2013. 7. 26. 제 73 호 Issues & Policy 2013 재생의학에서의 3D 프린팅기술전망 정교민 안두현
개요 3D 프린팅기술이새로운산업분야로급부상하고있음 적용범위급속히확대 - 지역화 개인맞춤형으로전환 - 지적재산권공개로, 새로운비즈니스모델추구 재생의학에서의 3D 프린팅기술전망 재생의학은손상된조직이나장기를교체하여고유기능을회복시키려는의학분야 일반적인보조의료장치에적용가능 - 보청기, 의족보조기기, 손가락을대신할 printed part 개념의보조장치 - 의학서비스 : 형태 ( 인공간 ), 생리 (organ-on-a-chip) - 인공귀 - 우리나라에서적용사례가보고되고있음 무균상태가유지되어야하는생체이식 ( 예 ) 두개골, 기관지 ) 무균상태에서의재생의학 3D 프린터적용은초기단계 - 줄기세포등살아있는세포로혈관등제작등이이루어지고있으나적용사례가없음 외국에서한국인의연구참여비율이높음 시사점 발효공학등과융합하여, 무균상태에서사용하는 3D 프린터를개발한다면한국은충분히경쟁력이있음 printed part 관련 3D 프린팅기술 생산으로기형지원 3차원영상, CAD 및프린터시스템을운영할엔지니어확보 훈련필요 - 2 -
I. 서론 3D 프린팅기술의도입과발전 2013년 5월 2일서울디지털포럼 (SDF) 에서생산-제조시장의변화로 디지털시대의새로운산업혁명영역 으로소개됨 임금-운송비부담으로, 산업생산측면에서글로벌-대량생산공정에서지역화-개인맞춤형으로전환 2013년 5월 10일미국 Defend Distributed Group 은 3D 프린터로권총제작. 동시에제작에필요한제작도면을인터넷으로공개 -5월 16일한국경찰청은국내에서권총을제작하면총포 도검 화약류등단속법상총기무허가제작에해당되어형사처벌된다고발표 3D 프린터소스, 제작도면등이공개되면서새로운비즈니스모델이형성되고있는추세로, 재생의학으로까지확대되고있는상황 3D 프린팅기술의종류 절삭가공 (subtractive manufacturing) 기술 : 레이저를이용해플라스틱, 금속, 콘크리트등을설계도대로깎아내는방식 적층가공 (additive manufacturing) 기술 : 잉크대신합성수지를분사해프린터노즐에서얇은막을쌓아올림 재생의학에서는적층가공기술이주로사용됨 3D 프린터현황 1970년대후반 3D 프린팅장비는크고고가로, 용도도제한되었음 현재 3D 프린터는공개소스소프트웨어 (FOSS) 를활용하는 RepRap를기반 정보통신산업진흥원 (2013) 에따르면, 전체시장규모는 2012년기준 16.8억달러 (Gartner, 2013) 수준임 국가별누적점유율은미국 (38.3%), 일본 (10.2%), 독일 (9.3%), 중국 (8.6%) 순이며, 한국은 2.2% 정도인것으로나타남 - 3 -
산업별점유율은소비자 / 전자제품 (20.3%), 자동차 / 운송 (19.5%), 의료 / 치과 (15.1%), 항공 / 우주 (12.1%) 순임 적용제품 기존 CAD/CAM 기술확장으로주로예술분야와시제품제작에활용되었음 액세서리, 휴대폰케이스, 게임에등장하는로봇제품이인터넷에서판매 MIT 초콜릿제조기 Digital Chocolatier와 3D Food Printer 개발. 햄버거자판기도예상 나이키는 Vapor Laser Talon football cleat를적용한신발제작 교통 우주항공분야 -4달동안 4만달러를투입해야하는람보르기니제작에서, 시제품 Aventador 은 3D 프린팅기술을사용하여 20일만에 3천달러로제작 - 2011년영국사우스햄튼대에서레이저소결방식으로제작한 14개부품으로, 비행기 Sulsa를 10분만에조립 - 2011년유럽우주항공전문업체 (EADS) 가 3D 프린팅으로자전거에어바이크를제작. 에어버스에도 3D 프린팅부속을제작 적용 - 보잉은항공기소형부품 3백종을 3D 프린터로제작 - 현재국제우주정거장에서필요한부품을제작. 40년후엔진전체생산전망 국가별산업및정책 미국 -3D 프린팅기술의상위 8대기업중 5개가미국기업임 (Stratasys, 3D Systems 등 ) - 2012년 Advanced Manufacturing Partnership은잠재력을가진기술로 3D 프린팅기술을언급, 2012년 8월 NAMII(National Additive Manufacturing Innovation Institute) 를오하이오주 Youngstown 에설립 - 2013년 7월 10~11일에는시카고에서 Inside 3D Printing Conference & Expo 개최 유럽 - 첨단기술육성으로 2020년까지 GDP에서제조업비중을 16% 에서 20% 로늘리려는 EU는 2012년 10월대안의하나로 3D 프린팅을언급 - 네덜란드 TNO에서연구. Ultimaker 는 3D 프린터독자개발 수출 - 4 -
- 영국 Big Innovation Centre 의조언에따라 Technology Strategy Board는 3D 프린팅에 7백만파운드를투자키로하였음. 노팅엄대와셰필드대등대학에 3D 프린터연구센터설립 - 독일프라운호퍼레이저연구소는 20여대 3D 프린터를활용하고있음 중국 -3D 프린터시장에서세계시장선두점유를위해, 국가기술발전연구계획및 2014년국가과학기술제조영역프로젝트지침 에 3D 프린터산업을포함시킴 -3D 프린터기술에기초한전자산업핵심기술연구, 항공기술, 고정밀부품제조연구개발등 4개방면연구에총 4,000만위안투입예정 (71.2조원 ) - 베이징에 3D 기술산업연맹건립. 10개회원사참여 - 칭화대학베이징타이얼 ( 北京泰尔 ) 은 2011년 3,000대의 3D 프린터를판매, 세계시장 4% 를점유 - 쿤샨 ( 昆山 ) 지역에 20여개 3D 프린터개발회사와연구소들이밀집 일본 - 2013년판제조업백서에서 3D 프린터보급으로제조방법이크게바뀔가능성을지적 - 숙련공의고도가공기술이나대량생산에필수적인금형제작에위협 - 하청중소업체도차세대제조시장주역으로도약할수있음 - 2015년도일본프린터시장으로 77억엔예상 ( 야노경제연구소 ) 한국 -3D 프린트기술을도입한기업체 ( 분야 ) 로삼성전자 (IT), 현대자동차 ( 자동차 ), 두산인프라코어 ( 건설 ), 손오공 ( 완구 ) 이있음 - 프린터제조업체에는캐리마, 에디슨이있음 - 2013년 7월 10일특허청에서 3D 프린트기술에관한국내특허출원사례분석결과를발표함 - 5 -
II. 재생의학 재생의학 손상된조직이나장기를교체하여고유기능을회복시키려는의학분야 교체대상으로는일반적인보조의료장치와무균상태로생체이식하는경우로구분할수있음 기존의료행위의대체방법으로, 장기이식거부반응을피할수있음 바이오프린팅 으로명명하기도함 일반적인보조의료장치 의료분야에서제작 공급되는 printed part 활용을기대 보청기, 의족보조기기, 손가락을대신할보조장치 - 보청기 * 덴마크 Widex 가 CAMISHA(Computer Aided Manufacturing for Individual Shells for Hearing Aids) 기반 3D 프린팅으로보청기제작. 2012 년유럽특허청발명대상 (Inventor Award) 수상 - 의족보조기기 * Bespoke Innovations(2012 년 3D Systems 사에흡수됨 ) 사는실제다리모양과유사한디자인의의족보조기기 Bespoke Fairings 를 2009 년부터제공 - 손가락을대신할보조장치 * 사고로 4 개손가락을잃은목수 Richard van As 는디자이너 Ivan Owen 과공동으로손가락을대신할보조장치 (Robohands) 를 MarketBot 3D 프린터로제작. 손가락없는남아공어린이 4 명에게보조장치를제공 [ 그림 1] Robohands 자료 : Indiegogo 제공. - 6 -
의학서비스 - 홍콩 Dental Implant & Maxillofacial Center 에서는환자턱복제품을만들거나, 구강 내부에삽입하는수술용템플릿을복제하여임플란트에활용하는등 3 차원화상활용 - 형태적특성 ( 인공간 ) 과생리적특성 (organ-on-a-chip) 에따라개발제품이다름 - 인공간 * 일본고베대외과 Maki Sugimoto 교수는간암환자의간을동일한감촉을갖는 PVA 재질의 3D 간을제작 ( 일본 Facotec 사 ). 수술전에정확한상태를파악하는데활용 [ 그림 2] 인공간 자료 : Wall Street J., 2013.4.9. - organ-on-a-chip * 미세유체기술 (microfluidic) 을도입한 3 차원세포배양칩 (bio-mems) 으로, 개발된종류로는폐, 심장, 신장, 동맥등의칩이있음 * 의약품개발이나독성실험에서실험동물을대체할것으로기대 인공귀 - 코넬대성형외과 Jason Spector 교수는귀모양을쥐콜라겐으로성형하고, 내부에송아지 연골세포를주입해배양한다음, 쥐등에이식해 3 개월배양하여인공귀를제작. 외부 귀가온전히발달하지않은소이증어린이에게적용기대 무균상태가유지되어야하는생체이식 : 두개골, 기관지 - 두개골 * Oxford Performance Materials 사는 polyetherketoneketone(pekk) 고성능플라스틱으로두개골임플란트장비 OsteoFab Patient Specific Cranial Device 를교통사고등으로함몰된두개골복원에활용. 이미남아메리카와호주에서 1 년동안시술됨 * 임플란트장비를미국 FDA 가 2013 년 2 월 501(k) 승인, 2013 년 3 월 4 일미국롱아일랜드에서실제환자에게두개골이식하는수술을시도하였음 * 2013 년성균관대삼성서울병원에서부비동암환자 2 명을대상으로수술부위골격보형물을제작 이식함 - 7 -
- 기관지 * 선천적기관지결손으로치명적호흡발작을일으킨생후 6 개월 Kaiba Gionfriddo 아이에게, 미국미시건대이비인후과 Glen Green 박사와생물의공학 Scott Hollister 박사는 FDA 로부터긴급사용승인 (emergency-use approval) 을받아, 폴리카프로락톤재질로탄력성과강도를갖는슬리브 (sleeve) 와봉합사를제작하고, 아이에게슬리브를이식. 슬리브와봉합사는몇년후생분해되어소멸되고, 그빈공간을아이의생체조직이자라서채워질것임 (D.A. Zopf et al., NEJM, 368 (21), 2043, 2013) [ 그림 3] 슬리브 자료 : D.A. Zopf et al.(2013), NEJM, 368(21), 2043. 우리나라에서도적용사례가보고되고있음 외국에서한국인연구참여비율이높음 무균상태에서 3D 프린터적용하는공학적사례는초기단계 - 줄기세포등살아있는세포로혈관등제작등이이루어지고있으나인체적용사례없음 - 무균상태실험사례 * 영국옥스퍼드대화학과 Hagan Bayley 교수는두개노즐을사용해, 3 만 5 천개미세한물방울로근육처럼유연하고뉴런연결처럼전기신호를전달하는, 세포막구조의지질네트워크제조. 2013 년 4 월 5 일 사이언스 잡지표지를장식함 * 펜실베니아대 Tissue Microfabrication Laboratory 와 Wake Forest Institute for Regenerative Medicine 연구팀은인간배아줄기세포배양액을잉크로사용, 혈관을개발 * 플라스틱대신에세포를사용하기때문에세포에손상을줄수있음. 영국스코틀랜드 Heriot-Watt 대학과 Roslin Cellab 연구팀은마이크로밸브를여닫는방법으로공기압력 (pneumatic pressure) 에의해작동하는프린팅시스템을개발 ( 노즐직경, 압력, 밸브열림시간조절 ) 하여배양한줄기세포를 hanging drop 방법으로마이크로웰플레이트에세포농도별로분주 - 8 -
III. 시사점 무균상태에서사용하는 3D 프린터기술연구는도입단계이어서선진국과기술격차가없고, 한국은발효공학의수준이높고외국연구에대한참여비율이높아전망이밝음 재생의학에서다른의학기술과의경쟁상태 -printed part 등으로기형지원 - 적용사례확대에따른다양한적용범위기대 기술융합 - 바이오디자인등융합분야로확대됨 -3차원영상, CAD, 3D 프린터를운영할엔지니어를확보하기위한훈련지원이필요 지적재산권보호문제 - 세포배양조건, 프린팅잉크등조건은기존지적재산권으로보호가능한범주이지만, - 권총, Robohands 설계도면을인터넷에공개하는등새로운사업모델연구필요 < 필자 > 정교민 ( 과학기술정책연구원연구개발정책본부연구원 ) 안두현 ( 과학기술정책연구원연구개발정책본부본부장 ) - 9 -
참고문헌 김경미 (2013. 7. 9.), 일, 3D 프린터산업발달시작되나, KOTRA 글로벌윈도우. 김은희 (2013. 7. 10.), 의학계의혁신, 뼈를출력하다- 3D 프린터로출력되는신체의일부, 특허청. 장성원 (2013. 5. 1.), 미래산업을바꿀 7대파괴적혁신기술, CEO Information, 894, 삼성경제연구소. 정보통신산업진흥원 (2013), 글로벌 3D 프린팅산업및정책동향, IT R&D 정책동향, 2013-01. 홍일선 (2013. 4. 14.), 3D 프린팅, 제조업의개념을바꾼다. 베타뉴스. - 10 -