인사이드 3D프린팅 2016 컨퍼런스 : 3D프린팅으로 제조된 순수 Ti 두개골의 기계적 특성

인사이드 3D프린팅 2016 컨퍼런스 메디컬 트랙에서의 첫번째 연제는 [3D프린팅으로 제조된 순수 Ti 두개골의 기계적 특성(Mechanical property of pure Ti cranial bone manufactured by 3D printing)]입니다. 




본 연제는 한국생산기술연구원 강원지역본부 이창우 본부장님께서 발표해주셨습니다. 


아무래도 공학적인 부분이 많다보니 제가 완전히 이해하기에는 한계가 있음을 이해하시면서 봐주시면 감사하겠습니다. 


그럼 시작합니다ㅎ



Biomaterial은 우리 신체 일부분을 대체하거나 기능을 나타낼 수 있는 의학적 기기 또는 의료 기기를 제작하는데 있어서 안전하고 믿을 수 있고 경제적이며 생리학적으로 우리 신체에서 받아들여질 수 있는 물질들을 뜻합니다. 



이 Biomaterial의 필수 요건으로는 위 3가지가 있는데요. 우리 몸 안으로 들어갔을 때 독성을 나타내거나 암조직으로 변형되는 등의 위험성을 나타내지 않는, 안정성을 유지해야하는 Bio-stability를 갖춰야하는게 그 첫번째구요. 우리 몸 안에서 신체 조직들과 생화학적으로 조화를 이뤄야하는 Bio-compatibility를 갖춰야하는게 그 두번째입니다. 마지막으로 우리 몸 안에 이식된 Biomaterial과 접하는 cell들 사이에서 안정적인 화학적 조성을 가져야 하는데 그것이 바로 Interfacial-compatibility입니다. 



특히 정형외과적으로 쓰이는 biomaterial은 위와 같은 특징을 가져야 합니다. 즉, 독성이 없어야 하고 강도가 좋아야 하며 피로도 저항성이 높아야 하고 화학적으로 불활성이어야 하며 부식이 되지 않아야 하고 닳는 것에 대한 저항이 좋아야 하며 뼈와 비슷하게 낮은 탄성계수(elastic modulus)를 가져야 하고 마지막으로 저렴해야 한다는 것이지요. 



이런 biomaterial은 크게 금속, 세라믹, 폴리머로 나누어 볼 수가 있는데요. 금속은 강도와 연성이 좋은 대신에 부식이 될 수 있는 단점이 있구요. 세라믹은 생체적합성이 뛰어나고 닳는 것에 대한 저항이 좋지만 부서질 수 있다는 것이 단점입니다. 그리고 폴리머는 만들기 쉽고 가볍지만 강도가 강하지 않고 시간이 지남에 따라 변형이 될 수 있다는 것이 단점입니다. 



스테인리스 스틸과 비교했을 때 Co-Cr alloy(코발트-크롬 합금)는 wear resistance와 강도가 좋고, Ti-6Al-4V alloy(티타늄-알루미늄-바나듐 합금)는 부식 저항성과 강도, 탄성계수가 좋다고 하네요 .


그래서 Co-Cr Alloy는 wear resistance가 좋아서 관절 접촉면에 많이 쓴다고 하구요, 요즘에는 PEEK(Polyether ether ketone)이라는 폴리머도 사용한다고 합니다. 


여러가지 물질적 특성을 혼합해서 고관절 치환술에서 stem은 티탄으로, ball은 코발트나 세라믹으로, 그리고 cup은 폴리머로 제조하기도 한다네요. 



특히 탄성계수가 중요하다고 하는데요. 탄성계수는 탄성에 있어 응력(stress)과 변형의 비율을 뜻하는 것으로 이게 높으면 스트레스를 받아도 변형이 잘 안되는 것입니다. 예를 들어 고관절 치환술을 탄성계수가 높은 물질로 수술하게 되면, 스트레스가 가해졌을 때 이를 흡수하지 못하고 주변 뼈에 그 스트레스를 그대로 전달하여 뼈에 무리가 온다는 것이지요. 


슬라이드에서, 스테인리스 스틸과 Co-Cr-Mo alloy로 만든 femoral stem을 사용하여 고관절 치환술을 시행했을 때, 6주 후 stem 주변으로 BMD, 즉 골밀도가 감소하는 것을 확인할 수 있습니다. 아무래도 stem이 스트레스를 제대로 흡수하지 못해서 골세포에 무리가 된 탓이겠지요. 



여러가지 물질로 실험을 해본 바나듐이나 크롬 등은 조직에 독성을 나타내고 알루미늄은 알츠하이머병의 위험이 있어 그 중에서도 티타늄(Ti)이 가장 생체적합성이 뛰어나다고 할 수 있습니다. 



이 티탄 금속을 이용하여 3D프린팅함으로써 의료현장에 사용할 수 있는데요, 과정은 여느 3D프린팅 과정과 비슷합니다. 


특히 모델링 과정이 중요하다고 하네요. STL 파일을 제작할 때 폴리곤을 어떤 식으로 만드는지, 어떤 식으로 폴리곤을 구성할 것인지에 따라 3D프린팅했을 때 나타나는 특성이 달라질 수 있다고 합니다. 



이렇게 3D프린팅된 티타늄 제품들은 정형외과적으로나 신경외과적, 그리고 의료현상의 여러 수술적 도구로서 사용될 수 있구요. 



이렇게 3D프린팅된 티타늄 수술 재료들은 검증을 받아야합니다. 즉, 제대로 의사들이 원하는대로 출력이 되었는지, 물질적 특성이 우리가 흔히 알고 있던 티타늄의 특성과 다르진 않는지, 생체에 이식해도 되는지 등등 말이죠. 



여기서부터는 한국생산기술연구원에서 자체 개발한 순수 티타늄 두개골에 대한 특성을 설명하셨는데요. 한국생산기술연구원에서 자체 개발한 기술(그래프 상에서 어둡게 칠해진 부분의 세팅으로 3D프린팅)로 순수 티타늄을 3D프린팅하면, 인장력은 3D프린팅하지 않은 일반 순수 티타늄과 거의 동일하면서 강도는 거의 90%에 육박한다고 합니다. 


이는 기존에 나와있는 다른 3D프린팅된 티타늄 제품들과 비교했을 때 강도면에서 거의 2배 이상 차이가 난다고 하네요. 


그 이유를 찾기위해 TEM, X선 회절법 등을 이용해서 3D프린팅된 순수 티타늄을 조사한바, 한국생산기술연구원 기술로 순수 티타늄을 3D프린팅하면 구조가 6각형 구조로 바뀌면서 강도가 올라간다고 하네요. 



그리고 3D프린팅된 순수 티타늄에서 나노입자들(nanoparticles)도 발견되는데, shear stress 발생시 이 나노입자가 주위의 원자들이 비틀리는 것(distorsion)을 막아 강도를 높이는 것 같다고 하시더군요. 



그리고 열처리를 했을 때 강도가 더 올라가는 것도 확인했다고 하네요. 


공학적인 부분이라 어렵지만, 종합하면 한국생산기술연구원에서 자체 개발한 3D프린팅 기술을 이용하면, 생체 적합성이 가장 좋은 순수 티타늄을 이용해서 기존의 제품보다 강도가 훨씬 우수한 수술재료들을 만들 수 있다는 것이지요. 


이를 통해 두개골이나 인공관절 재료의 경량화를 이룰 수 있고, 합금없이 순수 티타늄을 이용함으로써 생체 적합성을 최대로 가져올 수 있으며, 환자 개인 맞춤형 재료를 만들 수 있어 환자에게도 큰 이익을 가져다줄 수 있다는 것입니다. 




또한 무릎 관절 치환술을 시행할 때 어떤 구조로 어떻게 인공관절이 장착되는지에 따라서 그 인공관절이 뼈에 미치는 특성이 달라진다고 하는데요. 어떤 구조가 가장 적합한지를 3D프린팅 기술과 공학적 연구기법을 통해 확인할 수도 있다고 하네요.



이번 연제의 결론은 이렇습니다. 영상검사에서 얻은 이미지와 금속 3D프린팅 기술을 사용해서 환자 맞춤형 의료 기기 및 재료를 만들 수 있다는 것이지요. 하지만 추가적으로 공정 최적화 등 해결해야할 문제들도 아직 남아있다고 하시더군요. 


그래도 우리나라 정부에서 2016년 11월 안까지 3D프린팅된 티타늄 의료품들에 대한 규제를 완화한다고 하니 좀 더 발전 가능성을 기대해봐도 좋을 것 같습니다. 


저는 이 발표를 듣기 전까지 3D프린팅한 수술재료들은 그냥 출력만 잘되면 되는 줄 알았는데, 그게 아니라 인체에 실제로 사용되기까지 수많은 검증이 필요하더군요. 역시 기술이 사람에게 적용되는 데에는 엄청난 노력이 필요하다는 것을 다시한 번 깨달을 수 있었던 컨퍼런스였습니다.


그 다음 연제는 [임상 적용 및 수술 사례를 통한 3D프린팅 의료기술의 현재와 미래]입니다. 포스팅 계속 해야죠~!


이제까지 메이드인네버랜드였습니다~!


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