인체 관절 대신하는 초고분자량 폴리에틸렌 [우리가 몰랐던 과학 이야기] (63)

고령화에 접어들면서 인공장기에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 피부부터 연골, 뼈 등에 이르기까지 다양한 바이오 인공장기가 개발되고 있지요. 인공장기에서 가장 중요한 것은 바로 소재인데요. 인체 내에서 거부반응 없이 반영구적으로 사용할 수 있어야 하기 때문입니다.

그 중에서도 폴리에틸렌(polyethylene·PE)은 인공 관절 소재로 많이 쓰이고 있습니다. 그럼 보통 플라스틱병이나 장난감에 이용되는 것으로 알려진 PE가 인공관절 재료로 어떻게 활용되는지 알아보도록 하겠습니다.

◆범용 플라스틱 소재, 폴리에틸렌

출처=한화케미칼 공식홈페이지(http://hcc.hanwha.co.kr/ko/)

PE는 열가소성 플라스틱으로 생활 속에서 가장 많이 사용하는 소재입니다. 고분자 밀도에 따라 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)과 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로 나뉘는데요, 여러 분야에서 다양하게 쓰이고 있어 범용 플라스틱이라고 부릅니다. LDPE는 유연한 소재로 비닐이나 포장용 필름에, HDPE는 단단한 소재로 장난감이나 화장품 병, 파이프 등에 주로 이용되고 있습니다.
 
◆의료용 초고분자량 폴리에틸렌

출처=MISIS National University of Science and Technology

관절 부위는 신체의 움직임에 따라 인장과 압축, 비틀림 등이 반복돼 적절한 강도와 탄성, 유연성이 요구되는 부위입니다. 따라서 이 부위를 대체하는 인공관절은 내마모성과 내부식성, 인장 강도 등이 우수하고 인체에 무해한 재질이어야 합니다.

인공관절에는 PE, 그중에서도 초고분자량(UHMW) PE(Ultra-high molecular weight polyethylene)이 활용되는데요. 일반 PE와 달리 슈퍼 엔지니어링 플라스틱으로 분류되는 고성능 소재입니다. 일반 PE의 분자량은 2만∼30만이지만, UHMW-PE는 100만∼700만으로 높습니다. 이 초고분자량이라는 특징 때문에 저온 환경에도 잘 견디고, 내마모성이 뛰어나며 가볍고 견고해 인공 뼈와 보철물의 재료로 사용되고 있습니다. 

◆방탄 재질로 사용될 만큼 뛰어난 내충격성!

출처=aeromat plastics

UHMW-PE는 여행가방이나 자동차 소재로 쓰이는 폴리카보네이트를 뛰어넘는 내충격성을 자랑할 만큼 충격에 강한 소재입니다. 또한 내마모성이 뛰어나며, 흡수율이 낮아 물이 통하지 않아 방수성도 자랑합니다. 충격에 강하고 소음을 흡수하는 만큼 방탄 재질로 이용되기도 합니다. 내약품성이 우수하고, 완전히 무해한 소재로 식품에 닿아도 안전하며 식품위생법상 인체에 무해한 것으로 인정받았습니다. 

◆UHMW-PE의 다양한 용도

출처=www.sukoptfe.com

UHMW-PE는 철이나 스테인리스만큼 내충격성과 내마모성이 뛰어나 밸브나 컨베이어벨트의 레일, 연삭·연마용 원판 등에 사용되거나 물이나 오일, 화학 약품의 필터, 식품을 포장할 때 쓰이는 기계, 액화 가스나 극저온용 부품 등에 활용되기도 합니다. 또한 고강도 섬유 제품인 방탄복이나 헬멧, 장갑, 낚싯줄에도 이용됩니다.

이처럼 우리의 일상생활 속 편리함뿐만 아니라 건강까지 책임지고 있는 PE는 한화케미칼이 생산하는 주요 제품이기도 한데요. 국내 최초로 LDPE와 선형저밀도폴리에틸렌(LLDPE)을 생산했으며, 국내 최대 LDPE와 LLDPE 생산설비도 보유하고 있습니다. 흔히 플라스틱의 소재로만 알려졌던 PE가 인공관절로 변신, 인간의 수명을 늘리는 데까지 기여한 지금 한화케미칼도 다양한 석유화학제품으로 우리 삶의 질을 향상시키기 위한 제품을 연구하고 개발하는 데 더욱 노력하겠습니다.

한화케미칼 블로거

*이 기고는 한화케미칼과 세계일보의 제휴로 작성되었습니다.