읽기쉬운총설 CHEMISTRY TOPICS 나노안전성연구에대한필요성및연구방향 권혁상 송남웅 한국표준과학연구원나노바이오융합연구센터 h.kwon@kriss.re.kr/nwsong@kriss.re.kr 서론 우리나라의나노기술은최근 10 년간급격한성장을이루 기존의화학물질대상안전성평가방법과는다른패러다임을가지고접근해야하며기초원천연구로부터출발하여 어현재미국, 일본, 독일과함께나노기술 4대강국으로응용연구로연결되는조직적이고체계적인연구관리가필평가되며향후나노산업분야에서의세계시장을선도할것요하다. 으로전망된다. 1-3 반면전세계적으로관심이집중되고있는나노안전성에대한우려는 4-9 나노산업의발전에잠재적본론걸림돌로작용하고있다. [ 그림 1] 따라서나노산업의균형 1. 나노안전성연구의필요성있는성장과국민의건강한생활보장을위해나노제품및우리나라에서시판되는나노물질응용제품의수는 124 이에함유된나노물질이인체및환경에안전한지의여부종으로, 우리나라는미국 (587 종 ), 독일 (163 종 ) 에이어세계를신뢰성있게판단해줄수있는정부차원의역량이필 3위로다양한나노제품을제조 유통하는나라이다. [ 출요하며, 이에요구되는과학적근거를확보하기위해나노처 : 11.3. Project on Emerging Nanotechnologies 물질의물리 화학적특성과이에따른안전성여부를정 (PEN) 보고서 - 환경부워크숍자료 ] 다양한나노기술응용확하게판단하고제시할수있는국가차원의측정및연구관리시스템을구축하는것이요구된다. 나노물질은동일한조성이라도구조와형태및존재환경에따라특성이달라지므로 8 신뢰성있는인체및환경안 [ 그림 1] 나노물질을이용한산업의발전전망에대한기대가큰반면잠재적위해성에대한우려도공존하고있전성평가를위해서는는실정임. 12 화학세계 2013. 03
나노안전성연구에대한필요성및연구방향 제품이시장에출시되어유통되고있는상황에서일반소비자들은나노제품을대할때혁신적기술효과에대한기대와잠재적위해성에대한막연한우려를동시에가지고있다. 하 [ 그림 2] 나노물질에대한상반된독성평가연구결과지만아직까지전세계적으로도어떤나노물질이유해한지를명확하게판단해줄수있는주체는없는상황이다. 이 OECD WPMN 과국제표준화기구인 ISO/TC 229 에서는미실생활에활용되고있는탄소나노튜브의경우에는나노나노물질에대한안전성평가기준을마련하고자범국가적물질의독성평가에대한상반된연구결과가보고되고있으로노력을기울이고있으며, 향후나노제품에대한안전다. 10-14 [ 그림 2] 이에대한정확한평가를위해표준화된물성규제방안을논의중에있다. 구체적으로 OECD WPMN 리 화학적나노특성분석및독성평가기술확보가요구에서는세계각국에서취합한나노물질안전연구데이터를되는실정이다. 바탕으로 2013 년부터규제적가이드라인을제정중이고, 나노기술관련세계시장이향후 10년이내에급성장할것 ISO/TC 229 에서는 2013 년 3월 나노제품표시제 국이라는전망이지만안전성이확보되지않으면산업자체가제표준규격을제정할예정이다. 특히, OECD WPMN 에서존폐의위기에직면할수있다. Lux Research 의보고서는 13개대표적나노물질 (C60, SWCNTs, MWCNTs, Au, 에따르면나노기술을응용한제품시장이 2004 년당시전 Ag, Fe, TiO2, Al2O3, Ce2O3, ZnO, SiO2, dendrimers, 세계제조업부문의 0.1% 이하인 130 억달러수준이지만 nanoclays) 의 59항목종말점에대해세계각국에서연구 2014 년에는 15% 까지성장해 2조 6천억달러에이를것으한결과를취합하여나노물질의안전성여부를판단하고자로전망하고있다. 미국 National Science Foundation 은노력하고있다. [ 그림 3] 2015 년까지나노기술연관시장이 1조달러에이를것으로예측하였고이중나노소재분야가 34%, 제약및헬스케어분야가 20% 정도를차지할것으로분석하였다. 반면미국나노텍회사협회 (Nanotech Business Alliance) 자료에의하면대부분의나노텍회사들이향후몇년간은아무런제품을내놓지못할것으로전망한만큼우리나라에서도충분히시장을개척하고선점할수있는기회가있다고할수있겠다. 미국과 EU 등선진국을중심으로 2013 년부터나노제품에대한규제를강화하려는움직임이일어나고있어국내나노기술응용제품관련수출업체에게는향후설정될규제안이국제무역의장벽으로작용할것으로예상된다. 또한, 국제협력기구인 [ 그림 3] OECD 권장나노물질특성평가항목 2013. 03 화학세계 13
읽기쉬운총설 나노제품안전관리를위해서는나노제품의정의를명확하게규정할필요가있다. 현재미국 FDA, EU 등에서는나노기술응용식 의약품등정의를검토중에있다. 국내에서도환경부와식품의약품안전청이각각 국가나노정의 ( 안 ) 과 나노기술응용식품업계자율안전성평가가이드라인 을마련하고자노력중이다. [ 그림 4] 대부분의나노물질들은통상적으로 GRAS (generally regarded as safe) 로분류되지않고있으며, 독성과부작용및생체친화성등극복해야할문제가있어약물또는약물전달매체로활용되기에는아직상당한시기가필요하다. 8, 13 다양한나노입자의물리적 화학적특성 ( 크기, 모양, 조성, 표면전하, 표면접합리간드의차이등 ) 을분석하고신뢰성있는정량적수치를제시하기위해서는정확하고효용성있는측정기술이필요하다. 동일한특성을분석하 더라도입자의조성이나구조에따라각기다른측정기술을요하게된다. 일반적으로나노입자의크기분석에있어서는 TEM 측정이 15 가장자세한결과를제공하지만생체조건에서단백질이접합된금속나노입자의크기를측정하려면 DLS(dynamic light scattering) 과 16 같은유체와광학을이용한측정방법이필요하다. 한편, 생체환경이나수용액내에서그리고나노입자가인체에도입되었을때어떤변화를거치는지에대한정보는잘알려져있지않으며, 나노입자의상태나반응성변화를추적할수있는측정기술역시개발되어있지않은실정이다. 그러므로다양한종류의나노입자에대한특성별정확한분석을수행할수있는측정기술개발과, 이를바탕으로시험검사법을표준화함으로써나노입자의특성을올바르게표현할수있는분석기술의개발및연구가필요하다. [ 그림 4] 2012. 11. 14. 환경부워크샵자료 14 화학세계 2013. 03
나노안전성연구에대한필요성및연구방향 2. 국내외연구현황국 내외에서나노소재의산업화에따른안전성문제를고려하여진행되고있는연구사업의대표적현황은다음과같다. 미국의경우 NSF 에서는나노입자전달등의기초분야연구개발을지원하고있으며, 나노기술개발의환경, 보건, 안전영향에대한기초연구도지원하고있고, EPA 에서는인공으로제조된나노물질의환경영향연구와나노소재의독성, 소멸, 수송, 변환, 생물학적이용도및인간및다른종에대한노출연구를지원하고있다. 한편, NIH 에서는피부흡수, 기도흡입, 구강노출등연구와결정형형광반도체의크기와조성에따른생물학적성질의변화및탄소기반재료 ( 단일벽, 다중벽 CNT, 플러렌 ) 의장단기연구를수행하고있다. 또한산업설비 / 소비자상품에사용되는나노 금속산화입자의광독성연구, 나노입자기반제품의안전성영향에대한연구기반시설제공및나노입자의물리적특성연구, 시험관내생물학적특성과동물모델을이용한생체내적합성연구를수행하고있다. 일본 NEDO(New Energy and Industrial Technology Development Organization) 에서는나노입자특성평가방법의연구개발, 공업나노입자특성연구, 노출평가및유해성평가방법개발등을수행하고있으며, AIST(National Institute of Advanced Industrial Science and Technology) 에서는나노물질의안전성평가프로젝트, 독성시험, 계측기술개발과인체내축적되는나노물질의양측정등을연구하고있다. 유럽의경우는다음과같다. 먼저, 영국 IOM 에서는나노물질의사용에있어안전성확보를위한연구와나노물질 [ 그림 5] 안전한나노물질의기준설정을위한나노안전성연구체계흐름도 2013. 03 화학세계 15
읽기쉬운총설 안전성연구를위한다학제간연구센터를설립하여운영하고있고, 벨기에소재 EU JRC (IRMM) 에서는표준나노물질을제조하여보급하기위한연구를수행해왔고, 현재 20 nm와 40 nm의구형실리카표준나노물질을제조하여보급하고있다. 끝으로한국의경우, 식품의약품안전평가원에서는 2006 년부터 나노물질독성기반연구사업 을수행, 동물모델을이용한나노입자특성에따른독성및생체잔류연구등을수행하고있고, 안전성평가연구원에서는 2010 년부터 나노안전성플랫폼사업 의수행을통해은나노입자생성을위한시험분석기술개발, 동물모델을이용한은나노입자의흡입독성시험평가기술개발등을수행하고있다. 한편, 한국표준과학연구원에서는 2009 년부터 나노안전성보증을위한측정기술개발사업 의수행을통해나노입자의특성분석기술개발및표준나노입자제조연구, 나노독성시험을위해제공할표준화된나노입자합성연구등을수행하고있다. 결론기존나노안전성연구의나노물질독성평가결과들은이미수많은연구논문을통해발표되었지만연구진들에따라특성측정항목, 측정방법및독성평가방법이상이하고심지어는유사한독성평가방법에기반한결과들이연구그룹에따라상이하게나타나는경향이있어서기존논문들을근거로하여나노물질의특성에따른안전성을판단하기에는다소어려움이따른다. 따라서다양한특성항목에대한측정및이에따른독성평가결과를다음과같은연구체계흐름도를통하여수행해야할필요가있다. [ 그림 5] 먼저특성이잘정의된표준나노물질을제조하는기술개발이선행되어야한다. 현재생체조건에서분산안정성을가진상태로특성이조절된표준나노입자제조하는데는여러기술적인한계가있다. 표준나노물질을이용하면나노물질특성과독성의관계를규명하는것이가능하며이를위해크기, 조성, 모양, 표면전하, 표면접합화합물등을포함한다양한물질의특성이잘조절된나노입자를합성또는분리 / 정제하여특성평가방법의표준화와독성평 가자료생산에활용하는것이반드시선행되어야할것이다. 이를위해서현재미국표준과학연구원 (NIST) 에서는표준참조물질 (SRMs) 을그리고한국표준과학연구원 (KRISS) 에서는인증표준물질 (CRMs) 을개발중에있다. 다음으로나노물질의물리화학적특성을신뢰성있고일관되게분석할수있는표준화된측정기술개발이필요하다. 나노물질의특성측정과정에서발생하는오류로인해잘못된결과를얻는경우가많아나노특성과생체상호작용의연관성연구결과가논란의대상이되는경우가비일비재하다. 예를들어나노물질의생체독성분석의준비및진행과정에서입자크기분포를올바르게측정하는것이필요한데고형화 (agglomeration) 의정도를측정할수있는기술은현재까지개발되어있지않다. 표준화된측정기술개발후에는나노물질과생체간의상호작용을분석하는연구, 즉나노물질이특성에따라생체와반응하는양상을관찰할수있는측정기술개발이필요하다. 예를들어나노물질의표면에특정생체분자가결합하거나나노물질이세포내특정부위에분포하게되는경향이특성과상관관계가있는지를관찰할수있는기술개발과이를이용한연구가수행되어야한다. 이와더불어생체내나노물질검출을위한기술개발이요구된다. 나노물질이생체의특정부위에국지화되어분포하는지혹은잔류하는지를확인할수있는분석기술이아직까지충분히확보되지않았다. 특히생체내에서나노물질이그본형태를유지하고있는지아니면다른상태로변화되었는지그리고급성혹은만성독성을야기할수있는지등을확인할수있는기술 ( 생체내나노물질의특성분석 ) 개발이필수불가결하다. 끝으로나노독성메커니즘이해를위한기술개발을수행해야한다. 나노물질의특성에따라나노독성이나타나는이유를규명하고특성변화를통해독성발현과정을차단하는방법을밝혀냄으로써나노안전성이확보될수있을것이다. 이상의체계적인연구과정을통해수행된연구결과들은실효성있는데이터베이스로일관성과신뢰성이확보된나노안전성연구결과들의중요한밑거름이될것이다. 16 화학세계 2013. 03
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