도 분석 방법은 기관별 논문지수 및

국제협력강도 분석과 동일한 방법으로 수행되었다 lt그림 19gt와 같이

저자별 수준 분석 결과 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(2566) Hammerle CHF(248) Botticelli D(206) Sennerby

L(1833) Fisher J(1584) Esposito M(1381) Jansen JA(1326)

Jin ZM(1153) Piattelli A(1098) Felice P(1067)가 있다 저자별

국제협력강도 분석 결과 Lang NP(6271)의 국제협력강도가 가장 높은

것으로 나타났다 분야 평균 이상의 수준을 보이는 저자로는 Lang

NP(6271) Botticelli D(5375) Felice P(4686) Esposito M(3515)

Jansen JA(2267) Piattelli A(1758) Iezzi G(1561) Hammerle

CHF(148) Sennerby L(1339)이 있다 따라서 논문 질적 수준과

순위 기관명 논문 수

1 서울대학교 42

2 연세대학교 35

3 이화여자대학교 12

4 경북대학교 10

5 고려대학교 9

6 조선대학교 8

7 울산대학교 6

7 단국대학교 6

9 성균관대학교 5

9 전남대학교 5

9 부산대학교 5

9 전북대학교 5

표 9 5편 이상 논문을 발표한 국내 연구기관

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

이상인 논문을 lt표 9gt에 나타내었다

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Willert HG Buchhorn GH Fayyazi A Flury R Windler M Koster G

Lohmann CH

Metal-on-metal bearings and hypersensitivity in patients with

artificial hip joints - A clinical and histomorphological study

JOURNAL OF BONE AND JOINT SURGERY-AMERICAN VOLUME

87A 28 377 2005

Leong KF Cheah CM Chua CK

Solid freeform fabrication of three-dimensional scaffolds for

engineering replacement tissues and organs

BIOMATERIALS 24 2363 367 2003

Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

Amouriq Y

Surface treatments of titanium dental implants for rapid

osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

Response of brain tissue to chronically implanted neural

electrodes

JOURNAL OF NEUROSCIENCE

METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

BIOMATERIALS 24 2133 267 2003

Berglundh T Abrahamsson I Lang

NP Lindhe J

De novo alveolar bone formation adjacent to endosseous implants -

A model study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 251 225 2003

Santerre JP Woodhouse K Laroche G Labow RS

Understanding the biodegradation of polyurethanes From classical implants to tissue engineering

materials

BIOMATERIALS 26 7457 200 2005

Raigrodski AJ Chiche GJ Potiket N Hochstedler JL

Mohamed SE Billiot S Mercante DE

The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

JOURNAL OF PROSTHETIC DENTISTRY

96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

Cooper LF

Advancing dental implant surface technology - From micron- to

nanotopographyBIOMATERIALS 29 3822 183 2008

Botticelli D Berglundh T Lindhe J

Hard-tissue alterations following immediate implant placement in

extraction sites

JOURNAL OF CLINICAL PERIODONTOLOGY

31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

successful in furnishing bony support for implant placement

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

22 49 180 2007

Pearce AI Richards RG Milz S Schneider E

Pearce SG

Animal models for implant biomaterial research in bone A

review

EUROPEAN CELLS amp MATERIALS

13 1 178 2007

Karoussis IK Salvi GE Heitz-Mayfield LJA

Bragger U Hammerle CHF Lang NP

Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

(R) Dental Implant System

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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Page 50: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈 연구

분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

고 피인용 논문

인공뼈 관련 논문 3125편 중 (2003-2012년 출판된 논문) 적어도

1회 이상 인용된 논문 수는 2618편(8378)이며 피인용수가 120회

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Le Guehennec L Soueidan A Layrolle P

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osseointegrationDENTAL MATERIALS 23 844 324 2007

그림 19 주요 저자별 논문 수준지수와 국제협력강도

표 9 120회 이상 피인용된 논문 리스트

5150인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Polikov VS Tresco PA Reichert WM

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METHODS148 1 300 2005

Wang MDeveloping bioactive composite materials for tissue replacement

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The efficacy of posterior three-unit zirconium-oxide-based ceramic fixed partial dental prostheses A

prospective clinical pilot study

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96 237 183 2006

Mendonca G Mendonca DBS Aragao FJL

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Botticelli D Berglundh T Lindhe J

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31 820 180 2004

Aghaloo TL Moy PK

Which hard tissue augmentation techniques are the most

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22 49 180 2007

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Long-term implant prognosis in patients with and without a history of chronic periodontitis a 10-year prospective cohort study of the ITI

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CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

14 329 163 2003

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

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35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

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6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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Page 51: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

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Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

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Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

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STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

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5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1 Marc Andre Meyers Po-Yu Chen Albert Yu-Min Lin

Yasuaki Seki 2008 Biological materials Structure and

mechanical properties Progress in Materials Science 53 (2008)

1-206

2 Horacio D Espinosa Jee E Rim Francois Barthelat Markus

J Buehler Merger of structure and material in nacre and

bone Perspectives on de novo biomimetic materials Progress

in Materials Science 54 (2009) 1059-1100

3 Jae-Young Rho Liisa Kuhn-Spearing Peter Zioupos

Mechanical properties and the hierarchical structure of bone

Medical Engineering ampamp Physics 20 (1998) 92-102

4 J H Kim M Niinomi T Akahori H Toda Fatigue

properties of bovine compact bones that have different

microstructures International Journal of Fatigue 29 (2007)

1039-1050

5 J H Kim M Niinomi T Akahori J Takeda H Toda

Effect of microstructures on fatigue strength of bovine

compact bone JSME International Journal Series A 48(4)

(2005) 472-480

6 J Homminaga BR McCreadie TE Ciarelli H Weinans

SA Goldstein R Huiskes Cancellous Bone Mechanical

Properties From Normals and Patients With Hip Fractures

Differ on the Structure Level Not on the Bone Hard Tissue

Level Bone 30(5) (2002) 759-764

참 고 문 헌

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

7 Tadashi Kokubo Hyun-Min Kim Masakazu Kawashita Novel

bioactive materials with different mechanical properties

Biomaterials 24 (2003) 2161-2175

8 Kalpana S Katti Biomaterials in total joint replacement

Colloids and Surfaces B Biointerfaces 39 (2004) 133-142

9 Usha Kini B N Nandeesh Physiology of Bone Formation

Remodeling and Metabolism Radionuclide and Hybrid Bone

Imaging (2012) 29-57

10 JB Park JD Bronzino Biomaterials Principles and

Applications CRC press Boca Raton FL 2003

11 M Geetha AK Singh R Asokamani AK Gogia Ti based

biomaterials the ultimate choice for orthopaedic implants

A review Progress in Materials Science 54 (2009) 397-425

12 Tissue engineering Bernhard O Palsson Sangeeta N

Bhatia Pearson Prentice Hall Bioengineering 2004

13 材料と生體組織との接合 表面技術(日本) 63(12) (2012)

733~737

14 J H Shepherd S M Best Calcium Phosphate Scaffolds

for Bone Repair JOM Journal of the Minerals Metals and

Materials Society 63(4) 2011 83-92

15 F J Orsquobrien Biomaterials and scaffolds for tissue

engineering Materials Today 14(3) 2011 88~95

16 Herman S Mansur Hermes S Costa Alexandra AP

Mansur Marivalda Pereira 3D-macroporous hybrid scaffolds

for tissue engineering Network design and mathematical

modeling of the degradation kinetics Materials Science and

Engineering C 32 (2012) 404-415

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

17 R Dorati C Colonna C Tomasi I Genta G Bruni B

Conti Design of 3D scaffolds for tissue engineering testing a

tough polylactide-based graft copolymer Materials Science

and Engineering C (2013) in-press

18 Masami Okamoto Baiju John Synthetic biopolymer

nanocomposites for tissue engineering scaffolds Progress in

Polymer Science 38 (2013) 1487-1503

19 K C Kavya R Jayakumar Shantikumar Nair Krishna

Prasad Chennazhi Fabrication and characterization

of chitosangelatinnSiO2 composite scaffold for bone

tissue engineering International Journal of Biological

Macromolecules 59 (2013) 255-263

20 정구인 김지선 최주현 전재훈 의공학 분야에서 사용되는

의용생체재료의 연구 동향 및 전망 공업화학전망 13(6) (2010) 18-

31

21 松崎邦南 花田幸太郎 生體吸收マグネシウム合金の成形技術の開發

素形材(日本) 54(3) (2013) 27~32

22 Harpreet S Brar Benjamin G Keselowsky Malisa

Sarntinoranont and Michele V Manuel Design

Considerations for Developing Biodegradable and

Bioabsorbale Magnesium Implants JOM Journal of the

Minerals Metals and Materials Society 63(4) (2011) 100~104

23 Nan Li Yufeng Zheng Novel Magnesium Alloys Developed

for Biomedical Application A Review Journal of Materials

Science amp Technology 29(6) (2013) 489-502

24 Ashlee N Ford Versypt Daniel W Pack Richard D

Braatz Mathematical modeling of drug delivery from

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

autocatalytically degradable PLGA microspheres - A review

Journal of Controlled Release 165 (2013) 29-37

25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

Kenny Biodegradable polymer matrix nanocomposites for

tissue engineering A review Polymer Degradation and

Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 52: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Author Title Journal Volume Page Citation Year

Abrahamsson I Berglundh T Linder E

Lang NP Lindhe J

Early bone formation adjacent to rough and turned endosseous

implant surfaces - An experimental study in the dog

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

15 381 163 2004

Meinel L Fajardo R Hofmann S Langer

R Chen J Snyder B Vunjak-Novakovic G

Kaplan D

Silk implants for the healing of critical size bone defects

BONE 37 688 161 2005

Xu LP Yu GN Zhang E Pan F Yang K

In vivo corrosion behavior of Mg-Mn-Zn alloy for bone implant

application

JOURNAL OF BIOMEDICAL MATERIALS

RESEARCH PART A

83A 703 147 2007

Mano JF Sousa RA Boesel LF Neves NM

Reis RL

Bloinert biodegradable and injectable polymeric matrix composites for hard tissue

replacement state of the art and recent developments

COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY

64 789 146 2004

Inzunza J Gertow K Stromberg MA

Matilainen E Blennow E Skottman H Wolbank

S Ahrlund-Richter L Hovatta O

Derivation of human embryonic stem cell lines in serum

replacement medium using postnatal human fibroblasts as

feeder cells

STEM CELLS 23 544 140 2005

Pjetursson BE Bragger U Lang NP Zwahlen M

Comparison of survival and complication rates of tooth-

supported fixed dental prostheses (FDPs) and implant-supported FDPs and single crowns (SCs)

CLINICAL ORAL IMPLANTS RESEARCH

18 97 140 2007

Ellingsen JE Johansson CB Wennerberg A

Holmen A

Improved retention and bone-to-implant contact with fluoride-

modified titanium implants

INTERNATIONAL JOURNAL OF ORAL amp MAXILLOFACIAL

IMPLANTS

19 659 136 2004

Learmonth ID Young C Rorabeck C

The operation of the century total hip replacement

LANCET 370 1508 127 2007

Metcalfe AD Ferguson MWJ

Tissue engineering of replacement skin the crossroads of biomaterials wound healing embryonic development stem

cells and regeneration

JOURNAL OF THE ROYAL SOCIETY

INTERFACE4 413 122 2007

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1 Marc Andre Meyers Po-Yu Chen Albert Yu-Min Lin

Yasuaki Seki 2008 Biological materials Structure and

mechanical properties Progress in Materials Science 53 (2008)

1-206

2 Horacio D Espinosa Jee E Rim Francois Barthelat Markus

J Buehler Merger of structure and material in nacre and

bone Perspectives on de novo biomimetic materials Progress

in Materials Science 54 (2009) 1059-1100

3 Jae-Young Rho Liisa Kuhn-Spearing Peter Zioupos

Mechanical properties and the hierarchical structure of bone

Medical Engineering ampamp Physics 20 (1998) 92-102

4 J H Kim M Niinomi T Akahori H Toda Fatigue

properties of bovine compact bones that have different

microstructures International Journal of Fatigue 29 (2007)

1039-1050

5 J H Kim M Niinomi T Akahori J Takeda H Toda

Effect of microstructures on fatigue strength of bovine

compact bone JSME International Journal Series A 48(4)

(2005) 472-480

6 J Homminaga BR McCreadie TE Ciarelli H Weinans

SA Goldstein R Huiskes Cancellous Bone Mechanical

Properties From Normals and Patients With Hip Fractures

Differ on the Structure Level Not on the Bone Hard Tissue

Level Bone 30(5) (2002) 759-764

참 고 문 헌

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

7 Tadashi Kokubo Hyun-Min Kim Masakazu Kawashita Novel

bioactive materials with different mechanical properties

Biomaterials 24 (2003) 2161-2175

8 Kalpana S Katti Biomaterials in total joint replacement

Colloids and Surfaces B Biointerfaces 39 (2004) 133-142

9 Usha Kini B N Nandeesh Physiology of Bone Formation

Remodeling and Metabolism Radionuclide and Hybrid Bone

Imaging (2012) 29-57

10 JB Park JD Bronzino Biomaterials Principles and

Applications CRC press Boca Raton FL 2003

11 M Geetha AK Singh R Asokamani AK Gogia Ti based

biomaterials the ultimate choice for orthopaedic implants

A review Progress in Materials Science 54 (2009) 397-425

12 Tissue engineering Bernhard O Palsson Sangeeta N

Bhatia Pearson Prentice Hall Bioengineering 2004

13 材料と生體組織との接合 表面技術(日本) 63(12) (2012)

733~737

14 J H Shepherd S M Best Calcium Phosphate Scaffolds

for Bone Repair JOM Journal of the Minerals Metals and

Materials Society 63(4) 2011 83-92

15 F J Orsquobrien Biomaterials and scaffolds for tissue

engineering Materials Today 14(3) 2011 88~95

16 Herman S Mansur Hermes S Costa Alexandra AP

Mansur Marivalda Pereira 3D-macroporous hybrid scaffolds

for tissue engineering Network design and mathematical

modeling of the degradation kinetics Materials Science and

Engineering C 32 (2012) 404-415

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

17 R Dorati C Colonna C Tomasi I Genta G Bruni B

Conti Design of 3D scaffolds for tissue engineering testing a

tough polylactide-based graft copolymer Materials Science

and Engineering C (2013) in-press

18 Masami Okamoto Baiju John Synthetic biopolymer

nanocomposites for tissue engineering scaffolds Progress in

Polymer Science 38 (2013) 1487-1503

19 K C Kavya R Jayakumar Shantikumar Nair Krishna

Prasad Chennazhi Fabrication and characterization

of chitosangelatinnSiO2 composite scaffold for bone

tissue engineering International Journal of Biological

Macromolecules 59 (2013) 255-263

20 정구인 김지선 최주현 전재훈 의공학 분야에서 사용되는

의용생체재료의 연구 동향 및 전망 공업화학전망 13(6) (2010) 18-

31

21 松崎邦南 花田幸太郎 生體吸收マグネシウム合金の成形技術の開發

素形材(日本) 54(3) (2013) 27~32

22 Harpreet S Brar Benjamin G Keselowsky Malisa

Sarntinoranont and Michele V Manuel Design

Considerations for Developing Biodegradable and

Bioabsorbale Magnesium Implants JOM Journal of the

Minerals Metals and Materials Society 63(4) (2011) 100~104

23 Nan Li Yufeng Zheng Novel Magnesium Alloys Developed

for Biomedical Application A Review Journal of Materials

Science amp Technology 29(6) (2013) 489-502

24 Ashlee N Ford Versypt Daniel W Pack Richard D

Braatz Mathematical modeling of drug delivery from

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

autocatalytically degradable PLGA microspheres - A review

Journal of Controlled Release 165 (2013) 29-37

25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

Kenny Biodegradable polymer matrix nanocomposites for

tissue engineering A review Polymer Degradation and

Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 53: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

5352인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

인공뼈 재료의 필수조건 및최신 연구 동향

결론 및 시사점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1 Marc Andre Meyers Po-Yu Chen Albert Yu-Min Lin

Yasuaki Seki 2008 Biological materials Structure and

mechanical properties Progress in Materials Science 53 (2008)

1-206

2 Horacio D Espinosa Jee E Rim Francois Barthelat Markus

J Buehler Merger of structure and material in nacre and

bone Perspectives on de novo biomimetic materials Progress

in Materials Science 54 (2009) 1059-1100

3 Jae-Young Rho Liisa Kuhn-Spearing Peter Zioupos

Mechanical properties and the hierarchical structure of bone

Medical Engineering ampamp Physics 20 (1998) 92-102

4 J H Kim M Niinomi T Akahori H Toda Fatigue

properties of bovine compact bones that have different

microstructures International Journal of Fatigue 29 (2007)

1039-1050

5 J H Kim M Niinomi T Akahori J Takeda H Toda

Effect of microstructures on fatigue strength of bovine

compact bone JSME International Journal Series A 48(4)

(2005) 472-480

6 J Homminaga BR McCreadie TE Ciarelli H Weinans

SA Goldstein R Huiskes Cancellous Bone Mechanical

Properties From Normals and Patients With Hip Fractures

Differ on the Structure Level Not on the Bone Hard Tissue

Level Bone 30(5) (2002) 759-764

참 고 문 헌

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

7 Tadashi Kokubo Hyun-Min Kim Masakazu Kawashita Novel

bioactive materials with different mechanical properties

Biomaterials 24 (2003) 2161-2175

8 Kalpana S Katti Biomaterials in total joint replacement

Colloids and Surfaces B Biointerfaces 39 (2004) 133-142

9 Usha Kini B N Nandeesh Physiology of Bone Formation

Remodeling and Metabolism Radionuclide and Hybrid Bone

Imaging (2012) 29-57

10 JB Park JD Bronzino Biomaterials Principles and

Applications CRC press Boca Raton FL 2003

11 M Geetha AK Singh R Asokamani AK Gogia Ti based

biomaterials the ultimate choice for orthopaedic implants

A review Progress in Materials Science 54 (2009) 397-425

12 Tissue engineering Bernhard O Palsson Sangeeta N

Bhatia Pearson Prentice Hall Bioengineering 2004

13 材料と生體組織との接合 表面技術(日本) 63(12) (2012)

733~737

14 J H Shepherd S M Best Calcium Phosphate Scaffolds

for Bone Repair JOM Journal of the Minerals Metals and

Materials Society 63(4) 2011 83-92

15 F J Orsquobrien Biomaterials and scaffolds for tissue

engineering Materials Today 14(3) 2011 88~95

16 Herman S Mansur Hermes S Costa Alexandra AP

Mansur Marivalda Pereira 3D-macroporous hybrid scaffolds

for tissue engineering Network design and mathematical

modeling of the degradation kinetics Materials Science and

Engineering C 32 (2012) 404-415

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

17 R Dorati C Colonna C Tomasi I Genta G Bruni B

Conti Design of 3D scaffolds for tissue engineering testing a

tough polylactide-based graft copolymer Materials Science

and Engineering C (2013) in-press

18 Masami Okamoto Baiju John Synthetic biopolymer

nanocomposites for tissue engineering scaffolds Progress in

Polymer Science 38 (2013) 1487-1503

19 K C Kavya R Jayakumar Shantikumar Nair Krishna

Prasad Chennazhi Fabrication and characterization

of chitosangelatinnSiO2 composite scaffold for bone

tissue engineering International Journal of Biological

Macromolecules 59 (2013) 255-263

20 정구인 김지선 최주현 전재훈 의공학 분야에서 사용되는

의용생체재료의 연구 동향 및 전망 공업화학전망 13(6) (2010) 18-

31

21 松崎邦南 花田幸太郎 生體吸收マグネシウム合金の成形技術の開發

素形材(日本) 54(3) (2013) 27~32

22 Harpreet S Brar Benjamin G Keselowsky Malisa

Sarntinoranont and Michele V Manuel Design

Considerations for Developing Biodegradable and

Bioabsorbale Magnesium Implants JOM Journal of the

Minerals Metals and Materials Society 63(4) (2011) 100~104

23 Nan Li Yufeng Zheng Novel Magnesium Alloys Developed

for Biomedical Application A Review Journal of Materials

Science amp Technology 29(6) (2013) 489-502

24 Ashlee N Ford Versypt Daniel W Pack Richard D

Braatz Mathematical modeling of drug delivery from

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

autocatalytically degradable PLGA microspheres - A review

Journal of Controlled Release 165 (2013) 29-37

25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

Kenny Biodegradable polymer matrix nanocomposites for

tissue engineering A review Polymer Degradation and

Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 54: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

뼈란 단단하기만 하고 활동이 없는 신체의 일부분이라고 생각하기

쉽다 그러나 뼈는 우리 몸에서 매우중요한 장기로 여러 가지 기능을

수행하고 있다 즉 집의 기둥처럼 몸의 형태를 유지하고 중요한 장기를

외부의 충격으로부터 보호하며 칼슘 인의 저장소로 이러한 물질들이

부족하거나 증가하는 현상을 방지하는 저수지의 역할을 하는 등 우리

몸에서 중요한 기능을 담당하고 있다 따라서 뼈에서도 다른 장기와

마찬가지로 신진대사가 활발하게 일어나고 있다 우리 몸이 성장할

때에는 뼈가 길어지고 굵어지며 성장이 중단된 이후에도 오래된 뼈는

없어지고 새로운 뼈가 없어진 곳을 메우는 과정이 끊임없이 일생동안

일어난다 뼈는 이러한 다양한 기능을 동시에 수행 할 수 있도록 복잡한

구조로 이루어져 있다 따라서 인공뼈 개발은 본래 자연뼈의 조성과

미세구조 및 기계적 특성을 가장 비슷하게 재현하거나 모방하는 것이

중요하며 생체적합성 생분해성 기계적 특성 표면 특성 골형성

다공성 3차원 구조 등은 인공뼈의 필수조건이라 할 수 있다

뼈와 같은 생체 경조직 치료 대체 재료로 현재까지 많은 재료가

결론 및 사시점

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1 Marc Andre Meyers Po-Yu Chen Albert Yu-Min Lin

Yasuaki Seki 2008 Biological materials Structure and

mechanical properties Progress in Materials Science 53 (2008)

1-206

2 Horacio D Espinosa Jee E Rim Francois Barthelat Markus

J Buehler Merger of structure and material in nacre and

bone Perspectives on de novo biomimetic materials Progress

in Materials Science 54 (2009) 1059-1100

3 Jae-Young Rho Liisa Kuhn-Spearing Peter Zioupos

Mechanical properties and the hierarchical structure of bone

Medical Engineering ampamp Physics 20 (1998) 92-102

4 J H Kim M Niinomi T Akahori H Toda Fatigue

properties of bovine compact bones that have different

microstructures International Journal of Fatigue 29 (2007)

1039-1050

5 J H Kim M Niinomi T Akahori J Takeda H Toda

Effect of microstructures on fatigue strength of bovine

compact bone JSME International Journal Series A 48(4)

(2005) 472-480

6 J Homminaga BR McCreadie TE Ciarelli H Weinans

SA Goldstein R Huiskes Cancellous Bone Mechanical

Properties From Normals and Patients With Hip Fractures

Differ on the Structure Level Not on the Bone Hard Tissue

Level Bone 30(5) (2002) 759-764

참 고 문 헌

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

7 Tadashi Kokubo Hyun-Min Kim Masakazu Kawashita Novel

bioactive materials with different mechanical properties

Biomaterials 24 (2003) 2161-2175

8 Kalpana S Katti Biomaterials in total joint replacement

Colloids and Surfaces B Biointerfaces 39 (2004) 133-142

9 Usha Kini B N Nandeesh Physiology of Bone Formation

Remodeling and Metabolism Radionuclide and Hybrid Bone

Imaging (2012) 29-57

10 JB Park JD Bronzino Biomaterials Principles and

Applications CRC press Boca Raton FL 2003

11 M Geetha AK Singh R Asokamani AK Gogia Ti based

biomaterials the ultimate choice for orthopaedic implants

A review Progress in Materials Science 54 (2009) 397-425

12 Tissue engineering Bernhard O Palsson Sangeeta N

Bhatia Pearson Prentice Hall Bioengineering 2004

13 材料と生體組織との接合 表面技術(日本) 63(12) (2012)

733~737

14 J H Shepherd S M Best Calcium Phosphate Scaffolds

for Bone Repair JOM Journal of the Minerals Metals and

Materials Society 63(4) 2011 83-92

15 F J Orsquobrien Biomaterials and scaffolds for tissue

engineering Materials Today 14(3) 2011 88~95

16 Herman S Mansur Hermes S Costa Alexandra AP

Mansur Marivalda Pereira 3D-macroporous hybrid scaffolds

for tissue engineering Network design and mathematical

modeling of the degradation kinetics Materials Science and

Engineering C 32 (2012) 404-415

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

17 R Dorati C Colonna C Tomasi I Genta G Bruni B

Conti Design of 3D scaffolds for tissue engineering testing a

tough polylactide-based graft copolymer Materials Science

and Engineering C (2013) in-press

18 Masami Okamoto Baiju John Synthetic biopolymer

nanocomposites for tissue engineering scaffolds Progress in

Polymer Science 38 (2013) 1487-1503

19 K C Kavya R Jayakumar Shantikumar Nair Krishna

Prasad Chennazhi Fabrication and characterization

of chitosangelatinnSiO2 composite scaffold for bone

tissue engineering International Journal of Biological

Macromolecules 59 (2013) 255-263

20 정구인 김지선 최주현 전재훈 의공학 분야에서 사용되는

의용생체재료의 연구 동향 및 전망 공업화학전망 13(6) (2010) 18-

31

21 松崎邦南 花田幸太郎 生體吸收マグネシウム合金の成形技術の開發

素形材(日本) 54(3) (2013) 27~32

22 Harpreet S Brar Benjamin G Keselowsky Malisa

Sarntinoranont and Michele V Manuel Design

Considerations for Developing Biodegradable and

Bioabsorbale Magnesium Implants JOM Journal of the

Minerals Metals and Materials Society 63(4) (2011) 100~104

23 Nan Li Yufeng Zheng Novel Magnesium Alloys Developed

for Biomedical Application A Review Journal of Materials

Science amp Technology 29(6) (2013) 489-502

24 Ashlee N Ford Versypt Daniel W Pack Richard D

Braatz Mathematical modeling of drug delivery from

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

autocatalytically degradable PLGA microspheres - A review

Journal of Controlled Release 165 (2013) 29-37

25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

Kenny Biodegradable polymer matrix nanocomposites for

tissue engineering A review Polymer Degradation and

Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 55: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

5554인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

사용되어 왔다 뼈 지지체로 이용되는 가장 고전적인 금속 재료는

Stainless Steels Co-Cr alloys Ti alloys 등이 대표적이라 할 수 있다

현재에도 삽입 이식재료의 대부분은 엉덩이 무릎 척추 치아에 금속

이식재료가 사용되고 있다 하지만 체내에서 Stainless Steels이나

Co-Cr 합금은 용출되어 독성 또는 피부관련 병의 과잉감작반응을

일으키거나 발암 등 문제점을 가지고 있다 Ti alloy은 뼈의 탄성률에

가장 가까워 뼈 흡수를 저지하거나 뼈의 리모델링을 강화하여 응력차폐

범위를 줄일 수 있으며 표면에 안정한 부동태인 TiO2층이 형성되어

내식성이 우수하고 생체적합성도 우수한 특징이 있으나 전단강도가

약하여 스크루나 플레이트의 용도로는 한계가 있다

세라믹스는 우수한 생체적합성을 가지고 있다 Al2O3 ZrO2

등은 우수한 기계적 강도와 내구성 낮은 마찰 및 마모계수로 인공

대퇴부나 관골구라이너로 주로 이용된다 TCP와 HA 등의 인산칼슘계

세라믹스는 생체적합성이 우수하여 인공뼈 재료로 주로 사용되나

살아있는 뼈 조직에 대하여 생리학적 활성을 발현하는 이유는

아직까지도 명확히 밝혀지지 않았다

폴리머는 정확하게 화학조성 결정도 분자량 분자량 분포

미세거시구조를 제어할 수 있기 때문에 실제 가장 많이 사용되고 있는

인공뼈 재료 중의 하나이다 이런 장점으로 지지체의 분해속도와

기계적 강도와 같은 특성을 충분히 조절 가능하여 세포수명 증식

조직형성에 최적의 조건을 만들 수 있다 또한 이와 같은 폴리머의

분해 부산물은 자연적인 신진대사에 의해서 쉽게 제거될 수 있다 가장

일반적으로 사용되는 폴리머는 생분해성 폴리머로 PLA PGA PLGA

등이 있다

폴리머 세라믹 복합재료는 뼈의 재생을 위한 인공뼈의 물리적

기계적 및 생물학적 특성을 최적화 할 수 있는 생체활성 세라믹스와

생분해성 폴리머 각각의 장점을 가지고 있어 인공뼈 필수조건에 가장

근접한 재료로서 최근 수 년 동안 뼈 조직공학용 지지체 재료로 개발에

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1 Marc Andre Meyers Po-Yu Chen Albert Yu-Min Lin

Yasuaki Seki 2008 Biological materials Structure and

mechanical properties Progress in Materials Science 53 (2008)

1-206

2 Horacio D Espinosa Jee E Rim Francois Barthelat Markus

J Buehler Merger of structure and material in nacre and

bone Perspectives on de novo biomimetic materials Progress

in Materials Science 54 (2009) 1059-1100

3 Jae-Young Rho Liisa Kuhn-Spearing Peter Zioupos

Mechanical properties and the hierarchical structure of bone

Medical Engineering ampamp Physics 20 (1998) 92-102

4 J H Kim M Niinomi T Akahori H Toda Fatigue

properties of bovine compact bones that have different

microstructures International Journal of Fatigue 29 (2007)

1039-1050

5 J H Kim M Niinomi T Akahori J Takeda H Toda

Effect of microstructures on fatigue strength of bovine

compact bone JSME International Journal Series A 48(4)

(2005) 472-480

6 J Homminaga BR McCreadie TE Ciarelli H Weinans

SA Goldstein R Huiskes Cancellous Bone Mechanical

Properties From Normals and Patients With Hip Fractures

Differ on the Structure Level Not on the Bone Hard Tissue

Level Bone 30(5) (2002) 759-764

참 고 문 헌

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

7 Tadashi Kokubo Hyun-Min Kim Masakazu Kawashita Novel

bioactive materials with different mechanical properties

Biomaterials 24 (2003) 2161-2175

8 Kalpana S Katti Biomaterials in total joint replacement

Colloids and Surfaces B Biointerfaces 39 (2004) 133-142

9 Usha Kini B N Nandeesh Physiology of Bone Formation

Remodeling and Metabolism Radionuclide and Hybrid Bone

Imaging (2012) 29-57

10 JB Park JD Bronzino Biomaterials Principles and

Applications CRC press Boca Raton FL 2003

11 M Geetha AK Singh R Asokamani AK Gogia Ti based

biomaterials the ultimate choice for orthopaedic implants

A review Progress in Materials Science 54 (2009) 397-425

12 Tissue engineering Bernhard O Palsson Sangeeta N

Bhatia Pearson Prentice Hall Bioengineering 2004

13 材料と生體組織との接合 表面技術(日本) 63(12) (2012)

733~737

14 J H Shepherd S M Best Calcium Phosphate Scaffolds

for Bone Repair JOM Journal of the Minerals Metals and

Materials Society 63(4) 2011 83-92

15 F J Orsquobrien Biomaterials and scaffolds for tissue

engineering Materials Today 14(3) 2011 88~95

16 Herman S Mansur Hermes S Costa Alexandra AP

Mansur Marivalda Pereira 3D-macroporous hybrid scaffolds

for tissue engineering Network design and mathematical

modeling of the degradation kinetics Materials Science and

Engineering C 32 (2012) 404-415

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

17 R Dorati C Colonna C Tomasi I Genta G Bruni B

Conti Design of 3D scaffolds for tissue engineering testing a

tough polylactide-based graft copolymer Materials Science

and Engineering C (2013) in-press

18 Masami Okamoto Baiju John Synthetic biopolymer

nanocomposites for tissue engineering scaffolds Progress in

Polymer Science 38 (2013) 1487-1503

19 K C Kavya R Jayakumar Shantikumar Nair Krishna

Prasad Chennazhi Fabrication and characterization

of chitosangelatinnSiO2 composite scaffold for bone

tissue engineering International Journal of Biological

Macromolecules 59 (2013) 255-263

20 정구인 김지선 최주현 전재훈 의공학 분야에서 사용되는

의용생체재료의 연구 동향 및 전망 공업화학전망 13(6) (2010) 18-

31

21 松崎邦南 花田幸太郎 生體吸收マグネシウム合金の成形技術の開發

素形材(日本) 54(3) (2013) 27~32

22 Harpreet S Brar Benjamin G Keselowsky Malisa

Sarntinoranont and Michele V Manuel Design

Considerations for Developing Biodegradable and

Bioabsorbale Magnesium Implants JOM Journal of the

Minerals Metals and Materials Society 63(4) (2011) 100~104

23 Nan Li Yufeng Zheng Novel Magnesium Alloys Developed

for Biomedical Application A Review Journal of Materials

Science amp Technology 29(6) (2013) 489-502

24 Ashlee N Ford Versypt Daniel W Pack Richard D

Braatz Mathematical modeling of drug delivery from

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

autocatalytically degradable PLGA microspheres - A review

Journal of Controlled Release 165 (2013) 29-37

25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

Kenny Biodegradable polymer matrix nanocomposites for

tissue engineering A review Polymer Degradation and

Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 56: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

많은 관심이 집중되고 있다 특히 최근에는 생체 조직에서 인공뼈

내부로의 혈관신생 조직융합 영양공급을 원활히 하기 위하여 수

~ 수백 마이크로 범위에서 자유롭게 기공 크기(pore size) 기공

모양(Pore Shape) 기공 분포(Pore Distribution) 기공률(Porosity)

제어가 가능한 3차원 인공뼈 제조 기술 연구가 이루어지고 있다

이는 인공뼈 내외부의 구조 제어를 통해 생체 내에서 세포의 부착

및 인공뼈의 분해속도 제어가 가능해짐으로써 목적 조직에 따라 다른

분해속도가 요구되는 인공뼈 이식에 있어 중요한 역할을 할 수 있다

또한 맞춤 개념을 도입하여 환자 개개인에 맞는 맞춤형 생체조직

제조시스템으로 개발할 수 있는 장점이 있다

이러한 인공뼈 분야의 최근 연구동향을 파악하기 위하여 최근 10년

동안 게재된 논문을 조사 분석하였다 Web of Science(Thomson

Reu t e r s ) 데이터베이스를 사용하여 인공뼈관련 분야에서

2003년부터 2012년까지 게재된 3125편의 논문을 대상으로 과학정보

계량분석(Scientometric Analysis) 방법을 이용하여 해당기간

내의 세계적인 논문게재 추이 및 연구 트랜드 주요 국가별 논문 수

논문수준 공동연구 주요 기관별 논문 수 논문수준 국제협력 저자별

논문수준 국제협력을 분석하였다

인공뼈 분야의 논문은 매년 꾸준하게 증가하고 있으며 2003년부터

2012년까지 연평균 증가율은 논문 수 기준 1152 누적 논문 수 기준

365인 것으로 나타났다 연구 트랜드 분석결과 Dental Implants

분야는 지속적으로 많은 연구가 이루어져 왔으며 Finite Element

Analysis Tissue Engineering Immediate Loading 분야에서

Implant Surface Clinical Trial Bone In Vivo Biologic Width

Calcium Phosphate 분야로 주요 연구 분야가 변화 되었다

세계적으로 76개 국가에서 관련 연구가 수행되는 것으로 나타났으며

이들 국가 중 상위 10개국 논문 수준지수 분석 결과 분야 평균

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1 Marc Andre Meyers Po-Yu Chen Albert Yu-Min Lin

Yasuaki Seki 2008 Biological materials Structure and

mechanical properties Progress in Materials Science 53 (2008)

1-206

2 Horacio D Espinosa Jee E Rim Francois Barthelat Markus

J Buehler Merger of structure and material in nacre and

bone Perspectives on de novo biomimetic materials Progress

in Materials Science 54 (2009) 1059-1100

3 Jae-Young Rho Liisa Kuhn-Spearing Peter Zioupos

Mechanical properties and the hierarchical structure of bone

Medical Engineering ampamp Physics 20 (1998) 92-102

4 J H Kim M Niinomi T Akahori H Toda Fatigue

properties of bovine compact bones that have different

microstructures International Journal of Fatigue 29 (2007)

1039-1050

5 J H Kim M Niinomi T Akahori J Takeda H Toda

Effect of microstructures on fatigue strength of bovine

compact bone JSME International Journal Series A 48(4)

(2005) 472-480

6 J Homminaga BR McCreadie TE Ciarelli H Weinans

SA Goldstein R Huiskes Cancellous Bone Mechanical

Properties From Normals and Patients With Hip Fractures

Differ on the Structure Level Not on the Bone Hard Tissue

Level Bone 30(5) (2002) 759-764

참 고 문 헌

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

7 Tadashi Kokubo Hyun-Min Kim Masakazu Kawashita Novel

bioactive materials with different mechanical properties

Biomaterials 24 (2003) 2161-2175

8 Kalpana S Katti Biomaterials in total joint replacement

Colloids and Surfaces B Biointerfaces 39 (2004) 133-142

9 Usha Kini B N Nandeesh Physiology of Bone Formation

Remodeling and Metabolism Radionuclide and Hybrid Bone

Imaging (2012) 29-57

10 JB Park JD Bronzino Biomaterials Principles and

Applications CRC press Boca Raton FL 2003

11 M Geetha AK Singh R Asokamani AK Gogia Ti based

biomaterials the ultimate choice for orthopaedic implants

A review Progress in Materials Science 54 (2009) 397-425

12 Tissue engineering Bernhard O Palsson Sangeeta N

Bhatia Pearson Prentice Hall Bioengineering 2004

13 材料と生體組織との接合 表面技術(日本) 63(12) (2012)

733~737

14 J H Shepherd S M Best Calcium Phosphate Scaffolds

for Bone Repair JOM Journal of the Minerals Metals and

Materials Society 63(4) 2011 83-92

15 F J Orsquobrien Biomaterials and scaffolds for tissue

engineering Materials Today 14(3) 2011 88~95

16 Herman S Mansur Hermes S Costa Alexandra AP

Mansur Marivalda Pereira 3D-macroporous hybrid scaffolds

for tissue engineering Network design and mathematical

modeling of the degradation kinetics Materials Science and

Engineering C 32 (2012) 404-415

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

17 R Dorati C Colonna C Tomasi I Genta G Bruni B

Conti Design of 3D scaffolds for tissue engineering testing a

tough polylactide-based graft copolymer Materials Science

and Engineering C (2013) in-press

18 Masami Okamoto Baiju John Synthetic biopolymer

nanocomposites for tissue engineering scaffolds Progress in

Polymer Science 38 (2013) 1487-1503

19 K C Kavya R Jayakumar Shantikumar Nair Krishna

Prasad Chennazhi Fabrication and characterization

of chitosangelatinnSiO2 composite scaffold for bone

tissue engineering International Journal of Biological

Macromolecules 59 (2013) 255-263

20 정구인 김지선 최주현 전재훈 의공학 분야에서 사용되는

의용생체재료의 연구 동향 및 전망 공업화학전망 13(6) (2010) 18-

31

21 松崎邦南 花田幸太郎 生體吸收マグネシウム合金の成形技術の開發

素形材(日本) 54(3) (2013) 27~32

22 Harpreet S Brar Benjamin G Keselowsky Malisa

Sarntinoranont and Michele V Manuel Design

Considerations for Developing Biodegradable and

Bioabsorbale Magnesium Implants JOM Journal of the

Minerals Metals and Materials Society 63(4) (2011) 100~104

23 Nan Li Yufeng Zheng Novel Magnesium Alloys Developed

for Biomedical Application A Review Journal of Materials

Science amp Technology 29(6) (2013) 489-502

24 Ashlee N Ford Versypt Daniel W Pack Richard D

Braatz Mathematical modeling of drug delivery from

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

autocatalytically degradable PLGA microspheres - A review

Journal of Controlled Release 165 (2013) 29-37

25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

Kenny Biodegradable polymer matrix nanocomposites for

tissue engineering A review Polymer Degradation and

Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 57: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

5756인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

이상의 논문 수준지수를 보이는 국가는 스웨덴(1811) 스위스(1728)

미국(1216) 영국(1077) 이탈리아(1038) 일본(1026)이며 국가별

공동연구는 미국이 중심이 되고 독일 영국 이탈리아 스웨덴 일본

스위스 브라질 한국 중국 스페인 프랑스 네덜란드 터키 핀란드

오스트리아 캐나다가 서브 중심의 역할을 하는 것으로 나타났다

세계적으로 2638개 기관에서 관련 연구가 수행되는 것으로

나타났으며 이들 기관 중 논문 질적 수준과 국제협력관계의 관점에서

Univ Gothenburg와 Univ Bern이 인공뼈 연구 분야에 있어서

핵심기관으로 판단되며 2개 핵심기관의 최근 연구 분야는 Dental

Implants 분야인 것으로 나타났다 더불어 저자별 분석 결과 논문 질적

수준과 국제협력관계의 관점에서 Lang NP과 Botticelli D가 인공뼈

연구 분야에 있어서 핵심 연구자로 판단된다

인구가 고령화함에 따라 뼈 연골 혈관 각종 장기와 같은 연조직

및 경조직의 대체 및 보수의 필요성이 커지고 있다 생체재료 산업은

280억 달러의 규모로 앞으로 수년간 연성장률은 15로 예상되며

2014년까지 시장은 581억 달러로 예상된다(35) 현재 생체재료 시장에서

주재료는 금속 세라믹 폴리머이나 향후 큰 변화가 예상되며

생체적합성 생분해성 기계적 특성 등을 고루 갖춘 다공성 3차원

구조의 뼈 조직공학용 지지체 구조물이 주재료가 될 것으로 기대된다

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1 Marc Andre Meyers Po-Yu Chen Albert Yu-Min Lin

Yasuaki Seki 2008 Biological materials Structure and

mechanical properties Progress in Materials Science 53 (2008)

1-206

2 Horacio D Espinosa Jee E Rim Francois Barthelat Markus

J Buehler Merger of structure and material in nacre and

bone Perspectives on de novo biomimetic materials Progress

in Materials Science 54 (2009) 1059-1100

3 Jae-Young Rho Liisa Kuhn-Spearing Peter Zioupos

Mechanical properties and the hierarchical structure of bone

Medical Engineering ampamp Physics 20 (1998) 92-102

4 J H Kim M Niinomi T Akahori H Toda Fatigue

properties of bovine compact bones that have different

microstructures International Journal of Fatigue 29 (2007)

1039-1050

5 J H Kim M Niinomi T Akahori J Takeda H Toda

Effect of microstructures on fatigue strength of bovine

compact bone JSME International Journal Series A 48(4)

(2005) 472-480

6 J Homminaga BR McCreadie TE Ciarelli H Weinans

SA Goldstein R Huiskes Cancellous Bone Mechanical

Properties From Normals and Patients With Hip Fractures

Differ on the Structure Level Not on the Bone Hard Tissue

Level Bone 30(5) (2002) 759-764

참 고 문 헌

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

7 Tadashi Kokubo Hyun-Min Kim Masakazu Kawashita Novel

bioactive materials with different mechanical properties

Biomaterials 24 (2003) 2161-2175

8 Kalpana S Katti Biomaterials in total joint replacement

Colloids and Surfaces B Biointerfaces 39 (2004) 133-142

9 Usha Kini B N Nandeesh Physiology of Bone Formation

Remodeling and Metabolism Radionuclide and Hybrid Bone

Imaging (2012) 29-57

10 JB Park JD Bronzino Biomaterials Principles and

Applications CRC press Boca Raton FL 2003

11 M Geetha AK Singh R Asokamani AK Gogia Ti based

biomaterials the ultimate choice for orthopaedic implants

A review Progress in Materials Science 54 (2009) 397-425

12 Tissue engineering Bernhard O Palsson Sangeeta N

Bhatia Pearson Prentice Hall Bioengineering 2004

13 材料と生體組織との接合 表面技術(日本) 63(12) (2012)

733~737

14 J H Shepherd S M Best Calcium Phosphate Scaffolds

for Bone Repair JOM Journal of the Minerals Metals and

Materials Society 63(4) 2011 83-92

15 F J Orsquobrien Biomaterials and scaffolds for tissue

engineering Materials Today 14(3) 2011 88~95

16 Herman S Mansur Hermes S Costa Alexandra AP

Mansur Marivalda Pereira 3D-macroporous hybrid scaffolds

for tissue engineering Network design and mathematical

modeling of the degradation kinetics Materials Science and

Engineering C 32 (2012) 404-415

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

17 R Dorati C Colonna C Tomasi I Genta G Bruni B

Conti Design of 3D scaffolds for tissue engineering testing a

tough polylactide-based graft copolymer Materials Science

and Engineering C (2013) in-press

18 Masami Okamoto Baiju John Synthetic biopolymer

nanocomposites for tissue engineering scaffolds Progress in

Polymer Science 38 (2013) 1487-1503

19 K C Kavya R Jayakumar Shantikumar Nair Krishna

Prasad Chennazhi Fabrication and characterization

of chitosangelatinnSiO2 composite scaffold for bone

tissue engineering International Journal of Biological

Macromolecules 59 (2013) 255-263

20 정구인 김지선 최주현 전재훈 의공학 분야에서 사용되는

의용생체재료의 연구 동향 및 전망 공업화학전망 13(6) (2010) 18-

31

21 松崎邦南 花田幸太郎 生體吸收マグネシウム合金の成形技術の開發

素形材(日本) 54(3) (2013) 27~32

22 Harpreet S Brar Benjamin G Keselowsky Malisa

Sarntinoranont and Michele V Manuel Design

Considerations for Developing Biodegradable and

Bioabsorbale Magnesium Implants JOM Journal of the

Minerals Metals and Materials Society 63(4) (2011) 100~104

23 Nan Li Yufeng Zheng Novel Magnesium Alloys Developed

for Biomedical Application A Review Journal of Materials

Science amp Technology 29(6) (2013) 489-502

24 Ashlee N Ford Versypt Daniel W Pack Richard D

Braatz Mathematical modeling of drug delivery from

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

autocatalytically degradable PLGA microspheres - A review

Journal of Controlled Release 165 (2013) 29-37

25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

Kenny Biodegradable polymer matrix nanocomposites for

tissue engineering A review Polymer Degradation and

Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 58: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

1 Marc Andre Meyers Po-Yu Chen Albert Yu-Min Lin

Yasuaki Seki 2008 Biological materials Structure and

mechanical properties Progress in Materials Science 53 (2008)

1-206

2 Horacio D Espinosa Jee E Rim Francois Barthelat Markus

J Buehler Merger of structure and material in nacre and

bone Perspectives on de novo biomimetic materials Progress

in Materials Science 54 (2009) 1059-1100

3 Jae-Young Rho Liisa Kuhn-Spearing Peter Zioupos

Mechanical properties and the hierarchical structure of bone

Medical Engineering ampamp Physics 20 (1998) 92-102

4 J H Kim M Niinomi T Akahori H Toda Fatigue

properties of bovine compact bones that have different

microstructures International Journal of Fatigue 29 (2007)

1039-1050

5 J H Kim M Niinomi T Akahori J Takeda H Toda

Effect of microstructures on fatigue strength of bovine

compact bone JSME International Journal Series A 48(4)

(2005) 472-480

6 J Homminaga BR McCreadie TE Ciarelli H Weinans

SA Goldstein R Huiskes Cancellous Bone Mechanical

Properties From Normals and Patients With Hip Fractures

Differ on the Structure Level Not on the Bone Hard Tissue

Level Bone 30(5) (2002) 759-764

참 고 문 헌

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

7 Tadashi Kokubo Hyun-Min Kim Masakazu Kawashita Novel

bioactive materials with different mechanical properties

Biomaterials 24 (2003) 2161-2175

8 Kalpana S Katti Biomaterials in total joint replacement

Colloids and Surfaces B Biointerfaces 39 (2004) 133-142

9 Usha Kini B N Nandeesh Physiology of Bone Formation

Remodeling and Metabolism Radionuclide and Hybrid Bone

Imaging (2012) 29-57

10 JB Park JD Bronzino Biomaterials Principles and

Applications CRC press Boca Raton FL 2003

11 M Geetha AK Singh R Asokamani AK Gogia Ti based

biomaterials the ultimate choice for orthopaedic implants

A review Progress in Materials Science 54 (2009) 397-425

12 Tissue engineering Bernhard O Palsson Sangeeta N

Bhatia Pearson Prentice Hall Bioengineering 2004

13 材料と生體組織との接合 表面技術(日本) 63(12) (2012)

733~737

14 J H Shepherd S M Best Calcium Phosphate Scaffolds

for Bone Repair JOM Journal of the Minerals Metals and

Materials Society 63(4) 2011 83-92

15 F J Orsquobrien Biomaterials and scaffolds for tissue

engineering Materials Today 14(3) 2011 88~95

16 Herman S Mansur Hermes S Costa Alexandra AP

Mansur Marivalda Pereira 3D-macroporous hybrid scaffolds

for tissue engineering Network design and mathematical

modeling of the degradation kinetics Materials Science and

Engineering C 32 (2012) 404-415

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

17 R Dorati C Colonna C Tomasi I Genta G Bruni B

Conti Design of 3D scaffolds for tissue engineering testing a

tough polylactide-based graft copolymer Materials Science

and Engineering C (2013) in-press

18 Masami Okamoto Baiju John Synthetic biopolymer

nanocomposites for tissue engineering scaffolds Progress in

Polymer Science 38 (2013) 1487-1503

19 K C Kavya R Jayakumar Shantikumar Nair Krishna

Prasad Chennazhi Fabrication and characterization

of chitosangelatinnSiO2 composite scaffold for bone

tissue engineering International Journal of Biological

Macromolecules 59 (2013) 255-263

20 정구인 김지선 최주현 전재훈 의공학 분야에서 사용되는

의용생체재료의 연구 동향 및 전망 공업화학전망 13(6) (2010) 18-

31

21 松崎邦南 花田幸太郎 生體吸收マグネシウム合金の成形技術の開發

素形材(日本) 54(3) (2013) 27~32

22 Harpreet S Brar Benjamin G Keselowsky Malisa

Sarntinoranont and Michele V Manuel Design

Considerations for Developing Biodegradable and

Bioabsorbale Magnesium Implants JOM Journal of the

Minerals Metals and Materials Society 63(4) (2011) 100~104

23 Nan Li Yufeng Zheng Novel Magnesium Alloys Developed

for Biomedical Application A Review Journal of Materials

Science amp Technology 29(6) (2013) 489-502

24 Ashlee N Ford Versypt Daniel W Pack Richard D

Braatz Mathematical modeling of drug delivery from

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

autocatalytically degradable PLGA microspheres - A review

Journal of Controlled Release 165 (2013) 29-37

25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

Kenny Biodegradable polymer matrix nanocomposites for

tissue engineering A review Polymer Degradation and

Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 59: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

5958인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

7 Tadashi Kokubo Hyun-Min Kim Masakazu Kawashita Novel

bioactive materials with different mechanical properties

Biomaterials 24 (2003) 2161-2175

8 Kalpana S Katti Biomaterials in total joint replacement

Colloids and Surfaces B Biointerfaces 39 (2004) 133-142

9 Usha Kini B N Nandeesh Physiology of Bone Formation

Remodeling and Metabolism Radionuclide and Hybrid Bone

Imaging (2012) 29-57

10 JB Park JD Bronzino Biomaterials Principles and

Applications CRC press Boca Raton FL 2003

11 M Geetha AK Singh R Asokamani AK Gogia Ti based

biomaterials the ultimate choice for orthopaedic implants

A review Progress in Materials Science 54 (2009) 397-425

12 Tissue engineering Bernhard O Palsson Sangeeta N

Bhatia Pearson Prentice Hall Bioengineering 2004

13 材料と生體組織との接合 表面技術(日本) 63(12) (2012)

733~737

14 J H Shepherd S M Best Calcium Phosphate Scaffolds

for Bone Repair JOM Journal of the Minerals Metals and

Materials Society 63(4) 2011 83-92

15 F J Orsquobrien Biomaterials and scaffolds for tissue

engineering Materials Today 14(3) 2011 88~95

16 Herman S Mansur Hermes S Costa Alexandra AP

Mansur Marivalda Pereira 3D-macroporous hybrid scaffolds

for tissue engineering Network design and mathematical

modeling of the degradation kinetics Materials Science and

Engineering C 32 (2012) 404-415

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

17 R Dorati C Colonna C Tomasi I Genta G Bruni B

Conti Design of 3D scaffolds for tissue engineering testing a

tough polylactide-based graft copolymer Materials Science

and Engineering C (2013) in-press

18 Masami Okamoto Baiju John Synthetic biopolymer

nanocomposites for tissue engineering scaffolds Progress in

Polymer Science 38 (2013) 1487-1503

19 K C Kavya R Jayakumar Shantikumar Nair Krishna

Prasad Chennazhi Fabrication and characterization

of chitosangelatinnSiO2 composite scaffold for bone

tissue engineering International Journal of Biological

Macromolecules 59 (2013) 255-263

20 정구인 김지선 최주현 전재훈 의공학 분야에서 사용되는

의용생체재료의 연구 동향 및 전망 공업화학전망 13(6) (2010) 18-

31

21 松崎邦南 花田幸太郎 生體吸收マグネシウム合金の成形技術の開發

素形材(日本) 54(3) (2013) 27~32

22 Harpreet S Brar Benjamin G Keselowsky Malisa

Sarntinoranont and Michele V Manuel Design

Considerations for Developing Biodegradable and

Bioabsorbale Magnesium Implants JOM Journal of the

Minerals Metals and Materials Society 63(4) (2011) 100~104

23 Nan Li Yufeng Zheng Novel Magnesium Alloys Developed

for Biomedical Application A Review Journal of Materials

Science amp Technology 29(6) (2013) 489-502

24 Ashlee N Ford Versypt Daniel W Pack Richard D

Braatz Mathematical modeling of drug delivery from

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

autocatalytically degradable PLGA microspheres - A review

Journal of Controlled Release 165 (2013) 29-37

25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

Kenny Biodegradable polymer matrix nanocomposites for

tissue engineering A review Polymer Degradation and

Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 60: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

17 R Dorati C Colonna C Tomasi I Genta G Bruni B

Conti Design of 3D scaffolds for tissue engineering testing a

tough polylactide-based graft copolymer Materials Science

and Engineering C (2013) in-press

18 Masami Okamoto Baiju John Synthetic biopolymer

nanocomposites for tissue engineering scaffolds Progress in

Polymer Science 38 (2013) 1487-1503

19 K C Kavya R Jayakumar Shantikumar Nair Krishna

Prasad Chennazhi Fabrication and characterization

of chitosangelatinnSiO2 composite scaffold for bone

tissue engineering International Journal of Biological

Macromolecules 59 (2013) 255-263

20 정구인 김지선 최주현 전재훈 의공학 분야에서 사용되는

의용생체재료의 연구 동향 및 전망 공업화학전망 13(6) (2010) 18-

31

21 松崎邦南 花田幸太郎 生體吸收マグネシウム合金の成形技術の開發

素形材(日本) 54(3) (2013) 27~32

22 Harpreet S Brar Benjamin G Keselowsky Malisa

Sarntinoranont and Michele V Manuel Design

Considerations for Developing Biodegradable and

Bioabsorbale Magnesium Implants JOM Journal of the

Minerals Metals and Materials Society 63(4) (2011) 100~104

23 Nan Li Yufeng Zheng Novel Magnesium Alloys Developed

for Biomedical Application A Review Journal of Materials

Science amp Technology 29(6) (2013) 489-502

24 Ashlee N Ford Versypt Daniel W Pack Richard D

Braatz Mathematical modeling of drug delivery from

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

autocatalytically degradable PLGA microspheres - A review

Journal of Controlled Release 165 (2013) 29-37

25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

Kenny Biodegradable polymer matrix nanocomposites for

tissue engineering A review Polymer Degradation and

Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

Page 61: 김 종 헌 - gift.kisti.re.krgift.kisti.re.kr/announce/analysis-report/2014/miriran_14020.pdf · 종류에 따라 압축강도, 탄성계수, 파괴인성, 인장강도와 같은

6160인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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autocatalytically degradable PLGA microspheres - A review

Journal of Controlled Release 165 (2013) 29-37

25 I Armentano M Dottori E Fortunati S Mattioli JM

Kenny Biodegradable polymer matrix nanocomposites for

tissue engineering A review Polymer Degradation and

Stability 95 (2010) 2126-2146

26 Nina Graupner Jorg Mussig A comparison of the mechanical

characteristics of kenaf and lyocell fibre reinforced poly(lactic

acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) composites

Composites Part A 42 (2011) 2010-2019

27 坂本美知子 骨再生に最適な構造を持つ人工骨の開發 未來材料(日本)

9(9) (2009) 38-45

28 靑木 秀希(Hideki AOKI) スパッタリング法による薄膜HAコ-

テイングの開發と臨床試驗 セラミックス(日本) 46(9) (2011)

750~752

29 S A Clarke P Walsh C A Maggs F Buchanan

Design from the deep Marine organisms for bone tissue

engineering Biotechnology Advances 29 (2011) 610-617

30 Sergey V Dorozhkin Amorphous calcium (ortho)phosphates

Acta Biomaterialia 6 (2010) 4457-4475

31 S E Kim H W Choi H J Lee J H Chang J Choi

K J Kim H J Lim Y J Jun S C Lee Designing a

highly bioactive 3D bone-regenerative scaffold by surface

immobilization of nano-hydroxyapatite Journal of Materials

Chemistry 18 (2008) 4994-5001

32 C Canal M P Ginebra Fibre-reinforced calcium phosphate

cements A review Journal of the Mechanical Behavior of

Biomedical Materials 4 (2011) 1658-1671

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

2013정보분석보고서

33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

Dietmar Werner Hutmacher How smart do biomaterials

need to be A translational science and clinical point of view

Advanced Drug Delivery Reviews 65 (2013) 581-603

6362인공뼈 재료의 필수조건 및 최신 연구 동향

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33 橫井太史 大槻主稅 リン酸カルシウム系バイオマテリアルの進展

未來材料 11(2) (2011) 20-25

34 B Lee W Yeo J Lee C Lee O Kwon Y Moon

Development of the Knowledge Matrix as an Informetric

Analysis System The Journal of the Korea Contents

Association 2008 868-74

35 Boris Michael Holzapfel Johannes Christian Reichert Jan-

Thorsten Schantz Uwe Gbureck Lars Rackwitz Ulrich

Noth Franz Jakob Maximilian Rudert Jurgen Groll

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