나노기술 및 정책 정보

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자성 나노입자 산업구조 및 시장전망

 1) 질병의 진단, 치료, 신약개발에 활용할 수 있는 신 개념의료기술, 나노필름 입자

 나노소재를 이용한 질병 진단 및 치료용 나노필름 입자는 기존 의료 기술의 부작용을 최소화하고 치료 효능을 극대화하기 위해 나노 크기의 물질 특성을 이용하여 질병의 원인 및 병리를 찾는 분야이다. 이를 통해 질병의 예방, 진단, 치료는 물론 신약개발에도 활용할 수 있는 신개념 의료기술이라 할 수 있다. 또한 치료(therapy)와 진단(diagnosis)이 합성된 신조어 테라그노시스(Theragnosis), 즉, 진단과 치료를 위한 약물을 함께 붙여 조기 진단이 가능하고 더 빠르고, 안전하고, 효율적인 질병치료를 가능하게 하여 괄목할 만한 성장이 기대되는 분야이기도 하다. 이는 바이오, 의학 분야의 응용에 효율적인 나노기술 연구 확립을 통해 나노기술의 근간이 되는 기초 공학 및 공학 분야와 바이오 기술의 생명공학,의학 분야가 효과적으로 융합된 혁신적인 의료 기술이다. 이러한 신개념 의료기술을 위해 다기능성과 선택성을 가진 나노필름 입자의 개발이 더욱 강조되고 있다.

 대표적인 예로 in-vivo 자기저항 센서 시스템은 초상자성 나노입자를 센서 매개체(agent)로 이용하여 이로부터 발생되는 유도 자기장의 크기에 따른 자기저항 변화를 감지함으로써 정량적으로 암을 진단하고 고열발생(Hyperthermia) 치료를 통해 암세포 또는 종양을 사멸시킬 수 있는 기술이다. 진단을 위해 10nm이하의 직경을 갖는 초상자성 나노입자에 항원 단백질을 부착 할 수 있는 표면 활성제를 코팅하여 이 매개체를 센서 표면의 항체와 생체 반응에 의하여 고정시킨다. 고정된 센서 매개체에서 발생된 유도 자기장은 자기저항 또는 자기터널 저항 효과를 일으켜 센서자체의 저항값이 변화하게 된다. 변화된 자기저항은 고정된 DC센서 구동 전류에서 전압변화를 야기 시키게 되며 이에 따른 신호를 검출하게 된다.
 예일대/UCLA의대, NIH(미국), 나고야대(일본), 베를린 의대(독일) 등에서 개발한 전신 온열 치료법이 있으나 전신에 열충격 단백질(HSPs ; heat-shock proteins) 발현으로 인해 과잉 면역반응이 발생하는 단점이 있다. 최근에는 질병 부위에 자성 나노입자를 직접 주입하거나 자성 나노입자로 제조된 MRI 조영제를 혈관을 통해 고정시켜 국부적으로 유도 발열시키는 방법이 제시되고 있다.

2) 자성 나노입자를 중심으로 시장형성, 나노 이미징 및 나노 메디신 분야 전망 밝아

 질병 진단/치료 목적의 나노 소재는 현재 상용화되고 있는 자성 나노입자를 중심으로 시장이 형성되어 있다. 자성나노입자 관련 산업구조를 살펴보면, 재료 측면에서는 나노 금속산화물 분야에 속하며 그중에서도 산화철(Fe3O4) 나노입자가 대표적이라 할 수 있다.  

 자성 나노입자 중에서 산화철의 응용 분야 관점에서 보면, 기존의 화장품, 촉매, 염료, 자성저장매체로의 응용이 있다. 최근에는 조영제, DDS(drug delivery system) 등의 나노 이미징 및 나노메디신 분야를 비롯하여 수처리, 고체 로켓 추진체, 고기능 화장품, 코팅제, 전도성 폴리머, 보안 잉크 등으로의 용도 확대가 기대되고 있다.

 그중에서 조영제 및 DDS 분야에서의 응용은 진단과 치료를 동시에 수행할 수 있는 테라그노시스의 부상으로 더욱 가속화될 것으로 예상된다.

 특히, 자성 나노입자를 활용한 나노 이미징 및 나노 메디신 분야가 실현가능성과 전망이 밝다. 분자 이미징에 대한 세계시장(global revenue)은 2009년에 약 7천5백만 달러에서 2015년에는 약 12억 달러로 연평균성장률 60%의 고속 성장이 전망되고 있다. 또한 나노 소재기술을 바이오 신약에 접목한 나노메디신-DDS 시장 성장률은 15%를 유지할 것으로 예상되며 2013년 2,000억 달러 이상의 규모에 이를 것으로 전망된다.

 국내의 경우 나노메디신-DDS 2010년 시장 규모는 4조 7천억 원 이상으로 10년 동안 연평균 16% 성장이 예상된다. 세부 제품군 중에서는 주사제형(parenteral)시장이 2015년 4조 1,670억 원을 형성하며 전체 나노 메디신-DDS시장을 주도할 것으로 추정된다. 나노 자성입자가 속한 나노 소재 시장은 연평균 20.7%로 높은 성장률을 나타낼 것으로 전망되고 있다.

 특히, 나노 금속산화물은 16%로 두 자리 성장을 이루어 2025년에는 75억 달러에 이를 것으로 예상되며 분자이미징 및 나노 메디신 분야에서 사용되는 자성 나노입자도 이에 상응하여 높은 성장률을 나타낼 것으로 전망된다.

3) 시장경쟁상황

 자성 나노입자는 MRI용 비공격성(non-invasive) 조영제로 사용될 수 있으며 세포내 또는 세포 표면에 접한 나노입자를 외부 전자기파에 의해 가열하여 세포의 사멸을 유도하는 안테나로 사용되고 그 외에도 박테리아 감염 또는 암에 대한 치료로 연구되고 있다. Phillips, Siemens 및 Bayer Healthcare 등은 모두 이러한 영역에서 자성 나노입자를 활용을 위해 막대한 R&D 비용을 투자하고 있다. 아직 나노입자를 이용한 암(질병) 조기 진단 및 동시 치료를 위한 국소적 초고온 발열 치료를 동시에 만족시키는 제품의 개발은 미진한 상태에 있으나 현재까지 관련 기술을 적용한 제품 및 특징은 하단의 표와 같다.

 나노입자 중에서 대표적 물질로 산화철을 들 수 있는데 AMAG Pharmaceuticals(과거 Advanced Magnetics)에서는, 만성 간질환 환자용 치료제(철치환 치료제)인 ferumoxytol의 기본재료인 초상자성 (superpapamagnetic) 산화철을 FERAHEME로 2009년에 FDA 승인을 받은 바 있고 위장 MRI 영상에 사용되는 산화철계 조영제, GASTROMARK도 제조하고 있다. 그 외에 이미지용 나노입자를 제조하는 업체로는 암진단을 위한 MRI 조영제를 제조하는 Kereos Inc.와 분자 진단용 나노입자를 제조하는 Nanosphere를 들 수 있다. 또한 나노산화철을 제조하는 주요 업체로는 AMAG Pharmaceuticals을 비롯하여, Evonik, Mach I, Nanocerox, Nanostructured & Amorphous Materials, NEI, Titan Kogyo 등을 들 수 있다.

4) 다양한 자성 나노입자의 개발은 다양한 질병치료의 응용제재로 활용

 다양한 자성 나노입자의 개발을 통한 온열법 치료 기술의 개발은 간암 및 뇌종양의 치료에 혁신적인 치료가 가능하고 신체 내에서 국부적인 열충격 단백질 유도를 통해 시신경 및 뇌신경을 보호하는 새로운 치료기술 개발이 가능하게 되면서 진행성 녹내장 및 다양한 뇌질환 치료에 응용할 수 있다.
또한 자성 나노입자를 뇌용 자성 시뮬레이션(deep brain magnetic stimulation) 제재로 응용이 가능하여 이를 파킨슨, 알츠하이머 및 루게릭 병 치료에 활용할 수 있다. 아울러 자성 나노입자의 고온 발열 특성을 통해 사고 및 전장에서 발생하는 치명적인 출혈을 순간적으로 멈출 수 있는 지혈(hemostasis) 제재로도 활용해 새로운 개념의 지혈시스템 개발이 가능하다. 자성 나노입자 표면에 줄기세포(stem cell)를 부착해 이의 조직(tissue) 및 세포 내에서의 확산유도기술을 개발함으로써 안구 내 훼손된 망막층을 재생하기 위한 재생 제재(regenerative medicine) 개발에도 응용할 수 있다. 상기 열거된 분야 외에도 자성 나노입자의 자기적, 열적 특성 및 표면처리 기술 향상을 통해서 다양한 나노 메디신 분야로의 확장이 기대된다.