Chap. 3 BIO-Technology 유기 / 무기생체재료 2012. 06. 07~08 08 Advanced Materials and Future Technology
유기생체재료와유전자치료
단백질 (Protein) (1) 인간의육체 70 % 물 나머지 30 % 중 60 % 단백질 구조단백질 뼈, 힘줄, 피부의콜라겐, 근육의액틴등등 기능단백질 효소 : 인체내화학반응의촉매역할헤모글로빈 : 혈액의산소운반면역글로빈 : 이물질에대해항체를만드는면역계각종호르몬 생물체의세포가필요기능을발휘하며, 지속적인생명현상을위해, 정상적인단백질체계 단백질체계에이상이생기거나, 상호간의적절한균형이깨질때, 병의발생
단백질 (Protein) (2) 아미노산 (amino acid): 단백질의기본구성요소 아미노산의기본구조 : 탄소를중심으로카르복실기 (-COOH), 아미노기 (-NH 2 ), 수소기, R 기 20 여종의천연아미노산이존재 : 존재하는 R 기에따라서분류 폴리펩티드 (Polypeptide 또는단백질 ) 각각의아미노산이결합 : 축합반응에의해펩티드결합을형성 20 종의아미노산들이수십개또는수백개로연결될때, 무한히많은종류의단백질 ( 폴리펩티드 ) 가형성 펩티드결합
유전자치료 (Gene Therapy) (1) 유전자? 세포내단백질을만드는방법을알려주는설명서 DNA (deoxyribo-nucleic acid) 로구성된유전정보단위 DNA 의유전암호를통해서단백질을만드는방법을세포에전달 유전자치료란? 유전자이상또는결함으로질병이발생한장기 ( 세포 ) 로정상유전자를 전달하여새로운단백질을발현함으로써질병을치료하는방법 일반적일약물치료에비해우수산선택성과치료율 질병의증상치료가아니라, 질병의원인치료 cf) 기존의치료방식 단백질약품을기반으로, 정상단백질을외부로부터주입 단백질활동을정상화시킴 제약 : 일정시간후단백질의체내파괴 지속적인단백질주입이요구 외부물질에대한체내면역체계의파괴우려
유전자치료 (Gene Therapy) (2) 유전자치료의구성요소 1. 원하는단백질을만들수있는유전암호를가진유전자와유전자의형질발현 (gene expression) 2. DNA를원하는위치까지안전하고효율적으로운반해주는전달체 유전자의형질발현 DNA m-rna 리보솜 t-rna 이중나선구조 messenger RNA m-rna 가세포질내 transfer RNA 유전자의본체 단일사슬구조 리보솜이동 세포질내아미노산을 유전정보전달기능 리보솜으로운반 전사 (transcription) : DNA 유전정보가 RNA로복사 단백질합성 번역 (translation)
유전자치료 (Gene Therapy) (3) 유전자의전달체의종류 바이러스성전달체 (Viral Vector) - 자연에존재하는바이러스의유전자사이에원하는 특정유전자의 DNA 조각을삽입 - 높은유전자전달효율 유전자전달체연구의 85 % 차지 - DNA 크기에제약을받음 - 안전성 / 독성문제 비바이러스성전달체 (Non-Viral Vector) : 물리적유전자전달방법 ( 고전적방법 ) - 직접유전자주사법 (Naked DNA injection) 및전기충격법 (Electroporation) 약물전달 (Drug Delivery) 전형적인약물전달시스템 캡슐 (capsule), 알약 (tablet), 또는정맥주사 (intravenous injection) 투입된약물은특정부위가아닌몸전체로퍼져분포 - 비효율적인약물전달방법 - 과투입에의한부작용발생
유전자및약물전달체 (1) 나노입자 (Nanoparticles) 를이용한유전자및약물전달시스템 다양한유전자및약물을운반하는나노입자전달체 (vehicles) 원하는세포및조직부위로만이동하여유전자및약물을전달 - 선택적인 ( 또는국부적인 ) 전달체계 유전자의전달체 (1): 고분자전달체 전달체로고분자폴리머를사용 수천 nm 의길이의유전자는세포내로유입되기에너무크므로 적당한크기로압축 유전자는보통인산염 (PO - 4 ) 을가진음전하성 양전하를띤고분자와결합하여유전자의크기를세포내로유입되기에 적당한크기로압축 대표적인예 : 폴리라이신 (PLL) 아민 (amine, -NH 3+ ) 이존재 유전자 ( 음전하 ) 고분자 ( 양전하 ) 고분자 - 유전자결합체
유전자및약물전달체 (2) 유전자의전달체 (2): 지질 (lipid) 전달체 리포좀 (Liposome) - 내부에는친수성공간이있으며, 외부로는닫힌이중의지질막을가지고있는 인지질로구성된미세주머니 - 인지질 (Phospholipid): 기본단위로구성 <Phospholipids ( 인지질 )> < 리포좀나노입자 > 친수성공간 : 수용성유전자및약물을내부에포함 인지질이중막
유전자및약물전달체 (3) 유전자전달효율성의증가 특정세포로의치료유전자의선택적결합 세포표면의리셉터 (receptor) 라는수용체를이용 리간드또는항체를전달체에결합시켜, 특정세포로의유전자전달효율을증가 치료유전자 고분자 or 리포좀 Ligand ( 리간드 ) or Antibody ( 항체 )
유전자전달치료경로 형질발현경로 고분자전달체와지질전달체의유전자형질발현경로는유사 Endocytosis ( 세포내이입 ) 치료 DNA 의핵내로유입 타겟세포 리셉터 (receptor) 세포질 Endosome ( 엔도좀 ) 엔도좀방출 (endosomal release) 분해 (degradation) Nucleus ( 핵 ) 단백질합성 Lysosome ( 리소좀 : 용해소체 )
약물전달치료경로 종양 ( 암조직 ) 표적방식
진단용 바이오 표지물질 (1): 발광성 나노입자 특정 세포 및 조직의 표지(labeling)용 및 추적(tracking)용 나노입자 z 나노입자 성분: 화합물 반도체 나노입자(=양자점) 예) CdSe 양자점 z 양자점에 리간드 및 항체를 결합 양자점 5~6 nm 크기 or Ligand or Antibody z 리간드 및 항체가 결합된 양자점을 주입: 생체 밖(in-vitro) 및 생체 내(in-vitro) 실험 생물학적 현상 기구 규명, 진단용 목적으로 사용 적색 발광 양자점에 의한 세포 표지 다른 크기의 양자점에 의한 세포 표지 예시
진단용바이오표지물질 (2): 자성 (magnetic) 나노입자 자기공명영상 (magnetic resonance imaging: MRI) 용나노입자
생체대체재료로의무기재료
생체재료 ( 바이오소재 ; Biomaterials) 생체재료? 치료의목적으로인간의몸에삽입되는소재 생체재료기술발전방향 조직치환 절단술 골고정판 Bioinert implants 골절 세라믹인공골 조직재생콜라겐 / 인산칼슘 / Bioactive regeneration 골형성인자복합체
생체재료 ( 바이오소재 ; Biomaterials) 생체재료로서의기본요건 생체내에서무독성, 무발암성 생체조직과좋은친화성및주변조직과강한화학결합 기계적성질이뼈와같거나그이상의성질 생체내반응에따른생체재료구분 생체불활성 (bioinert) 소재 -신체삽입시염증과독성을유발하지않으며생체조직과도결합하지않는소재 생체활성 (bioactive) 소재 -생체친화성이높아신체삽입시주위조직과화학적으로결합하는소재 생체흡수성 (biodegradable) 소재 -신체삽입후체내에서완전히흡수가이루어지는소재 재료에따른생체재료구분 금속 세라믹무기생체재료 고분자 ( 또는유기 )
금속생체재료 기본성질및재료 우수한성형성 우수한기계적성질 ( 단단하고쉽게부러지지않고파괴인성치가높다 ) 대표적예 : 스테인레스강, 코발트 (Co)-크롬(Cr) 합금 부식성의문제 : 금속이온의용출 그다지좋지못한생체친화성 생체이물반응 ( 생체내이물질이들어오면이를배척하려는성질로, 일정시간경과후이식체가이식부위와분리돼빠지게된다 ) 초래 티타늄 (Ti) 과티타늄합금 (Ti-6Al-4V) -이러한문제를해결하기위해금속중에서가장선호되는재료 -표면이안정한산화막으로둘러싸여금속이온이녹아나오지않는우수한내부식성 -다른금속들에비해비중과탄성계수가절반수준 가볍고, 탄성계수가뼈의탄성계수와거의유사 인공엉덩이관절 물체가탄성한계내에서가지는응력과변형의비 ( 즉, 응력 = 탄성계수X변형 ) cf) 만약뼈보다탄성계수가높은이식체가뼈에삽입되면, 기계적응력이이식체에만집중하고뼈는응력을받지않아이식체주위의뼈는약해져파괴된다
금속생체재료적용예 골절고정장치재료 치과용임플란트재료 Screw Rod 인공관절대체물재료 Pin 형상기억임플란트
세라믹생체재료 (1) 정의 -무기물질을주원료로사용하는산화물 (Oxide), 질화물 (Nitride), 탄화물 (Carbide) 등 - 일반적으로금속재료, 유기 ( 고분자 ) 재료에비하여내식성, 내열성, 내마모성등우수 기본성질및재료 매우우수한생체친화성 우수한내화학성 / 내열성 경도는우수하지만, 파괴인성치가낮다 깨지지쉽다 성형성이좋지못하다 가공을위해고비용 생체불활성바이오세라믹스 알루미나 (alumina, Al 2 O 3 ), 지르코니아 (zirconia, ZrO 2 ) 우수한생체내안정성 단단하고우수한내마모성과압축강도 취성 ( 늘어나지않고깨지는성질 ) 약점 치아수복재 ( 치아의흠집을메우는물질 ), 인공관절의뼈끝 ( 우수한내마모성 ) 주위의조직과결합성의결여로생체이물반응 섬유성피막의형성으로고정되지않음
세라믹생체재료 (2) 생체활성바이오세라믹스 생체내에서주위에섬유성피막을만들지않고, 주위의뼈와직접접촉하여강한 화합결합을이루는세라믹스 바이오글라스 (bio-glass) - 산화나트륨 (Na 2 O), 산화칼슘 (CaO), 산화규소 (SiO 2 ) 를주성분으로유리 - 인공이소골 ( 귀안쪽의물렁뼈 ) 및턱뼈용매립재 수산화아파타이트 ( 인공아파타이트 ): 가장유망한재료 -뼈와치아의주요무기성분 : 아파타이트 -칼슘과인으로구성 : Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 - 기계적강도가알루미나와지르코니아에비해약하기때문에, 고정용장치나관절부분에는부적당 -과립상형태는뼈충진재로, 다공질형태는턱뼈나두개골의수복재료, 치밀한소결체형태는인공이소골, 인공치근 아파타이트인공뼈이식전 아파타이트인공뼈이식후 8 주 아파타이트인공뼈이식후 8 주 ( 확대사진 ) 새로생긴뼈아파타이트 뼈조직
세라믹생체재료 (3) 생체흡수성바이오세라믹스 인공아파타이트의체내용해성 - 뼈를구성하는 ( 천연 ) 아파타이트는체내에서적당한용해성을가짐 실제뼈가자랄수있는공간을제공 - 인공아파타이트의체내용해성 0 인산 3 칼슘 (TCP, Tricalcium Phosphate, Ca 3 (PO 4 ) 2 ) 3 4 2 - 아파타이트와유사한재료 - 대표적인생체흡수성재료로체내에이식될때서서히흡수되는특성 생체활성세라믹스의복합체로서의활용 1. 금속이식체표면에생체활성세라믹스의코팅 -플라즈마용사법에의한코팅 ( 아파타이트분말을 2만-3만절도온도의플라즈마속으로통과시켜녹여서금속표면에달라붙게코팅 ) -금속이식체의단점보완 ( 금속이온의용출방지 + 섬유성피막형성방지 ) 코팅된인공관절 2. 시멘트형태로주입하여금속이식체를고정하는주입형골시멘트 -기존의골시멘트 : 폴리메타메틸아크릴레이트 (Polymetamethylacrylate, PMMA) : 굳어질때의발열반응으로온도가상승 주위의조직이손상
고분자생체재료 (1) Epoxy Monomer Repeating unit 작은단위혹은단분자가모여이루어진거대분자 PU 분자량 > 5,000 PP PVC Acryl Cellulose Nylon Polyester Silicone PET
고분자생체재료 (2) 비분해성고분자생체재료 폴리우레탄 (Polyurethane, PU) -PU 는체내에서비교적안정 -고무와같은탄성, 유연성, 질긴성질 -혈액적합성우수 -응용예: 혈액과직접접촉하는장기 ( 예, 인공혈관, 인공심장판막, 인공심장인공심장등에주로응용 ) 렌즈 인공수정체 골시멘트 폴리메틸메타크릴레이트 (Polymethyl Methacrylate, PMMA) ) 인공혈관 -투과도(92%) 와굴절율 (1.49) 이상당히크고, 강도와경도가우수 - 응용예 : 경질콘택트렌즈와인공수정체, 의치및안면성형용재료로사용인공관절및골절고정용으로 PMMA 분말과액상메틸메타크릴레이트단량체로구성된골시멘트로사용 ( 문제점 : 단량체의중합과정주열발생하여주변조직에영향 )
고분자생체재료 (3) 분해성 ( 흡수성 ) 고분자생체재료 Poly(glycolic acid): PGA Poly(lactic acid): PLA Poly(amino acid) Poly(hydroxybutyrate) Poly(caprolactone) Poly(oxyethylene glycolate) 현재분해성고분자들중미국식품의약청 (FDA) 승인고분자 수술부위봉합선 인대보강용 골절고정용 메틸기 ( 소수성기 ) PLA 는 PGA 에비해소수성인메틸기로인해물의침투가어려워가수분해 ( 즉, 분해속도 ) 가늦음 분해소요시간 ( 약 2~3 달 ) 분해소요시간 ( 약 2 년이상 ) 물 (H 2 O) 과이산화탄소 (CO 2 ) 로최종분해되어폐와뇨를통해몸밖으로배출