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혜린 아
7 years ago
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1 기획특집: 3D 프린팅 기술 생체의료 분야 응용을 위한 3D 프린팅 기술 박 소 현 1 임 상 구 2 양 승 윤 2 김 세 현 1, 1 영남대학교 나노메디컬유기재료공학과 2 부산대학교 바이오소재과학과 3D Printing Technology for Biomedical Applications So Hyeon Park 1 and Sang-Gu Yim 2 and Seung Yun Yang 2, and Se Hyun Kim 1, 1 Department of Nano, Medical and Polymer Materials, Yeungnam university 2 Department of Biomaterials Science, Pusan National University Abstract: 최근 3D 프린팅 기술은 의학 분야에서 다양하게 활용되고 있다. 실제로 국내 삼성서울병원에서 3D 프린터 를 이용해 만든 환자의 골격 모델을 활용해 암이 퍼진 얼굴 골격을 절제하는 수술을 진행한 사례가 있다. 이렇게 의료 분야에서의 3D 프린팅은 우선 사람의 몸 구조가 개개인마다 각기 다르기 때문에 환자 개개인 몸에 꼭 맞는 치료나 기구를 제작하는데 큰 역할을 담당하고 있다. 더 나아가 미래에는 3D 프린터에 세포를 넣어 인공장기를 출력하거나, 자신에게 필요한 효과만을 모은 맞춤형 의약품을 만들 수 있을 것이다. 실제로 이 같은 연구가 세계 전역에서 활발히 이뤄지고 있고, 실제 임상 현장에서의 3D 프린터 활용도 점차 확대되고 있는 추세이다. 이 논문에서는 3D 프린팅 기술이 의료 바이오 분야에 어떻게 활용되고 있는지를 알아보고자 한다. Keywords: 3D printing, Bioprinting, Biomedical applications 1. 여는 글 1) 3D 프린터는 1984년에 개발되었고 1986년 이 후 등록된 3D 프린팅과 관련된 핵심 특허 기술들 이 잇따라 만료됨에 따라 자동차, 항공, 선박, 의료 와 관련된 제조업 분야를 중심으로 기술시장이 확 산되고 있다. 특히, 생체 의공학 분야에 있어 2000년을 전후로 하여 고체 필라멘트를 녹여서 한층한층 쌓아가며 3D 프린팅하는 방식인 FDM (Fused deposition modeling) 기술에 열가소성 생 체적합 고분자를 적용하여 조직공학용 인공지지 체를 제작함에 따라, 3D 프린팅 기술이 바이오 조 형기술에 급속하게 활용되기 시작하였다. 최근 이 러한 3D 프린팅 기술의 활용이 조직공학용 지지 체 이외에도 수술시뮬레이션 및 수술 임플란트 제 작, 맞춤형 보형물 제작, 인공혈관, 인공간 등 의학 주저자 ( shkim97@yu.ac.kr) 분야에서 다양하게 적용되고 있다. 3D 프린팅 기술을 재생의학용 지지체(scaffold) 제작에 활용할 경우, 살아있는 세포를 직접적으로 원하는 형태로 프린팅할 수 있기 때문에 플라스틱 이나 금속으로만 제작된 지지체보다 기존 조직과 의 유착률을 높일 수 있고 이를 위해 다양한 생체 재료 개발 및 세포활성을 높이기 위한 미세환경 (microenvironment) 조절에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 최근 3D 프린팅 기술이 본격적으로 의료에 접 목되면서, 보건의료 분야에서도 대대적인 변화를 이끌고 있다. 예를 들어, 가상 시뮬레이션을 통한 수술 시간 단축 및 성공률 향상에 기여하고 있으 며 의료인력의 교육실습에 활용되고 있다. 최근에 는 보청기, 틀니, 의족 등 개인 맞춤형 의료보형물 제작에도 3D 프린팅 기술이 사용되고 있다. 본 원고에서는 3D 프린팅 기술이 생체의료 분 야에 응용된 일반적인 사례를 소개하고, 향후 3D KIC News, Volume 18, No. 1,

기술은 의학 분야에서 다양하게 활용되고 있다. 실제로 국내 삼성서울병원에서 3D 프린터 를 이용해 만든 환자의 골격 모델을 활용해 암이 퍼진 얼굴 골격을 절제하는 수술을 진행한 사례가 있다.

2 기획특집: 3D 프린팅 기술 프린터의 발전 전망에 대해 살펴보고자 한다. 2. 바이오 프린팅(Bioprinting) 바이오 프린팅(Bioprinting)이란 살아있는 세포 를 원하는 형상 또는 패턴으로 적층하여 조직이나 장기를 제작하는 3D 프린팅 기술의 한 분야이다. 장기 프린팅, 근육과 뼈 제작 등 다양한 분야에 적 용되고 있다 장기프린팅(Organ Printing) 미국 샌디에고에 위치한 생명공학 회사 Organovo 는 수만 개의 세포로 이루어진 바이오 잉크를 원 하는 모양으로 적층하는 3D 프린팅 기술을 개발 하였으며, 이를 이용해 3D 프린팅한 인공간이 40 일 동안 살아남는 것을 확인하여 인공장기의 가능 성을 보여주었다. 간 세포를 배양할 때 특정인의 줄기세포를 활용하기 때문에 인공간의 생착 (engraftment)에는 문제가 없을 것으로 예상되지 만 장기간 기능을 유지할 수 있는 인공간 제작에 대한 개선점을 가지고 있다. 미국 사우스캐롤라 이나 의과대학(Medical University of South Carolina)에서는 2003년 바이오 잉크를 이용하여 3차원 튜브모양의 인체 조직을 합성한 이후 계속 적인 연구를 수행하고 있는데 이때, 3차원 구조 제 작을 위해 세포와 젤(gel)을 층별로 적층하는 방식 을 사용하였다. 세포는 젤이나 바이오 페이퍼 (bio-paper)와 같은 세포가 적절하게 적층될 수 있는 특수한 물질위에 쌓이면서 3차원 형상으로 제작된다. 제작된 3차원 튜브형상에 관류액 (perfusion)을 흘려보내는 작업을 수행하고 있으 며, 이와 같은 방법으로 동맥, 정맥, 모세혈관 등의 조직을 제작하고 있다. 바이오 프린팅 기술을 활용하여 인공장기 제작 의 가능성을 확인하였고 현재는 세포의 활성을 높 이고 기존 조직과의 유착율을 높이기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. *출처: Figure 1. 3D 프린팅 기술을 이용해 대동맥류 환자의 혈관 을 본 뜬 모형 근육과 뼈의 제작(Printing Muscle and Bone) 카네기 멜론 대학(Carnegie Mellon University) 에서는 바이오 잉크를 이용하여 줄기세포(stem cell)를 두 가지 다른 라인으로 분화하는데 성공 하였다. Phil Campbell 박사는 잉크젯 프린터를 개조하여 줄기세포를 뼈세포로 바꾸는 성장인자 GMP-2 바이오 잉크 용액을 사각형 모양으로 여 러 층 적층한 후 근육에서 얻어진 성체 줄기세포 를 코팅하였다. 코팅된 성체 줄기세포는 뼈세포로 분화하였으며, 성장인자가 프린팅 되지 않은 부분 은 근육세포로 성장하였다. 결국 프린팅 기술을 활용하여 특정한 부분에만 줄기세포의 분화에 필 요한 성장인자를 공급함으로써 원하는 세포나 조 직으로 분화시키는 결과를 보여주었다. 3. 3D 프린팅 기술의 의료분야 활용 3.1. 수술시뮬레이션 및 수술 임플란트 제작 대동맥 질환 수술 최근 서울성모병원 의료진이 대동맥 질환 수술 을 위해 3D 프린팅 기술을 활용한 사례가 보고되 었다. 수술 전에 환자가 3차원 입체 CT검사로 촬 영한 대동맥을 3D 프린터로 그대로 출력하고 (Figure 1), 환자의 실제 대동맥과 같은 크기의 모 68 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015

간 세포를 배양할 때 특정인의 줄기세포를 활용하기 때문에 인공간의 생착 (engraftment)에는 문제가 없을 것으로 예상되지 만 장기간 기능을 유지할 수 있는 인공간 제작에 대한 개선점을 가지고 있다.

3 생체의료 분야 응용을 위한 3D 프린팅 기술 *출처: Figure 3. 수술 후 접합된 환아의 기관지. *출처: Figure 2. 3D 프린터로 출력한 기관지 도관 디바이스. 형을 보며 몇 차례의 모의 수술계획을 세울 수 있 다. 이로 인해, 스텐트 시술을 효과적으로 수행할 수 있었고 환자에게 치료 계획을 쉽게 설명함으 로써 환자에게 심적인 안정감을 높이는 결과를 보였다. 이는 대동맥류 환자의 수술이나 시술에 앞서 환 자의 장기를 직접 만들어 치료계획에 처음으로 적 용시킨 것에 의의가 있으며 앞으로 수술이나 시술 이 필요한 대동맥류 환자에 확대 적용될 것으로 예상된다. 미시간대학(University of Michigan) 연구팀은 임신 35주경에 출생한 영아의 우측 폐동맥 및 대 동맥 이상으로 좌측 기관지가 혈관 사이에 끼이면 서 좁아져 생긴 문제를 해결하기 위해 FDA에 응 급한 상황에서 특수 디바이스의 사용을 승인받은 후 생분해성 소재인 PCL (Polycaprolactone)을 이 용해 기관지 협착부에 맞는 형태로 작은 도관 디 바이스를 3D 프린팅 기술로 제작하였다(Figure 2). 기존 부위를 제거하고 3D 프린팅으로 제작된 기 관지에 안정적으로 연결되었으며 자력으로 호흡 을 할 수 있게 되었다(Figure 3). 이식형 디바이스 를 인체에 흡수되는 물질로 제작함으로써 환아가 점차 자라면서 디바이스 때문에 기관지가 좁아지 는 문제를 해결할 수 있을 거라 예상된다. 흡수되는 물질(bioresorbable)로 환아가 점차 자 라면서 오히려 디바이스 때문에 기관지가 좁아지 는 문제를 해결할 수 있게 해준다. *출처: Figure 4. 3D 프린터를 이용한 얼굴 뼈 출력물 잘못된 성형수술로 인한 턱뼈 복원 최근 3D 프린터로 보형물을 제작하여 안면조소 술에 적용하는 기술이 개발되었다. 안면윤곽술이 뼈를 깎아내는 것이라면, 안면조소술은 덧붙이는 시술을 말한다. 기존의 안면조소술은 의사가 대략 적인 보형물의 크기를 골라 수술을 하면서 이를 적당히 깎거나 변형해 덧대는 방식으로 이루어져, 수술 후 얼굴이 울퉁불퉁해지는 것은 물론, 심한 경우 보형물이 살속을 돌아다니는 부작용이 일어 나기도 했다. 3D 프린팅은 이같은 한계를 극복시 킬 수 있었고 원래의 뼈 모양과 거의 동일한 보형 물을 제작할 수 있다(Figure 4). Figure 5의 왼쪽 그림과 같이 잘못된 양악수술 로 인해 턱뼈를 너무 많이 깎았다거나, 계단처럼 잘려있는 경우, 3D 프린터로 뼈 모양을 출력한 후 뼈와 딱 맞는 보형물을 제작함으로써 원래의 모습 으로 복원이 가능하게 된다(Figure 5 오른쪽). 이 는 보형물이 뼈와 딱 맞기 때문에 수술 후에도 보 형물이 움직이지 않고, 보형물과 자신의 뼈의 경 계가 생기지도 않아 환자가 느끼는 불편함을 최소 화시킬 수 있다. KIC News, Volume 18, No. 1,

미시간대학(University of Michigan) 연구팀은 임신 35주경에 출생한 영아의 우측 폐동맥 및 대 동맥 이상으로 좌측 기관지가 혈관 사이에 끼이면 서 좁아져 생긴 문제를 해결하기 위해 FDA에 응 급한 상황에서 특수 디바이스의 사용을 승인받은 후 생분해성 소재인 PCL (Polycaprolactone)을 이 용해 기관지 협착부에 맞는 형태로

4 기획특집: 3D 프린팅 기술 (a) *출처: (b) Figure 5. 3D 프린팅을 이용한 복원 수술. *출처: Figure 7. 3D 프린터로 제작된 티타늄 두개골 모형. 이러한 부작용을 최소화하기 위해 환자의 CT 영 상을 기반으로 수술부위 골격을 3D 프린터로 제 작하였다(Figure 6). 그 결과 절제범위, 뼈 두께, 중요 구조물 등을 실시간으로 확인할 수 있어 수술의 효율성과 안전 성을 향상시킬 수 있었고 수술 후 얼굴 및 눈 함몰 가능성을 최소화할 수 있었다. *출처: Figure 6. 3D 프린터로 제작한 부비동암 환자의 골격 모형물 부비동암 수술 부비동암 수술은 안구를 떠받치는 뼈에 암이 퍼 져 얼굴의 골격을 광범위하게 절제한 후 다른 부 위의 뼈나 근육을 떼어 내 붙여 기존의 얼굴골격 을 대신하도록 하는 것으로 주로 환자 자신의 어 깨뼈와 근육 등을 떼어 미세혈관 수술을 이용하여 얼굴재건을 시도한다. 기존에 부비동암 수술은 CT 등 영상의학 검사 자료에만 의존해 수술을 진 행해 얼굴 골격의 정확한 확인이 어려워 수술과정 에서 부정교합이 발생할 가능성이 존재했다. 또한, 시간이 지남에 따라 중력이나 얼굴 근육의 움직임 으로 구조물의 변형이 일어날 가능성이 있었다 맞춤형 보형물 제작 두개골 성형수술 최근 세브란스병원 심규원 교수팀은 3D 프린터 를 활용하여 두개골 성형수술에 성공하였다. 기존 에 시행했던 두개골 성형수술은 두개골 뼈의 손실 이 있는 경우 결손부위를 플라스틱 재질의 골 시 멘트로 메워왔다. 수술 시에 이 골 시멘트를 의사 가 직접 두개골 형태로 만들어야 하는데, 일반적 으로 십분 안에 제작이 이루어지지 않으면 시멘트 가 굳어 변형이 불가능하며 두개골의 결손 부위가 클수록 수술이 어려움이 크다. 심규원 교수팀은 환자를 촬영한 CT 정보를 3D 프린터를 이용하여 환자 두개골 모형을 티타늄제 질로 출력하였다. 이때 3D 프린터에 장착된 레이 저가 티타늄을 섭씨 1,500 의 열로 녹여서 프린 팅할 수 있었다(Figure 7). 티타늄 임플란트를 이 용함으로써 수술시간을 단축할 수 있고 감염에 대 한 문제로 줄일 수 있다. 게다가 티타늄으로 만들 어서 가볍고 강도도 좋다는 장점이 있다. 70 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015

com/ Figure 6. 3D 프린터로 제작한 부비동암 환자의 골격 모형물. 3.1.3. 부비동암 수술 부비동암 수술은 안구를 떠받치는 뼈에 암이 퍼 져 얼굴의 골격을 광범위하게 절제한 후 다른 부 위의 뼈나 근육을 떼어 내 붙여 기존의 얼굴골격 을 대신하도록 하는 것으로 주로 환자 자신의 어 깨뼈와 근육 등을 떼어 미세혈관 수술을 이용하여 얼굴재건을 시도한다.

5 생체의료 분야 응용을 위한 3D 프린팅 기술 *출처: Figure 9. 맞춤형 보청기. *출처: Figure 8. 한 남성의 두개골이 함몰됐을 때와 두개골 수술 을 한 후의 모습. 해외에서도 두개골 성형수술에 활용한 사례가 보고되었는데 슬로바키아에서 한 남성이 4미터 높이에서 떨어져 두개골이 함몰되는 일이 발생하 였고 뇌 손상이 되어 약 9년동안 휠체어에 의지 하며 살았다. 당시 슬로바키아의 파스퇴르 대학 병원의 의사는 그의 부서진 두개골 구조를 임시 로 아크릴 임플란트를 사용하여 대체하였으나, 뇌 신경조직을 압박하여 환자가 의사소통과 운동 근육 능력을 상실하기 시작하여서 적합하지 않았 다. 그후 CEIT 생명 공학의 연구진은 3D 프린터 기술 중 하나인 레이저 소결 기술을 사용하여 생 물학적으로 허용되는 금속 티타늄으로 임플란트 를 제작하여 그의 두개골에 정확하게 착용할 수 있도록 개발하였고 Figure 8에서 보는 바와 같이 휠체어 없이도 생활을 할 수 있게 되었다. 최근에 는 인공다리, 인공팔에도 3D 프린터 기술이 활용 되고 있다. *출처: Figure 10. 맞춤형 보청기의 제작과정 맞춤형 보청기 3D 프린터에 의해서 현재 가장 일반적으로 쓰 이고 있는 의료 보조 기기 중 하나는 맞춤형 보청 기이다. 현재 3D 프린터로 만들어진 보청기의 수 는 약 100 억개에 달하고 있다(Figure 9). 3D 프린팅 기술을 이용한 맞춤형 보청기는 실 리콘으로 귀 모양을 본뜬 후 3D 스캐너를 이용하 KIC News, Volume 18, No. 1,

당시 슬로바키아의 파스퇴르 대학 병원의 의사는 그의 부서진 두개골 구조를 임시 로 아크릴 임플란트를 사용하여 대체하였으나, 뇌 신경조직을 압박하여 환자가 의사소통과 운동 근육 능력을 상실하기 시작하여서 적합하지 않았 다.

6 기획특집: 3D 프린팅 기술 출처: Figure 12. 오브젯 3D 프린터에서 제작한 임플란트. 출처: Figure 11. 치과에서 황용되는 3D 모델. 여 귀 모양을 정확하게 인식하고, 그 모형에 따라 3D 프린터로 출력하면 맞춤형 보청기가 제작된다 (Figure 10). 기존의 수작업과 달리 3D 프린팅 기 술을 이용해 빠른 시간 내에 보청기를 제작할 수 있으며 대량생산이 가능해져 생산비용이 줄어들 고 환자 귀 모양의 스캔자료를 보관함으로써 보청 기를 분실하더라도 똑같은 모양의 보청기를 손쉽 게 제작할 수 있다 치아 보철물 제작 사람에 따라 치아의 모양이나 구강구조가 다르 기 때문에 치아 보철물이나 임플란트에 3D 프린 터가 효과적으로 쓰일 수 있다. 3D CT와 치과용 3D 스캐너를 이용하여 환자의 치아구조 데이터를 획득한 다음 3D 프린팅 기술을 활용하여 치아교 정장치와 임플란트를 제작할 수 있는데 치기공 3D 모델의 경우, 수술 시 임플란트 드릴이 수술 부위의 정확한 위치에 자리할 수 있도록 환자의 구강 구조와 잇몸의 모양에 완벽히 일치하는 수술 용 가이드로 이용될 수도 있다(Figure 11). 특히, 여러 혈관들이 지나는 부위에서 진행되는 임플란 트 수술에서는 단 1 mm의 오차도 치명적인 결과 를 가져올 수 있기 때문에 사람의 손에 의존하는 기존의 방법보다 3D 프린팅 기술을 활용함으로써 신속하고 정밀하게 수술을 진행할 수 있다. Stratasys사의 오브젯 3D 프린터는 생체 적합성 72 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015 출처: Figure 13. 광대뼈를 장착한 두개골 보형물. 투명 재료를 사용함으로써, 구강수술용 틀과 운반 용 틀이 환자에게 적합한지를 확인하거나 임플란 트를 비롯한 여러 치과 치료과정에서 잇몸 등 부 드러운 조직을 모니터링 하는 데에 도움을 주고 있다(Figure 12). 치과 보철물의 경우 장기나 다른 보형물보다 높은 정교성을 요구하기 때문에 3D 프린팅 기술이 더 각광받을 것으로 예상된다 생분해성 광대뼈 제작 서울성모병원 성형외과에서 3D 프린터로 제작 한 광대뼈 보형물을 환자에게 이식하는데 성공한 사례가 있다. 얼굴뼈에 생긴 종양을 수술로 떼어 낸 뒤 광대뼈가 움푹 꺼졌는데 3D 프린터로 만든

기존의 수작업과 달리 3D 프린팅 기 술을 이용해 빠른 시간 내에 보청기를 제작할 수 있으며 대량생산이 가능해져 생산비용이 줄어들 고 환자 귀 모양의 스캔자료를 보관함으로써 보청 기를 분실하더라도 똑같은 모양의 보청기를 손쉽 게 제작할 수 있다. 3.2.3. 치아 보철물 제작 사람에 따라 치아의 모양이나 구강구조가 다르 기 때문에 치아 보철물이나 임플란트에 3D 프린 터가 효과적으로 쓰일 수 있다.

7 생체의료 분야 응용을 위한 3D 프린팅 기술 *출처: *출처: Figure 14. 눈 선상이 일직선이지 않은 상태의 CT를 찍어 임플란트를 디자인하고 시뮬레이션에 적용함. 이를 3D 프 린터로 출력하여 생분해성 임플란트를 제작. 이를 적용시 키고 2주 경과 후 모습. Figure 15. 몽골소년의 인공코 이식수술 전과 후. 인공뼈를 이식받아 정상적인 얼굴 모양으로 회복 하였다. 환자의 눈은 원래 위치로 거의 되돌아왔 고, 일상생활에 큰 불편함이 없이 생활하게 되었 다(Figure 14). 이때 보형물을 몸 안에서 서서히 녹아 없어지는 생분해성 재료를 사용함으로써 이 식 후 보형물은 점점 줄어들고 골막에선 뼈가 자 라나와 2년 정도 뒤에 보형물 자리가 환자 본인의 뼈조직으로 완전히 대체될 수 있을 것이라 전망되 고 있다 맞춤형 인공코 3D 프린팅 기술은 인공코 제작에도 이용되고 있는데 Figure 15에 보는 바와 같이 3D 프리팅 기 술로 제작된 인공코를 태어날 때부터 코와 콧구멍 이 없는 몽골소년에게 이식되었다. 일반적으로 숨 을 제대로 쉴 수 없어 생후 12개월 내 사망하게 되 는데 서울성모병원의 의료진이 3D 프린팅 기술을 이용하여 인공 콧구멍, 기도 지지대를 넣어 인공 코를 성공적으로 안착시켜 호흡을 가능하게 하였 다. 이때 3D 프린팅으로 세부조각을 제작하고 최 종적으로 인체에 무해한 실리콘을 주입하여 최종 기관을 완성하였다(Figure 16) 쇄골골절 환자의 맞춤형 모델제작 최근에 쇄골골절의 치료를 쇄골 CT 영상을 이 *출처: Figure 16. 3D 프린팅을 이용한 인공기관 제작 과정. 먼저 환자의 컴퓨터단층촬영(CT) 사진을 정밀 분석해 캐드 프로 그램으로 지지대를 설계한다. 이를 토대로 지지대를 감싸 는 3D 프린트로 몰드(거푸집)를 세부조각으로 제작한다. 인공기관 소재인 실리콘을 주입하여 인공기관을 완성한다. 의료진은 아이의 이름을 따서 이 인공기관을 네르구이 스텐트 로 명명하여 의료용 구조물의 명칭으로 사용하고 있다. 용하여 3D 프린터로 제작된 모델로 사전에 수술 계획을 세우고 실시한 사례가 있다. 쇄골 골절 모 델은 FDM (Fused deposition modeling) 방식으로 보급형 3D 프린터로 제작되었는데(Figure 17), 적 은 비용과 짧은 시간으로 직접 제작한 쇄골 모델 을 활용함으로써 수술 시 2차 손상을 줄이고, 수술 효율을 높일 수 있었다. Figure 18에서 보는 바와 같이 제작된 쇄골 모 델은 골절된 환자의 쇄골과 같은 크기로 출력되었 고 골절의 상태가 실제와 같이 정확하게 반영되었 KIC News, Volume 18, No. 1,

이때 보형물을 몸 안에서 서서히 녹아 없어지는 생분해성 재료를 사용함으로써 이 식 후 보형물은 점점 줄어들고 골막에선 뼈가 자 라나와 2년 정도 뒤에 보형물 자리가 환자 본인의 뼈조직으로 완전히 대체될 수 있을 것이라 전망되 고 있다. 3.2.5.

8 기획특집: 3D 프린팅 기술 (a) (b) (c) (d) Figure 17. 3D 프린팅을 이용하여 제작된 쇄골 골절 모델 (clavicle fracture model). Figure 19. 골반골절 환자의 모형. Figure 18. 쇄골환자 맞춤형 쇄골 골절 모델(clavicle fracture model)의 사진. 음을 X ray 사진과 VR영상, 그리고 아래의 제작 모형에서 확인할 수 있다. 쇄골골절로 수술할 환자의 골절 부위를 3D 프 린터로 제작된 모델은 정밀도와 해상도면에서 임 상적 활용 가치가 높을 것으로 예상된다 골반골절 환자의 맞춤형 모델제작 최근 3D 프린터의 발달로 골절된 뼈 모형을 제 작하여 수술에 활용하는 사례가 많아지고 있는데, 3D 프린터로 골반골절 모델을 직접 제작하여 사 전 수술계획에 활용되었다. 6명의 불안정성 골반 골절 수술환자의 맞춤형 골 모델을 제작한 후 골 절수술에 임상적으로 활용가능한지에 대한 정보 를 제공하였는데 이때 분말형태의 재료를 접착제 나 레이저를 사용하여 결합시키고 조형하는 방식 74 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015 인 SLS (Selective Laser Sintering)가 사용되었다. 이 방법은 다른 기술에 비해 정밀도와 해상도가 뛰어나다는 장점이 있다. 골반골절 환자의 골 모형을 제작하기 위해서도 CT 영상을 영상변환프로그램을 이용하여 3D 파 일로 변환한 후 3D 프린터로 제작하게 되는데 크 기가 160 mm 이상인 골반 모형을 제작하는 방법 은 변환된 3D 파일을 해부학적 구조와 골절된 형 태를 감안하여 분할하고 각각을 출력, 후처리하 고 해부학적 구조에 맞게 접합하는 방법을 사용 한다. Figure 19는 복합 골절된 골반을 모형화한 것으 로서, 골반의 오른쪽에는 치골과 좌골의 골절이 있고 왼쪽에는 관골구와 장골의 골절이 심한 환자 를 나타낸다. CT 영상과 제작된 모형의 골절 상태 가 정확하게 일치하는 것을 확인할 수 있고 이를 활용해 사전 수술계획을 세우고 혈관과 내부 장기 의 손상이 없도록 시뮬레이션을 실시할 수 있다. 이러한 골절 모델을 사용함으로써 수술 시에도 절 개부위에서 보이지 않는 부분을 환자 골반 모형을 활용하여 골절 상태를 확인하면서 수술을 할 수 있다는 장점이 있다.

골반골절 환자의 맞춤형 모델제작 최근 3D 프린터의 발달로 골절된 뼈 모형을 제 작하여 수술에 활용하는 사례가 많아지고 있는데, 3D 프린터로 골반골절 모델을 직접 제작하여 사 전 수술계획에 활용되었다.

9 생체의료 분야 응용을 위한 3D 프린팅 기술 *출처: Figure 20. 3D 프린터를 이용해 만든 인공 턱 맞춤형 인공 턱뼈 제작 벨기에 의료진이 3D 프린터를 이용해 인공 턱 을 제조하고 환자에 이식하는데도 성공하였다. 인 공 턱은 디자인부터 제작까지 모두 디지털 방식으 로 이뤄졌으며, 디자인이 완성된 후 3D 프린터로 모형이 나오기까지는 불과 2시간밖에 걸리지 않았 다. 이는 레이저로 용해된 티타늄 파우더로 만들 었으며, 실제 턱 보다 조금 더 무겁지만 형태적으 로 실제 사람의 턱과 유사하게 제조되었다. 이때 기존의 플라스틱 파우더 소재를 대체하기 위해 크리스탈 플라스틱 재료를 이용하여 훨씬 더 정교한 모형물을 제조할 수 있게 되었고 이 모형 물은 인체에 무해하며 가스 소독이 가능하여 실시 간으로 수술 테이블에서 직접 만지고 볼 수 있는 장점이 있어 의료진에게 편리성을 제공하였다. 기 존의 턱뼈 보철물은 틀을 이용한 주형법에 의해서 주로 제작되었고 장시간의 수술과 오랜 회복기간 으로 인해 환자의 불편함이 컸었다. 게다가 음식 물도 쉽게 씹지 못하는 단점을 가졌다. 하지만 턱 뼈를 3D 프린터를 이용하여 티타늄으로 제작할 경우, 48시간 내에 인공 턱 제작이 가능하였고 수 술시간 및 환자의 회복기간을 획기적으로 줄일 수 있었다 맞춤형 의수, 의족 3D 프린팅 기술은 팔이나 다리를 잃은 환자들 이 착용하는 의족이나 의수의 덮개를 맞춤형으로 제작하는데도 사용된다. 기존의 의족, 의수는 파이 프 형태의 구조물을 그대로 보여주거나, 아니면 피부톤에 맞는 스펀지 등의 덮개로 표면을 감싸는 *출처: Figure 21. 3D 프린터를 이용해 만들어진 의수와 의족. 형태로 제작되었다. 이러한 기존의 의수, 의족은 기능적인 불편함 뿐만 아니라 미관상의 문제로 인해 환자에게 심리적으로 위축감을 들 수 있게 한다. 하지만 3D 프린터를 활용하면 환자의 체형에 맞게 의수 및 의족을 맞춤형 으로 제작할 수 있고 개인의 취향에 따라 보철 덮개를 만들 수 있다. 게 다가 금속, 가죽 등 다양한 재질을 이용할 수 있고 기호에 따라 원하는 디자인의 덮개를 제작할 수 있기 때문에 개인의 개성도 표현할 수 있다. 샌프 란시스코에 있는 베스포크 이노베이션(Bespoke Innovations)은 3D 프린팅 기술을 접목하여 환자 의 체형을 그대로 본떠서 대칭되는 형태의 보철물 커버를 제작하고 있다. 다리나 팔을 잃은 환자의 의수, 의족을 만들기 위해 팔, 다리의 형태를 그대 로 구현해 의수, 의족의 모양을 만들어 환자들에 게 호평을 받고 있다(Figure 21) 발전전망 현재 3D 프린팅 기술은 피부, 근육, 혈관 그리 고 연골과 같이 비교적 단순한 조직을 프린팅하여 인체에 이식하는 수준까지 발전하였지만 최근의 급속한 성장속도를 감안했을 때, 장기를 프린트하 는 것도 머지않은 미래에 가능할 것으로 보인다. 조직공학 기술과 접목하여 자신의 몸에서 채취한 세포를 배양한 후 프린팅에 활용함으로써 인체의 거부반응 및 유착율도 높일 수 있기 때문에 앞으 로 3D 프린팅 기술은 더 각광받을 것으로 예상된 KIC News, Volume 18, No. 1,

이때 기존의 플라스틱 파우더 소재를 대체하기 위해 크리스탈 플라스틱 재료를 이용하여 훨씬 더 정교한 모형물을 제조할 수 있게 되었고 이 모형 물은 인체에 무해하며 가스 소독이 가능하여 실시 간으로 수술 테이블에서 직접 만지고 볼 수 있는 장점이 있어 의료진에게 편리성을 제공하였다.

10 기획특집: 3D 프린팅 기술 *출처: Figure 23. Organovo의 3D 프린터를 이용한 인공장기 제작. *출처: 포스텍 Figure 22. 포스텍 기계공학과 조동우 교수팀이 3D 프린터 용 바이오 잉크를 개발해 심근 조직과 연골 조직을 만드는 데 성공하였다. 다. 3D 프린팅 기술 발전에 핵심적인 역할을 할 바이오 잉크와 인공장기에 대한 발전전망을 간단 히 살펴보려고 한다 바이오 잉크 현재 급속도로 발전하고 있는 3D 프린팅 기술 은 바이오 잉크의 개발과 함께 인공장기 제작 및 의약품 출력에 적극 활용할 것으로 전망된다. 최 근 국내 연구진이 실제 조직과 동일한 성분으로 이루어진 3D 프린터용 바이오 잉크를 개발에 성 공하였고 뼈와 연골, 지방을 찍어내는데 성공하였 고 가까운 시일 내에 인체의 장기를 프린터로 찍 어 만드는 시대가 가까워질 것으로 보인다. 3D 세 포 프린터에 들어가는 바이오 잉크는 콜라겐이나 별도로 합성한 재료를 사용해 만들어지는데, 생체 조직의 복잡하고 다양한 기질을 모사하는데 한계 가 있었다. 포항공대 조동우 교수팀은 인체 조직 이나 장기를 화학물질로 처리해 세포만 제거된 탈 세포화된 조직으로 바이오 잉크를 만들어 인체 조 직의 구성 성분을 그대로 유지하며 생체적합성에 관한 문제점도 해결하였다. 실제로 3D 세포 프린 터에 새로 개발한 바이오 잉크와 재생하려는 조직 에 맞는 중간엽 줄기세포를 같이 넣고 고분자 틀 에 분사해 뼈와 연골, 지방을 입체적으로 찍어내 는 데 성공했다(Figure 22). 중간엽 줄기세포는 골 수나 지방에서 추출한 줄기세포로, 원하는 조직으 로 안정적으로 분화된다는 점에서 임상 적용 가능 성이 높고 이 기술을 더 발전시킨다면 간단한 조 직뿐만 아니라 실제 장기도 만들 수 있을 것으로 기대된다 인공간 3D 프린팅 기술로 실용화에 가장 근접한 장기 는 간이다. 간은 스스로 재생하는 능력이 뛰어나 기 때문에 간경화나 간암으로 손상된 부분을 떼어 내고 나머지 정상적인 부분을 체외에서 배양한 정 상 간세포를 3D 프린터로 프린팅해서 일부를 이 식하면 타인의 간을 제공받는 것보다 훨씬 더 수 월하게 회복될 수 있다. 미국 생명공학회사 Organovo는 수만 개의 세포 로 이루어진 바이오 잉크를 원하는 모양으로 적층 하는 3D 프린팅 기술을 개발했으며, 3D 프린팅으 로 인공간을 만들어 인공장기의 가능성을 보여주 었다(Figure 23). 현재 인체의 거부반응이나 생존율을 높이는 연 구가 추가적으로 요구되지만 인공간 개발에 대한 76 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015

최 근 국내 연구진이 실제 조직과 동일한 성분으로 이루어진 3D 프린터용 바이오 잉크를 개발에 성 공하였고 뼈와 연골, 지방을 찍어내는데 성공하였 고 가까운 시일 내에 인체의 장기를 프린터로 찍 어 만드는 시대가 가까워질 것으로 보인다.

11 생체의료 분야 응용을 위한 3D 프린팅 기술 고 있다. 4. 결 론 *출처: Figure 24. 바이오 페이퍼와 바이오 잉크를 이용해 작은 튜 브의 혈관을 만드는 제조과정. 전망은 밝을 것으로 예측된다 인공혈관 Organovo에서 인체의 장기를 3D 프린터로 생 산해내는데 성공하였지만, 아직 신체의 모든 장기 를 3D 프린터로 만들어내기에는 기술적 한계점이 있다. 현재는 튜브와 같은 인공혈관을 제작하는 정도의 기술이 개발되었는데, 이 기술은 바이오 페이퍼와 바이오 잉크를 이용해서 신체장기를 만 드는 것이다. 세포물질을 포함한 수 백 마이크론 크기의 작은 공형태로 만들어진 바이오 잉크를 이 용해 원하는 형태로 모양을 만들고 용해되는 바이 오 페이퍼를 중간중간에 삽입함으로써 튜브형태 의 모양을 만들 수 있다. 약 2주 후에 세포간의 결 합이 일어나서 최종적으로 튜브의 혈관을 만들 수 있다(Figure 24). 인공혈관은 임상적용이 가능한 소재로 제작되 어야 하는데, 혈관내벽의 물성 및 화학적 특성, 나 아가 물질전달 등의 기능성을 고려하여 폴리테트 라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE) 이 주로 사용된다. PTFE는 열에 대해 대단히 안정 적인 화학구조를 가지고 있어 소독이 간편하며, 혈액적합성이 좋아 인공혈관용 소재로서 많이 이 용된다. 이 밖에도 다양한 생체재료가 인공혈관 제작에 활용되고 있는데 기계적 안정성 뿐만 아니 라 장시간 혈액에 노출되어도 혈전과 같은 물질이 생성되지 않는 3D 프린터용 물질 개발이 요구되 3D 프린팅 기술은 조직공학을 기반으로한 재생 의학과 연관되어 많은 연구가 이루어지고 있다. 비록 현재는 임플란트, 수술 시뮬레이션 및 수술 가이드 도구 제작, 체외에 적용하는 의족 및 의수 제작 등 비교적 인체 위험성이 낮은 분야에 주로 활용되고 있지만 임상활용 사례가 점점 많아지고 있는 추세이며 인공장기에 구현에 대한 희망적인 결과도 발표되고 있다. 3D 프린팅을 의생명분야 에 실질적으로 활용하기 위해서는 조직특성에 맞 게 물리 화학적 성질이 조절가능한 바이오 잉크의 개발이 요구되며 생체적합성 및 주변 조직과의 일 체화도 고려되어야 한다. 현재 3D 프린팅 기술이 전 세계적으로도 초기 단계이지만 의생명분야에 서 3D 프린팅 기술의 발전 가능성은 높다고 예상 되며, 이를 위해 생명, 재료, 기계, 의학 등 다양한 분야의 협업연구가 진행되어야 할 것이다. 참 고 문 헌 1. 박석희, 박진호, 이혜진, 이낙규, 3D 프린팅 활용 생체의료분야 기술동향, 한국정밀공학회 한국 정밀공학회지, , 오왕균, FDM 방식의 3D 프린터를 이용한 골반 골절 환자의 맞춤형 모델제작, 한국콘텐츠학회 학국콘텐츠학회논문지, , 이승재, 3D 프린팅 기술이 바꿀 보건 사업의 미 래, 한국보건산업진흥원, 추원식, 안성훈, 바이오 프린팅(Bio Printing)기 술의 소개, 한국 CAD/CAM 학회지, 5-11, 산업정책분석원(2014), 스마트소재(Smart Material) 응용 4D 프린팅 해외 기술 동향 및 관련 스마 트소재 기술 요소 동향 KIC News, Volume 18, No. 1,

약 2주 후에 세포간의 결 합이 일어나서 최종적으로 튜브의 혈관을 만들 수 있다(Figure 24). 인공혈관은 임상적용이 가능한 소재로 제작되 어야 하는데, 혈관내벽의 물성 및 화학적 특성, 나 아가 물질전달 등의 기능성을 고려하여 폴리테트 라플루오르에틸렌(Polytetrafluoroethylene; PTFE) 이 주로 사용된다.

12 기획특집: 3D 프린팅 기술 김 세 현 1997~ 2004 경북대학교 공업화학과 (학사) 2004~ 2010 포스텍 화학공학과 (공학박사) 2010~ 2011 포스텍 고분자 연구소 박사 후 연구원 2011~ 2013 University of Minnesota 박사 후 연구원 2013~ 현재 영남대학교 나노메디컬 유기 재료공학과 조교수 박 소 현 2011~2015 영남대학교 섬유패션학부 섬유 나노소재 (학사) 2015~현재 영남대학교 유기신소재 공학과 석사 양 승 윤 1997~2004 경북대학교 환경공학과 (학사) 2004~2010 포항공과대학교 고분자공학 전 공 (공학박사) 2010~2013 Brigham Women s Hospital, Harvard Medical School (Post Doc.) 2013~현재 부산대학교 바이오소재과학과 조교수 임 상 구 2009~2015 부산대학교 바이오소재공학과 (학사) 2015~현재 부산대학교 바이오소재과학과 (석사) 78 공업화학 전망, 제18권 제1호, 2015

연구원 2013~ 현재 영남대학교 나노메디컬 유기 재료공학과 조교수 박 소 현 2011~2015 영남대학교 섬유패션학부 섬유 나노소재 (학사) 2015~현재 영남대학교 유기신소재 공학과 석사 양 승 윤 1997~2004 경북대학교 환경공학과 (학사)

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