총 설 기술적 총론 의료용 고분자 : 진단 및 치료를 목적으로 사용되는 기구 및 이식물에 쓰이는 고분자 총 설 기술적 총론 의료용 고분자 : 진단 및 치료를 목적으로 사용되는 기구 및 이식물에 쓰이는 고분자 물성 및 체내 안전성 : 특히 고분자는 체내에서 물성 저하 생체적합성(biocompatibility) : 응혈, 조직폐사, 독성, 발암성 소독가능성

사용부위 사용기간 필요기능 생체적합성 생체기능 기계적물성 용 도 기 능 의료용 재료 인공장기 인공조직 치료용제품 (금속, 요업재료, 고분자, 복합재) 인공장기 인공조직 치료용제품 체내장기 ㅣ 심장 혈관 심장판막 체외장기 ㅣ 신장 심폐기 경조직 ㅣ 뼈 치아 관절 연조직 ㅣ 피부 관 유방 수정체 봉합사 콘텍트렌즈 치과재료 정형외과 재료 수집 및 주입기구 1회 용품 hybrid organ

의료용 고분자의 응용

2. 경제적 총론 세계적으로 보건위생비 급증, 의료용품의 잠재시장 막대 개발국은 1,500$/명, 개발도상국은 70$/명 국민소득 증대와 의료보험 확산 국내시장 규모는 인구, 국민소득 및 의료보험보급율을 감안하면 미국의 1/75규모, 미국시장은 세계시장의 1/2 ~ 1/3

의료용 고분자 이용

재료/생체 작용 I (재료) (생체) Protein 흡착 및 변형 혈소판/백혈구의 흡착 & 활성화 응혈인자의 활성화 응집 Fibrin 형성 응혈(혈전) 항응혈성 적혈구 파괴 용혈 염증, 흉터 및 encapsulation 대식세포 활성화 & 섬유소 이상증식 조직 적합성 독성물질 조직괴사, 발암. 면역이상 칼슘침착 칼슘화 물성변화

재료/생체 작용 II

항응혈성 고분자 (혈액적합성, 향혈전성) 혈관 내피세포는 원천적 응혈방지 시스템 보유 혈관 손상시 응혈 & 이물질의 혈액접촉시 응혈 순환계 인공장기 재료로 중요 cf. 인공혈관은 형성된 응혈층 = 유사내피층 소구경(3mm 이하) 인공혈관은 아직 불능

항응혈성 고분자 연구 방향 * 상업화

조직 적합성 재료 부위 및 용도에 따라 생체를 자극하지 않거나 또는 생체에 친화력이 우수한 재료 bioinert (생체 불활성) 재료 : 생체에 자극 및 독성을 일으키지 않는 재료 silicone, teflon, ceramics bioadhesive (생체 친화성) 재료 : 생체조직과 특수한 결합작용으로 세포부착 성장이 우월한 재료. bioglass, hydroxyapatite, collagen bioabsorbable (biodegradable, 생체 흡수성) 재료: 생체에서 분해 흡수되는 재료 collagen 등 생체재료, polyglycolide, polylactide, tricalcium phosphate 등

순환계 인공장비 – 인공심장 I { { 인체 심장의 혈액순환량 Blood flow가 빠름  응혈형성은 상대적으로 덜함 인공심장의 분류 { TAH (total artificial heart) : 인공심장 LVAD (left ventricular assist device) : 인공보조심장 { 외부구동형 : 압축공기 내부구동형 : 자체동력

인공심장판막 (Heart Valve) 선천성 심장 이상 구조 0.8%, 국내시장 20억

Advantages and Disadvantages of Mechanical Tissue Valves

인공 신장 (Artificial Kidney)

인공 심폐기(Blood oxygenator) 개심수술 (국내 년 3,000회)시 혈액을 체외순환 & 산소공급 성인의 폐 혈류량 5,51/분  산소 264ml/분, 탄산가스 226ml/분 design ; 기포형  중공사형 표면적 큼, 혈액손상 적음, 잔류기포 적음   재료 : 내압인장강도 1kg/cm2 & 높은 gas 투과성 실리콘 : 강도 약함 다공성 PP막 상품화, 실리콘/폴리설폰 지지체 연구중

인공혈관 현재 5mm 이상은 실용화, 3mm 이하는 응혈폐색 요건 porosity : 세포양육에 필수적, pore = 20 m compliance : 생체혈관에 접근함이 이상적 정맥은 0.06% radial 증가 ΔP = 5.2Kpa. durability : 1500Kpa에 견딤, 실제혈압 20Kpa wall 두께 : 1mm 소구경 혈관의 개발 동향 구경 2 ~ 4mm 잠재시장 막대 내피세포 양육 부착 생체 흡수성 고분자

SEM Images PET, Woven PET, Velour PET, Knit 연신 Teflon (Gore-Tex)

정형 및 성형용 고분자 ; 인공관절 I 인공관절 Hip joint : 노인여자의 골공증, 가장 큰 시장 Knee joint : shoulder Finger joint : 실리콘 Bone cement PMMA 입자 + BPO/MMA +Me2- toluidine X-선 opaque용 BaSO4 등

인공관절 (Hip Joint)

정형 및 성형용 고분자 ; 인공관절 II 문제점 및 개선책 i) fixation 난점 : 중합열로 조직폐사, 기포혼입, 감염 ii) 뼈에서 탈리 ; 장시일 뼈/cement/금속의 강도 및 변형 차이 때문 -  porous 표면 ; 뼈세포가 pore 사이로 생육, 접착개선 fixation시 고정화 난점 생체친화성 요업재료(hydroxyapatite 등) 코팅 연구중 Composite stem 개발중 PEEK/ CF by Pfizer + ICI 등 iii) PE cup의 마모 조각 ; 부작용  ceramic cup 으로 복귀 가능성?

내외부 골 접합재

인공피부의 요건 밀착성, 유연신축성, 팽윤강도 체액의 흡수 drainage 필요, 아니면 세균이 번식됨 sponge or 편물형 체액 및 수분상실 방지 적당한 수증기 투과능 1.5 ~ 2mg/cm2/hr 필요 세균침입저지, 항균제 함유 or 방출 system 연구 활발 균일막, pore < 1.5μm 자극성, 독성, 발열성 없음 피부세포의 회생생육 바탕 형성

생체분해성(biodegrable) 고분자 생체 조직내에서 분해 흡수되는 고분자 생체 흡수성(bioabsorble) 고분자 흡수성 봉합사, 인공이식 재료, 방출조절성 의약등에 유용 분해 mechanism - 수화 (hydration) ; 수분 흡수로 강도 감소 - 강도상실 : 고분자 주쇄 절단  비가역적 강도 상실 효소(collagen) 및 가수분해 (지방족 polyester) 고분자의 구조 설계  분해속도 조절 가능 “strength retention time” - 물성 상실 : 공유결합의 계속적 절단으로 분자량 감소 및 물성상실 - 물질상실 및 용해 : 생체 조직에 의한 흡수로 물질의 완전한 제거 “Weight retention time”

Collagen & Hyaluronic Acid 최초로 수술용 봉합사로 이용, 장사(catgut) 생체 내에서 30~70일 사이에 흡수, 인장강도 유지 기간은 약 2주 효소에 의한 단백질 분해 오염 및 초기 팽윤성 과대로 강도유지기간이 짧은 단점 단백질의 tanning 과정을 포함한 화학적 개질 품질 향상 Hyaluronic Acid 닭벼슬에서 분리되는 고점도 용액, 생체분해성 인공수정체 (10L, intraocular lens) 시술시 충진액

Polyglycolide (PG) & Polylactide(PL)

개환 중합 Mechanism 촉매 : 아민류와 카드뮴, 주석, 납, 티타늄 아연, 안티몬의 유기금속물 특히 dialkyl zinc, trialkyl aluminun, tetraalkyl tin tin octate의 유기 금속물이 고분자량 중합물 생성 가능 양이온 중합 또는 배위중합 mechanism 불분명

PG vs. PL PG PL 결정성이 높고 용매 용해도가 아주 낮음 L(-), D(+), meso 형태의 광학이성체 4 ~ 6주 후 인장강도 상실  서서히 질량 감소 “Dexon” (Cyanamid 사) : 최초의 합성 흡수성 봉합사 PL L(-), D(+), meso 형태의 광학이성체 PLL, PDL은 고결정성, PDLL은 저융점 부정형 PL은 PG 보다 결정성이 낮아 융점(Tm)이 낮고 용매용해도가 큼 PL의 분해는 PG와 비슷한 단순 가수분해이나, PG보다 분해속도가 훨씬 느림 생체분해성 뼈 접합재(bone plate), 섬유, 방출조절성 의약 전달체 활용 추진 L-PL/D-PL stereo-complex fiber, 고강도 섬유

PG와 PL의 물리적 성질 PG PL Tm(OC) 225 185 Tg(OC) 36 57 결정성 높음 낮음 생체분해속도(강도) 4주 수개월 용해도 불용성 CHCl3등 용해

PGL 공중합체 PG는 분해속도는 빠르나 PL은 매우 느림 G와 L의 공중합으로 분해속도 조절 가능 Vicryl” Johnson & Johnson사의 봉합사로서 G:L = 90:10 Lactomer” J&J의 흡수성 staple, clip. G:L = 30:70

PHB, poly(β-hydroxybutyric acid) 융점 170OC의 결정성 지방족 폴리에스터 열가소성, 폴리프로필렌과 비슷한 기계적 물성 소유 생체흡수성 봉합사, 뼈 접합재, 자연분해성 고분자로 응용 검토 영국 ICI 사에서 박테리아에서 생물공학적 제조 Biopol” : PHB, PHB/β-hydroxyvaleric acid 공중합체 0 ~ 30% PHV

폴리카프로락톤 (polycaprolactone, PCL) 융점 63OC, Tg –60OC의 부분 결정성 폴리에스터 단순 가수분해의 1단계와 효소가 작용하는 2단계의 분해 자연분해성 고분자 blends

콘텍트렌즈 및 안과용 고분자

콘텍트렌즈 및 안과용 고분자 인공수정체 10L (Intraocular lens) : 백내장등 수정체 이상시 PMMA 10L로 대치 국내시장 41억 인공각막 : PMMA 실용, synthetic gel 개발중 콘텍트렌즈의 요건 착용감 : 유연성 및 친수성이면 이물감 적음 산소투과성 : 각막의 함수율은 78%, 산소필요량 2.8μl/cm.hr 고분자를 통한 확산 산소가 물에 녹아 전달, 함수율에 비례 굴절율, 치수안전성

콘텍트렌즈의 조건 hard 콘텍트렌즈(HCL) : Poly(methylmethacrylate) PMMA soft 콘텍트렌즈 (SCL) : poly(2-hydroxyethylmethacrylate) (PHEMA) poly(vinyl pyrrolidone), poly(glycerine methacrylate) 등의 hydrogel gas permeable hard 콘텍트렌즈 (GCL) : Siloxane or 불소 함유 methacrylate 유도체로서 부피가 큰 side group 소유

치과용 고분자

치과용 고분자 Prosthetic ; denture (의치상), soft-liner teeth, teeth root impression (주형재료) temporary, crown & bridge Restorative; filling (충진재) Preventive ; fissure sealant

fillings (충진재) 및 teeth composite filling cf. 수은 amalgam : 수은공해 bis-GMA or UDMA 등 bulky monomer surface treated quarz filler 75% wt. (50% vol) two-paste system using BPO-amine catalyst (화학중합형) 광중합 one-paste system으로 전환 중 amine-camphor quinone (고파장흡수 광개시제) 접착성 resin : 친수성을 증가시켜 상아질 접착 증가 필요

Denture & Soft Liner denture (의치상) ; PMMA powder + MMA = 가교제 hard PMMA denture 불능시, elastometric liner 필요 silicone RTV soft acrylics polyethylmethacrylate / MMA + plasticizer silicone-acrylics adduct ; 성공적

Impression(印象재) alginate ; Na or K-alginate XL aliginate gel 저강도, 치수 변형, 부정확 RTV silicone ; 탄성, 치수안정성 우월 polysulfide ; 강도 우월, 냄새, 경화 느림 polyether ; 유연성 부족, 습기에 영향

Modifications & Application for other cells polylysine-PEO(pendant) by Dr. Hubbell PEO prevent cell adhesion polyphosphazene-Ca by Allcock, Langer PEO-acrylate photocrosslinked directly to cover the cell by Dr. Hubbell Application for other cells dopamine-sereting cells against Pakinson 병 catecholamine-producing cells against pain

인공간 간세포(hepatocytc)를 hollow fiber 내부에 양육 임상실험단계

Cell adhesion 방지 수술 부위의 부착 혈관확장시술  혈관벽 손상  cell 증식 재폐쇄등 문제 PEO-polylactide oligomer crosslinked gel 수술 부위에 gel 주입 또는 혈관 내벽에 gel coating PEO가 cell 접착 방지