의료분야 적층제조, 임플란트·수술 시뮬레이션 중심 발전 가속화

◇연재순서

(1)전시회 총괄 평가

(2)산업용 금속 적층제조 장비 및 소재

(3)산업용 플라스틱 적층제조 장비 및 소재

(4)바이오 메디컬 분야 적층제조 기술

(5)적층제조 후공정 및 디지털 매뉴팩처링

(6)적층제조 S/W 기술 발전 방향

(7-完)적층제조의 미래 발전 방향

국내 의료 분야에서의 적층제조기술은 두 가지 방향으로 사용되고 있다. 첫번째는 생체적합성 소재를 사용한 적층 분야로 인체내에 삽입되어 질환으로 인해 소실된 뼈, 치아 및 관절 등의 인체 구성요소를 대체하는 적층형 임플란트 분야이다. 임플란트 분야는 소재기술, 적층제조기술의 발전과 더불어 다양한 제품과 공정이 개발되고 있다.

소재기술의 측면에서 보자면 임플란트는 생체 내에 식립되는 특성으로 인해 식립 후 인체의 거부반응과 독성이 없고 인체 뼈와 유합이 잘되는 소재를 기반으로 제조되는데 이때 사용되는 대표적인 임플란트의 소재로는 Ti grade 2, Ti alloy (Ti6Al4V 합금), CoCrMo alloy(코발트 크롬 몰리브덴 합금), Tantalume(탄탈륨)이 있다.

타이타늄 및 코발트크롬 계열의 소재는 특정 목적을 달성하기 위한 특수 소재로 방산부품, 우주항공 및 자동차 산업에서 사용되어져 왔으며 많은 제조사에서 다양한 형태의 분말 제품을 출시하고 있다. 이제 모든 적층장비(3D프린터) 제조사에서는 상기의 Ti/Ti alloy 및 CoCr 소재들을 이용하여 인공고관절 치환술에 사용되는 비구컵(Acetabular cup), 척추질환에 사용되는 요추형 케이지(Luamar Cage). 흉부 재건술에 사용되는 임플란트(Stemum and ribs reconstruction implant) 등 고령화 사회에서 많이 사용되는 임플란트를 적층하여 전시하였다.

▲ 3D시스템즈의 인공고관절용 비구컵(Acetabular cup) 양산 적층 사례(左) 및 척추용 추간체유합보형재(Lumbar cage) 양산 적층 사례

분말(Powder) 제조업체인 테크나(Tekna)에서는 고순도의 구형 탄탈륨 분말을 선보였으며, 우주항공, 전기전자 및 의료시장에서 시판되는 다양한 적층 장비에 맞출 수 있도록 특성을 강화하였다. 6K Additive에서도 고순도의 구형 탄탈륨 출시를 알렸다.

▲ 골 성장을 유도하는 Porous structure

임플란트 중에는 초기 및 장기 식립 중 환부와 임플란트 사이의 인터페이스에 골 유합이 필요한 제품이 있는데 이러한 임플란트의 표면은 골유합의 성공률을 높이기 위해 인체의 뼈와 유사한 형상인 다공성(Porous) 구조나 격자(lattice) 구조로 외형을 설계하는데 nTopology社에서는 격자 구조의 외형을 손쉽게 구성하고 조절할 수 있는 nTop 소프트웨어를 소개하였다.

이번 전시회에서 주목해야 할 점은 적층제조기술 분야에서는 PBF(Powder Bed Fusion), DED(Directed Energy Deposition), BJ(Binder Jetting)의 약진이 두드러졌다. PBF 방식은 작은 분말로 정교한 부품을 생산하여 대형 부품 혹은 대량 생산에서 적합하지 않다고 인식되어져 왔으나 대표주자인 GE Additive, EOS, 3D시스템즈는 장비의 대형화와 더불어 고속 생산으로 양산에 적용할 수 있는 적층장비를 소개했으며 장비 가동률을 극대화하기 위한 부속 설비 구성의 다양한 솔루션을 소개하였다.

DED 장비의 대표 주자인 트럼프(TRUMPF)의 경우 이종소재의 적층(Cladding) 또는 파손된 부위의 보수(Repair) 분야에도 장비의 활용을 소개하였다. 국내 DED 장비 제조사인 인스텍은 6개의 분말을 동시에 믹싱하고 품질을 컨트롤 할 수 있는 노즐을 공개하였으며 다양한 임플란트의 표면에 이종소재를 적층하는 샘플을 선보였다.

적층장비社 비구컵 등 인체삽입 임플란트 전시, 금속분말社 탄탈륨 출시

적층제조 인체안전성·양산성 개선, 다양한 임플란트 적층제조 생산 기대

▲ 트럼프의 이종소재 적층(Cladding) 적용 예시(左). 인스텍이 다양한 분말을 혼합하여 제조한 적층 샘플(右)

두번째는 수술 전 환자의 의료정보(CT 혹은 MRI)를 사용하여 실제 환부와 동일하게 3D 모델을 구현한 뒤 이를 플라스틱 레진으로 적층, 제조된 인체 모사체는 의료진의 반복 수술로 인한 숙달을 이루어내어 환자의 부담 요소인 수술 시간을 줄이고 돌발 상황 등을 사전에 점검할 수 있는 수술 시뮬레이션분야이다.

수술 시뮬레이션 및 숙련된 의료인을 양성하기 위해 보조재로 3D프린팅된 인체 모델을 사용하고 있으며 수술 전 환자에게 대략적인 환부와 수술 방법들을 설명해줌으로써 의료 서비스의 수준을 올리고 있다. 적층기술의 발달로 초창기 단일, 단색 소재의 인체 모사체들은 다양한 색상을 가진 단일소재의 중간 단계를 지나 환부와 유사한 색상 및 부위별 다른 감촉을 느낄 수 있을 정도로 발전했다.

스트라타시스는 천연색에 버금가는 다양한 색상을 동시에 출력이 가능하게 했으며 이종 소재의 출력을 통해 인체 구성요소의 촉감과 유사한 출력물을 전시하였다. 또한 의료분야의 고온 고압의 멸균 시스템에도 변형이 없는 엔지니어링 플라스틱인 Ultem과 PEEK의 출력물을 전시하여 의료기구 분야의 새로운 적용 제품을 기대할 수 있었다.

▲ HP의 장애인 보행 보조 제품

의료 분야에서의 적층 공정의 적용은 많은 제약 조건을 가지고 있다. 생체친화적인 소재를 사용, 적층 공정상의 위해요소 제거 그리고 감마선의 조사 등 멸균 공정 후 안전성 확보 등 다양한 한계점을 갖고 있다. 현시대의 적층제조기술은 이러한 모드 제약을 뛰어넘을 수 있을 정도로 발전하고 있으며 매년 그 발전 속도가 가속되고 있다. 수술 시뮬레이터 및 교육 보조재로서의 적층기술은 다양한 니즈와 결합하여 매년 많은 상품들이 쏟아져 나오고 있으며 앞으로 발전의 한계성은 없을 것으로 판단된다.

현재까지 임플란트 분야에서 사용되던 적층기술은 고전적인 제조 방식보다 더 많은 가공 시간과 낮은 장비 가동률 그리고 높은 장비 도입비용으로 인해 각광받지 못한 것이 현실이었다. 그러나 적층장비 제조사들은 이러한 약점을 인식하고 개선했으며 그 결과로 단일 레이어 작업시 높은 효율성, 부대 장비의 연결을 통한 높은 장비가동률 그리고 적층장비의 유닛(Unit)화를 통해 유연한 솔루션을 제공함으로써 기존 임플란트 제조사들이 적층 기술 및 장비를 사용하여 양산 공정의 적용을 고려할 수 있도록 하였다. 경쟁력 있는 수단이 제공되었으니 임플란트 분야에서도 많은 제품이 적층 기술을 통해 제조되고 유통될 것으로 전망한다.