鄭永根 공학박사/ 요업기술원 나노소재팀장 1. 서론 세포 분열을 통하여 급속도로 증식하는 세균은 인류가 복지를 한층 증진하기 위해 아직도 그 효과적 제어 방법의 개발이 필요한 대상이다. 질병의 감염 원인은 의료 혜택의 미비로 인해 세균이 직접적으로 피해를 일으키는 비선진국형과 함께 사회적 의료 체계가 확립되어있더라도 각종 내성균이 일으키는 병원 내의 감염, 의약품과 식품의 제조 라인에서의 미생물오염, 빌딩 내 냉각수의 레지오넬라균 오염 등과 같이 선진국에서도 아직 완전히 통제하지 못하여 발생하는 경우도 포함되어 있다. 특히 세균에 대한 통제는 의료산업에서 중요한 화두이다. 발병을 일으키는 세균을 신체의 자연적 항균 기능을 담당하는 백혈구만으로는 제어할 수 없는 경우가 많이 있기 때문에 인위적인 국부적 항균 혹은 멸균 처리가 불가피하다. 이러한 방법은 살균 처리 당시에는 세균을 완전히 없앨 수 있지만 처리 후에도 세균의 번식을 지속적으로 막기에는 불충분하다. 더구나 세균은 무생물의 표면을 선호하여 일시적으로 멸균하여도 곧 서식 및 번식이 시작되기 때문이다. 또한, 표면의 세균이 번식하여 바이오필름과 같이 치밀한 막을 생성하면 제거에 큰 어려움이 생긴다. 신체에 삽입되거나 내·외부를 연결하는 의료기구는 특히 세균에 대한 저항성이 요구된다. 이에 따라 본 연구에서는 항균능을 개선한 항균 분말을 합성하고, 이 분말과 생분해성 폴리머를 복합화하여 의용재료 및 기기에 응용하고자 한다. 항균분말은 감염에 의해 골성 흡수가 일어나는 치근단 병소나 골수염과 같은 경우 감염원의 완전 제거 및 회복이 쉽지 않을 수 있으므로 항균성이 가미된 골대체 물질로의 활용이 기대된다. 또한 항균분말을 생분해성 폴리머와 복합화하여 의료용구를 제조하면, 병원균에 의한 감염을 방지할 수 있으며, 생분해성 폴리머 사용에 의한 새로운 부가가치를 창출할 것으로 예상된다. 2. 결과 및 토론 가. 나노 수산화 아파타이트 분말의 합성 수산화 아파타이트 분말의 합성을 위해 Ca(NO3)2와 (NH4)2HPO4를 출발물질로 하는 침전법을 이용하였다. Ag이온의 교환량을 증대시켜 항균효과를 극대화를 위해서는 항균제의 담체인 수산화 아파타이트 분말의 미립화를 도모하여야 한다. 또한, 합성분말의 건조시에는 동결건조기를 이용하여 분말의 응집을 최소화하였다. 그림 1은 교반 속도를 변수로 생성된 입자를 투과전자현미경으로 관찰한 결과이다. 그림에서 볼 수 있듯이 100rpm의 조건에서는 두께 약 100㎚, 길이 500㎚ 정도의 주상 입자가 생성되었음을 관찰할 수 있다. 교반 속도가 700, 1000rpm으로 증가할 경우 입자 종횡비는 거의 비슷하게 유지되지만 길이는 각각 300, 200㎚ 정도로 감소하는 것을 관찰할 수 있다. 높은 교반 속도에서 수용액은 단시간 내에 균질화될 수 있고 결정상을 형성하는 데에 필요한 원소들이 고르게 분포하므로 용액의 전체에서 동시 다발적인 핵생성이 진행될 수 있다. 따라서 높은 석출 구동력이 있는 상태에서 빠른 교반을 할 때 핵생성의 빈도를 높여 미세한 입자를 얻을 수 있는 것으로 보인다. 그러므로 높은 석출 구동력을 얻기 위한 두 용액의 급격한 혼합과 균질한 용액 상태를 얻기 위한 빠른 교반은 미세입자를 얻기 위한 필요조건이라 할 수 있다. 나. 수산화 아파타이트의 이온교환 및 항균특성 수산화 아파타이트에 은이온을 도입하기 위해서 이온교환방법을 사용하였다. 전체 양이온(Ag와 Ca)중에서 Ag가 차지하는 원자비가 15%가 되도록 AgNO3 수용액의 양을 조절하였다. 이온 교환한 분말은 건조한 후 대장균에 대하여 평판 배양법(plate counting method)을 이용하여 항균력을 측정하였다. 표 1은 입자의 크기를 결정하는 교반 속도를 변수로 은이온 교환량 및 항균력(최소발육저지농도)을 조사한 결과이다. 최소발육저지농도(MIC)란 특정 세균의 발육을 저지하는데 필요한 항균제의 최소량을 의미하는 것으로 MIC가 작을수록 강한 항균력을 가지고 있음을 의미한다. 1000rpm에서 교반하여 얻은 미세한 분말의 경우 4.87%의 은이온이 치환되었다. 한편 수산화 아파타이트 분말을 100rpm에서 교반하여 분말이 미세하지 않은 경우에는 은이온 치환량이 2.33%로 감소하였다. 이러한 결과는 은이온의 치환량이 수산화 아파타이트 분말의 크기와 밀접한 관련을 가짐을 보여준다. 은이온의 이론적 최대 치환량은 20%이나, 이온교환 반응은 분말의 표면에서만 일어날 것이므로 분말이 가진 표면적에 따라서 치환량이 결정될 것으로 추측된다. 그러므로 분말 크기를 작게하고 응집체 생성이 최소화되도록 하여 높은 비표면적을 갖도록 하였을 때, 은이온의 치환량이 효과적으로 상승한 것으로 여겨진다. 은이온의 치환량은 항균력과 직접적인 관련을 보여주었다. 1000rpm에서 교반하여 얻은 미세한 분말의 경우 MIC는 100ppm으로 측정되었으나, 100rpm에서 얻은 분말의 경우 MIC는 500ppm을 기록하였다. 따라서 강력한 항균제를 얻기 위해서는 은이온의 치환량을 높여야 하며 이를 위해서는 높은 비표면적을 가질 수 있도록 입자의 크기를 작게하고 응집체를 최소화하는 공정이 효과적임을 알 수 있었다. 다. 수산화 아파타이트/PLLA 나노복합체의 제조 합성된 나노 수산화 아파타이트입자를 생분해성 폴리머인 PLLA에 분산시켜 의료용 나노복합소재를 제조하고자 하였다. 수산화 아파타이트를 PLLA에 균일하게 분산시키기 위하여 PLLA를 용매로 용해시킨 후, 제조된 수산화 아파타이트 나노분말을 넣어 교반기를 통해 충분히 저어주어 분산시켰다. 그림 2는 수산화 아파타이트 10wt%를 첨가하고 건조시킨 후의 복합체의 전자현미경 사진이다. 이 사진에서 보듯이 수산화 아파타이트 입자는 폴리머에 비교적 균일하게 분산되어 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이 분해성 폴리머를 이용한 복합재료를 이용하여 의료용구를 제조하였을 경우, 복합재료 안의 항균이온들이 폴리머의 분해에 의하여 지속적으로 표면으로 노출될 수 있으므로 항균력도 장시간 유지할 수 있다. 그리고, 이 소재를 이용하여 의료용구를 제조하여 인체 내에서 사용할 경우 지속적인 항균력과 더불어 일정한 시간이 지나면 제품이 분해되어 없어지므로, 치료가 끝난 후 제거 시술을 받지 않아도 되는 장점을 갖고 있다. 라. 항균성 수산화 아파타이트의 충전제로의 응용 본 연구에서 얻은 항균성 수산화 아파타이트 분말을 적절한 항균능력을 갖는 치관 충전용 및 골수염에 의한 골흡수 부위 치유 촉진을 위한 골대체 물질로서의 이용 가능성을 확인하기 위하여 쥐를 이용한 동물실험을 실시하였다. 동물실험은 흰쥐의 아래턱에 결손부를 형성하고, 이 부위에 0.15%, 1.5%, 4.3% Ag 이온을 함유한 수산화 아파타이트 분말을 이식한 후 1, 2, 3주 후에 이식부위와 주변의 조직을 관찰하였다. 그림 3은 4.3% Ag 이온을 함유한 수산화 아파타이트 분말을 흰쥐의 아래턱에 이식하고 3주 후에 이식부위와 주변의 조직을 관찰한 현미경 사진이다. 본 실험에 이용된 Ag 함유 항균성 충전재는 세포독성 실험결과 Ag 함유율이 높을수록 독성이 강하여, 0.15%는 미약한 독성을, 1.5% 및 4.3%는 증등도의 세포독성을 나타내었다. 그러나 세포 독성 실험에서와는 달리 아래턱에 이식된 1.50% Ag 이온 함유 HA 분말은 0.15% Ag 이온 함유 수산화 아파타이트 분말과 같이 양호한 골성 회복을 나타내었다. 반면 4.3% Ag 이온 함유 HA 분말은 Ag 양이 적게 들어간 분말보다는 골성 회복의 지연을 초래하였으나, 뚜렷한 조직의 괴사는 초래하지는 않았으며, 그림과 같이 3주 째에는 골성 회복이 나타나는 것을 알 수 있었다. 따라서 1.5% 전후의 Ag 이온을 함유하는 수산화 아파타이트 분말이 양호한 항균성을 지닌 골 충전물질로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 3. 결론 침전법을 이용하여 수산화 아파타이트 나노 분말을 제조하고, 이 분말에 은을 도입하여 항균력을 부여하였다. 은의 담체인 수산화 아파타이트의 기능을 극대화하기 위하여 수용액법으로 합성함에 있어 석출시의 핵생성 빈도를 최대화하는 공정을 도입하여 평균입경 20㎚의 미세한 나노 분말을 제조하였다. 또한 건조과정에서 용액을 승화시키는 기법을 적용함으로써 응집체의 생성을 최소화하여 은이온 교환량을 증대시켰고, 이는 항균력의 강화로 나타났다. 항균분말은 항균성과 더불어 정상세포의 사활에 대하여도 영향을 미칠 수 있으므로, 은 이온의 함량과 무기체의 제조공정을 조절함에 따른 세포독성 정도를 파악하여 적절히 항균능력을 조절하면, 치관충전용 및 골수염에 의한 골흡수 부위 치유 촉진을 위한 골대체 물질로서 활용이 가능할 것이다. 또한 항균분말을 생분해성 폴리머와 복합화하여 의료용구용 재료로 사용할 경우, 감염방지 효과를 극대화하고 시술의 안정성 및 편의성을 제공할 수 있을 것이다.