3D 프린팅기술분석및 생명공학과화학분야로의잠재영향 분석자서문 설영준 (Wake Forest Institute for Regenerative Medicine) 3 차원프린팅기술이소개된후, 최근 30 년동안이와관련된분야의연구에혁신을불러일으켰다. 프로토타입을제작하는산업분야뿐만아니라, 인체조직및장기를재생하는연구분야에서 3 차원프린팅의잠재력으로인해많은각광을받고있다. 산업분야, 교육분야및조직을재생하기위한연구분야까지다양한분야에적용되었으며, 최근에는개인용도의 3 차원프린팅시스템이상용화되었다. 본분석문은 3 차원프린팅기술의역사, 3 차원모델을제작하는과정을소개하고, 다양한분야에서적용한사례및연구를소개하고있다. 또한, 3 차원프린팅기술의사용용이성을향상시키기위한개발방향및현재기술의한계점을분석하고있다. 따라서, 본분석문은 3 차원프린팅분야의연구자들에게기술의이해를도우며, 나아갈연구의방향을결정할수있는좋은지침이될것이다. Key words: 3D Printing, 3D model, Rapid Prototyping, Computer Aided Design, Tissue engineering, 3 차 원프린팅, 3 차원모델, 쾌속조형, 컴퓨터지원설계, 조직공학 1. 역사적관점 적층가공 (Additive manufacturing - AM), 쾌속조형 (rapid prototyping - RP), 또는임의형상제작 (Solid-freeform technology - SFF) 이라고불리는 3 차원프린팅기술은 Charles Hull 에의해서개발되었다. 1986 년 3D Systems 회사가설립되었고, 컴퓨터이용설계 (computer aided design - CAD) 프로그램파일에서변환된 3 차원형상을제작할수있는.STL 파일형식을개발하였다. 이영향으로 1990 년에는 Stratasys 의 Scott Crump 에의해 Fused deposition modeling(fdm) 기술이특허등록되었으며, 3 차원프린팅기술은제작및연구분야에혁신을불러일으켰다 (1). MIT 의교수인 Michael Cima 와 Emanuel Sachs 는플라스틱, 금속및세라믹부품을인쇄하는장치를 3 차원프린터 라는용어로 1993 년에처음으로특허를등록하였으며, 많 은기업들이상용화를위한 3 차원프린터를개발하였다. 3 차원프린팅기술은다양한산업분야뿐만아니라, 민간및국방분야에서도활용을하고있으며, 2000 년대초반부터치과임플란트와보철재의생산, 또한식품산업및의류산업에서도등장하였다 (2, 3). 연구적인측면에서볼때 3 차원프린팅이화학분야에엄청난잠재력을가지고있지만, 생명의학및공학분야에한정되어왔다. 이글은기본프린팅방법을설명하고비교하며, 다양한분야에서활용되고있는 3 차원프린팅기술에대해기술할것이다. 2. 3 차원프린팅방법 2.1. 개요및.STL 포맷 3 차원프린팅기술은 CAD 프로그램으로만들어진 3 차원모델의제작을가능하게하 페이지 1/7
였다. 우선, CAD 프로그램으로설계된모델은.STL(Standard Tessella-tion Language or STereoLithography) 파일포맷으로변환이된다..STL 파일은 3 차원모델을형성하는모든정보를가지고있다 (4). 3 차원프린터는이정보를이용하여 G- file 이라는제작에필요한구동파일로변환을시켜 3 차원모델을제작한다 (5~7). 의료분야에서는 computerized tomography (CT), laser scanning, magnetic resonance imaging (MRI) 를이용하여 3 차원모델을얻으며, CAD 프로그램을이용하여.STL 파일포맷으로변환시킨다. 이렇게의료영상기술과 3 차원프린팅기술을융합시키면, 의료영상기술에서얻어진 3 차원모델제작이가능하게된다 (8~10). 2.2. Stereolithography(SLA) 이기술은 3D system 사의 Chuck Hull 에의해개발되었으며, 처음으로상용화된 3 차원제작방법이다. 레이저 (Laser) 를이용하여직접경화시키는방법과 2 차원패턴이있는마스크방법으로구분되며, 광원이주입되는방향에따라자유액면 (free surface) 방식과제한액면 (constrained surface) 방식으로구분된다 (11~15). UV 빛에너지를이용하여광경화수지를경화시키고, 이를쌓아올라가며 3 차원모델을제작하는 SLA 기술은 UV 광원으로 HeCd laser(325nm), xenon lamp 가일반적으로사용되며, 수지의종류에따라다양한광원이사용되고있다. SLA 기술은높은수지의가격뿐만아니라, 제작과정중한종류의수지만사용할수있기때문에, 수지의선택이기술의한계중하나이다. 하지만높은해상도, 효율을가지기때문에, SLA 3 차원프린터가산업분야뿐만아니라일반가정에도보급이될것이다. 2.3. Inkjet Printing 이기술의개념은 1878 년 Lord Rayleigh 에의해소개되었으며, 2001 년이후로는젤, 전도성고분자, 세라믹, 금속, 핵산, 단백질을이용한구조물제작에도사용되었다. 3 차원잉크젯프린팅은파우더를이용하는방법을이용한다. 파우더재료를이용하여한층을형성하면, 잉크젯프린터헤드는경화시킬위치에파우더를결합시킬액상바인더를프린팅하여한층의형상을제작하고, 다음파우더층을만든다. 이과정을반복하여, 3 차원구조물을제작하게된다 (16, 17). 파우더를이용한 3 차원잉크젯프린팅기술은광경화에사용되는적절한점도를가지는액상재료를요구하지않는다. 고분자, 세라믹, 유리가파우더형태로준비되어 3 차원구조물을제작하기위해재료로사용된다. 하지만파우더를결합하기위해사용되는액상바인더는세포독성이있으며조직재생을위한스캐폴드제작에사용될수없다는한계를가진다. 또다른한계로는광학적투명성을가지는 3 차원구조물을제작하기힘들다는점이다. 2.4. Selective Laser Sintering(SLS) 이기술은 1980 년대중반 University of Texas-Austin 의기계공학과의 Carl Deckard 와 Joseph Beaman 에의해개발되었으며, 파우더를이용한 3 차원구조물제작의또다른방법이다. 잉크젯프린팅기술과비슷해보이지만, 높은에너지를가지는 CO 2 와 Nd:YAG 레이저를이용하여파우더를소결하여결합시키는과정으로 3 차원구조물을제작한다 (18, 19). 이기술의장점은다양한재료를사용할수있다는것이며, 또한액상바인더재료가필요없다는것이다. 하지만열에의한결합을유도하기때문에수축에의한형상의변형이생길수있다는단점이있다. 가능한제작해상도는레이저파워, 초점, 파우더의크기에따라결정되며, 대략 50µm 이다. 2.5. Fused Deposition Modeling(FDM) Stratasys 의 Scott Crump 에의해개발된 FDM 기술은현재쾌속조형에가장많이사용되는방법중하나이다. 이기술은열가- 페이지 2/7
그림 1. A) Stereolithography, B) Inkjet printing, C) Selective laser sintering, D) Laminated object manufacturing, E) Fused deposition modeling[1]. - 소성재료를녹여토출하고이를적층하여 3 차원구조물을제작한다 (20, 21). 이기술의장점은다양한재료를이용하 여구조물을제작할수있다는것이다. 또한, 기존에 3 차원구조물을제작하기위해사용 된 PC, polystyrene(ps), ABS 재료외에도유리 강화고분자 (glass reinforced polymers), 금속, 세 라믹, 생흡수성재료를사용할수있다. 하지 만, 세라믹또는금속파우더를이기술의재 료로사용하기위해서바인더와섞어필라멘 트형태로준비해야하는단점이있다. 2.6. Laminated Object Manufacturing (LOM) Helysis 사에의해개발된 LOM 기술은 종이, 플라스틱, 금속과같은준비된시트재 료를쌓아 3 차원구조물을제작한다. 한층의 시트재료가스테이지에위치하면, 레이저나 면도칼이단층형상을재단하게되고, 그다 음층의재료가위치하고같은방법으로단층 형상을재단한다. 이렇게쌓아 3 차원구조물 을제작한다. 두층을결합하기위해사용되 는열원이충분한양으로공급되지않으면두 층이분리되거나, 구조물을손상시키는문제 점을가져온다. 이기술의다른한계점은재료를시트타입으로준비하고접착재로결합하기때문에사용할수있는재료의제한이있다는것이다 (22). 3. 적용분야 이글에서소개될 3 차원프린팅기술의적용분야는모든적용분야를포함하지못한다. 하지만, 독자에게 3 차원프린팅기술의잠재력을전달하기위해대표적인활용예를소개할것이다. 3.1. 생물학의적용 3.1.1. 의공학 / 조직스캐폴드 3 차원프린팅기술은뼈와치아뿐만아니라혈관, 장기스캐폴드를제작하기위한도구로사용되었다. 3 차원프린팅으로제작된스캐폴드는환자맞춤형으로제작할수있어환자의몸에서이식할재료를찾아손상된조직을치료하는기존의기술을극복할수있고, 환자맞춤형치료를가능하게하였다. 이러한이유로 3 차원프린팅기술로생체흡수성과적합성을가지는재료를이용하여스캐폴드를페이지 3/7
개발하기위한연구가많이진행되었고, 손상된조직재생을위한기술로각광받고있다 (23, 24). 많은골재생용재료는골조직의성분인인산칼슘세라믹으로만들어진다. 이뿐만아니라베타트리칼슘포스페이트와생리활성유리의혼합물과같은새로운조합의재료로생체흡수성과적합성을향상시키기위한실험이이루어지고있다. 이러한재료는 SLS, inkjet printing 방법에사용될수있고, 3 차원스캐폴드를제작할수있다 (25, 26). 연조직재생을위한스캐폴드를제작하는방법은기존, 용매를이용한방법으로제작되었으나, 3 차원프린팅기술의소개로생분해성이며세포가성장하고조직형성을도와주는하이드로젤 (hydrogel) 을세포와혼합하여프린팅하는방법이가능하여졌다. 이를이용하여 3 차원생체공학귀, 간조직을개발및재생하기위한연구가보고되었으며, 다양한제작기술을이용하여단순한형상의단일채널에서복잡한구조의혈관조직을디자인하여이를재생하기위한연구가보고되었다 (27, 28). 3.1.2. 수술준비 (Surgical Preparation) 3 차원프린팅기술을이용하여환자의신체구조와같은형상으로구조물을제작하여치료계획을개발하는등, 환자맞춤치료를가능하게하였다. 수술전, 3 차원모델을이용하여수술과정을미리연습할수있으며, 이는 2 차원으로보여주는 CT 나 MRI 영상보다더효과적이다. 이는아직초기단계이지만, 수술전 3 차원모델을이용하여수술을준비한많은사례가있다 (23). 3.2. 약리역학 / 동학 Inkjet 기반의 3 차원프린팅기술은약물전달디바이스를제작하기위해사용되었다. 기존의방법은주입된약물이치료대상조직뿐만아니라그주변조직까지영향을주었으나, 3 차원프린팅기술로제작된약물전달이식재는조직과약물사이에존재하는재료 에의해약물방출제어가가능하게되었으며, 3 차원제작방법으로다공성의구조물을제작하여약물의방출속도를제어할수있었으며, 다양한형상및여러종류의약물을포함하는디바이스를제작할수있게하였다. 3.3. 수사과학 3 차원프린팅기술은 CT 나 MRI 영상에서손상된조직의정확한재형성을가능하게하여수사과학분야에서사용하는의학영상에의미있는영향을주었다. 예를들어, 피해자의손상된부위를설명하기위해실제피해자의손상부위를보지않고, 3 차원모델을제작하여이용하였으며, 둔닥한물체에의해손상된두개골의모델을제작하여사인을규명한다 (29). 3.4. 교육학 3 차원프린팅기술을교육목적의활용은해부학적으로인체의정확한모델을제작하는데에까지확대된다. 이러한기술이보급화가되었으며, 교육에서사용되는예는보편화가되었다. 최근에는복잡한폴리펩타이드모델을제작하여이의거동을모사하여, 학생들의수업자료로사용되었다. 이러한활용은생체분자의구조및거동에대한학생들의이해를효과적으로돕는다는것이확인되었다 (30, 31). 3.5. 화학분야 3.5.1. 마이크로 / 매크로유체공학 3 차원프린팅기술은마이크로유체공학과랩온어칩기술에상당한영향을주고있다. 기존의연구는 soft lithography 를이용하여많은결과를보였지만, 3 차원프린팅기술의이용은기존의기술한계를극복할수있는장점을가지고있다. 3 차원프린팅기술은몰드를이용하지않는간소화된제작과정으로구조물을제작할수있다 (20, 32). 이로인해몰드를이용할때의많은한계를극복할수있으 페이지 4/7
며, 특히마이크로유체공학의발전에상당한기여를할것이다. 3.5.2. 전자기학 3 차원프린팅과전자기학을융합한활용은다양하다. 이융합은초기단계라할지라도, 앞으로의결과는기대할만하다. 에너지저장기술에중요한의미를가지는리튬이온 (Lithium ion) 배터리가 3 차원프린팅기술로제작되었다. 또한, 탄소나노튜브를포한한전기전도성이있는구조물이 3 차원프린팅기술에의해제작되었다. 정밀한전자회로제작을위해전도성물질을적은비용과적은양의재료로빠르게프린팅하였으며, 많은제작단계와비용이소모되는기존의기술의한계를극복할수있다 (33, 34). 3.5.3. 스케일링기존, 산업분야에서프로토타입을제작하기위해적층가공기술을사용하였으며, 큰크기의프로토타입을제작하기에는기존의기술이적합하지만, 3 차원프린팅기술을이용하여몰드가없이한번의공정으로 3 차원프로토타입을제작할수있게되었다 (20). 또한크기의변환이가능하여, 향후 3 차원프린팅기술이이상적인제작방법이될수있을것이다. 4. 분석자결론 다양한종류의 3 차원프린팅기술이소개되고, 많은분야에서활용도가높아지고있다. 하지만 3 차원모델을제작하기위한프린팅재료의한계를극복해야한다. 현재의기술로는파우더를이용한제작방법이정확한형상의 3 차원모델을제작하기에적합하지만, 소형의모델제작에는해상도의제한으로한계를가지고있다. 특히, 조직을재생하기위한분야에서의활용을위해사용할재료는생체적합해야하기때문에, 사용할수있는재료가제한적이다. 이를위해 3 차원프린팅기술의개발과같이 사용할수있는재료의개발도병행되어야한다. 이외에도, 각광받고있는 3 차원프린팅기술의보급화를위해, 3 차원모델의디자인파일을공유할수있는방법을모색하여야한다. 다양한분야에활용할수있는 3 차원모델의파일을공유하여누구든지쉽게사용할수있는환경을구축해야한다. 많은잠재력을가지고있는 3 차원프린팅기술은다양한분야의융합적인연구를통해서현재의한계를극복할수있으며, 다양한분야로의적용이가능할수있다. 이러한융합연구를바탕으로미래에는인체조직및장기를재생할수있는기술로발전할수있을것으로기대한다. References 1. Gross BC, Erkal JL, Lockwood SY, Chen C, Spence DM. Evaluation of 3D printing and its potential impact on biotechnology and the chemical sciences. Anal Chem. 2014;86(7):3240-53. 2. Leukers B, Gulkan H, Irsen SH, Milz S, Tille C, Schieker M, et al. Hydroxyapatite scaffolds for bone tissue engineering made by 3D printing. J Mater Sci Mater Med. 2005;16(12):1121-4. 3. Mironov V, Boland T, Trusk T, Forgacs G, Markwald RR. Organ printing: computer-aided jetbased 3D tissue engineering. Trends Biotechnol. 2003;21(4):157-61. 4. Dolenc A, Makela I. Slicing Procedures for Layered Manufacturing Techniques. Comput Aided Design. 1994;26(2):119-26. 5. Pham DT, Gault RS. A comparison of rapid prototyping technologies. Int J Mach Tool Manu. 1998;38(10-11):1257-87. 6. Pandey PM, Reddy NV, Dhande SG. Real time adaptive slicing for fused deposition modelling. Int J Mach Tool Manu. 2003;43(1):61-71. 7. Pandey PM, Reddy NV, Dhande SG. Slicing procedures in layered manufacturing: a review. Rapid Prototyping J. 2003;9(5):274-88. 8. Landers R, Pfister A, Hubner U, John H, Schmelzeisen R, Mulhaupt R. Fabrication of soft tissue engineering scaffolds by means of rapid 페이지 5/7
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