친환경 산업동향

제목 [미국] 바이오플라스틱이 의료 분야에 어떻게 이용되고 있는가?
작성자 tawake88
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미국 캘리포니아대학 샌디에고캠퍼스 바이오공학과의 Pyam Ramnes 교수가 유기, 생분해성, 바이오플라스틱이 의료 분야에 어떻게 이용될 수 있는지를 설명했다. 많은 사람들에게 친숙한 플라스틱은 화석 연료에서 얻어졌지만 자연적으로 분해되지는 않는다. 그러나 바이오플라스틱은 유기성이며 생분해된다. 이들 환경에 이로운 물질은 식물이나 동물과 같은 화석 연료보다 훨씬 지속가능한 원료에서 유래한다. 그 결과로 바이오플라스틱은 생분해성과 원료의 지속가능성을 보유하고 있으며, 이러한 점이 의료 분야에서도 매우 중요한 역할을 하게 된다.
 
의료 분야에서 인공 눈이나 다른 이식 물질에는 여러 재료들이 이용되어 왔다. 그렇지만 이들 재료들이 인체에서 자연적으로 사라진다면 정말로 중요한 해결책이 될 수 있다고 한다. 때문에 생분해성 및 생체 흡수 폴리머, 일시 보형물, 조직공학, 약물 전달체 등이 떠오르고 있다. 이 중에서 조직공학은 장기 기증의 부족 및 이식 거부 반응 문제를 해결해주는 기술이다. 이들은 조직 기능도 향상시켜줄 수 있다. 바이오의료라는 면에서도 기능에 이상이 발생하거나 손상된 장기를 자신의 세포를 활용하여 처리할 수 있다. 이러한 치료에는 주형(scaffold)으로 알려진 새로운 세포들의 형성을 지원해주는 지지체가 요구된다. 주형의 역할은 세포가 부착되고 성장하는 것을 촉진시키는 것이다. 최종적으로 새로운 세포가 성장하고 장기의 형태를 갖추게 되면 주형은 분해되게 되며, 분해된 물질들은 인체에서 대사를 통하여 제거되게 된다.
 
폴리락트산(PLA), 폴리글리코산(PGA), 폴리카프로락톤(PCL)과 같은 폴리락톤들은 생체 흡수, 생분해, 생체 적합성을 갖고 있다. 이들 중에서도 PLA가 기계적 특성이라는 점에서 의료 분야에서 가장 유망하다고 한다. 유기산인 젖산에서 만들어지는 PLA는 지속가능한 공정으로 당을 발효시켜서 만들어질 수 있다. 이 생산법은 고품질, 낮은 비용, 적은 에너지 소비에서 원하는 물질을 만들어줄 수 있다. 발효에는 포도당, 자당과 같은 순수한 당에서 유래한 탄소가 요구되지만, 최근의 세균 발효에는 당밀, 식물의 버개스(줄기와 잎 등), 전분 성분과 같은 당을 함유하는 여러 물질들도 활용할 수 있게 되었다.
 
PLA는 사출 성형에서 압출 및 3D 인쇄까지 다양한 방식으로 가공될 수 있다. 더하여 이들은 필름의 방적이나 주조를 통해서도 가동될 수 있다. PLA의 융점은 180~220도 사이로서 다른 플라스틱과 비교해서는 낮은 온도로 여겨지고 있다. 주형을 만들 때에는 다공성, 기공 크기 및 분포, 상호 연결성이라는 점에서 구조를 잘 배치해야 한다. 이들 구조물은 세포의 성장률, 집락율, 영양분 전달, 폐기물 제거라는 점도 감안하여 설계되어야 한다. 또한 주형은 관심의 대상이 되는 조직의 특징적인 기계적 및 물리적 특성을 모방하도록 설계되어야 한다. 이상적인 주형의 설계는 표적 조직 또는 장기의 구조적 및 기능적 교체에 요구되는 세포 개체군의 부착, 이동, 증식, 분화, 3차원 공간 구성의 촉진을 목표로 삼아야 한다. 현재 최적의 주형 설계는 재생이 완료된 후에 지지 재료가 사라지는 흡수성에 기반하고 있다.
 
PLA 재료들은 생체 대사를 통하여 배설되거나 이산화탄소와 물의 형태로 제거될 수 있기 때문에 이러한 요구사항을 충족시켜줄 수 있다. 더하여 PLA는 생체적합성이 매우 높고 분해 산물도 해롭지 않은 젖산이라고 한다. 뿐만 아니라 PLA는 구조에서 약간의 변형으로 추가 응용 분야에 적합하게 만들 수 있었어 낮은 비용으로 최적의 성능을 발휘할 수 있다.
 
그러나 일부의 경우에는 주형의 흡수성이 치료 목적에 부합하지 않게 된다. 이러한 경우에는 세포가 천천히 재생되는 동안에 주형들이 강도를 유지할 필요가 있다. 인대와 힘줄의 재건 또는 혈관 및 비뇨기 수술을 위한 스텐트(stent) 등이 이러한 예이다. 이런 경우에는 PLLA 섬유가 이용된다. 더하여 PLA 복합재료는 뼈 조직 공학에서 세포와 조직의 증식 촉진 및 골 형성 분화에 이용될 수 있다. 생물학적으로 인대는 세포 밀도가 감소한 골 결합 조직이다. 인체의 인대 중에서도 전방 십자 인대(ACL)는 치유 가능성이 낮고 혈관 형성이 제한적이라고 한다. 따라서 ACL의 회복과 재생은 조직 공학 분야의 주요 관심사이다. ACL 회복과 재생에는 콜라겐 섬유, 누에 실크, 나노섬유질 기질, 알긴산 및 키토산 폴리이온 복합체 나노섬유, 콜라게 혈소판 풍부 혈장과 같은 여러 생체적합 및 생분해성 천연 폴리머들이 이용되고 있다. 그러나 ACL의 재생에서도 PGA, PLLA, PLGA, PCL과 같은 합성 폴리머에서 만들어진 생분해성 주형에서 뛰어난 성과가 확인되었다. 이러한 성과는 이들 재료들의 열 및 기계적 특성에 기인한다.
 
PLA는 조직 공학에서 여러 문제를 해결했지만 해결하지 못한 문제들도 많다. PLA는 친수성이 낮으며 때문에 주형에 요구되는 일부 기계적인 특성을 충족시키지 못하고 있다. PLA는 이물질 반응을 유발시키는 작은 분절로도 분해될 수도 있다. 더하여 부산물을 침식시키는 주변 조직들은 혈관신생 및 대사 활성과 연관이 있기 때문에 부산물의 화학적 조성 및 삼투압과 pH에도 영향을 끼칠 수 있다고 한다.
 
바이오플라스틱, 특히 PLA는 지속가능 원료에서 유래한 유기성 재료에 기반한 생분해성 물질이다. 바이오플라스틱의 다른 중요한 특징은 생체 접합성 때문에 의료 분야에 활용하는데 적합하다는 것이다. 또한 생체 흡수성 때문에 조직 공학에 매우 적절하다. PLA는 세균 발효를 통하여 젖산에서 만들어진다. PLA는 물리 및 화학적 특성 때문에 조직 공학에서 주형으로 널리 이용되고 있다. 비록 PAL가 조직 공학에서 상당한 수준의 만족을 얻어내고 있지만 더욱 이상적인 활용을 위해서는 특성을 보다 향상시켜야 한다.
 
출처: 한국바이오안전성정보센터(KBCH)『바이오화학산업동향(TWB)』
원문출처: https://www.medicalplasticsnews.com/news/opinion/friend-of-the-earth/

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