http://dx.doi.org/10.5933/jkapd.2016.43.1.93 J Korean Acad Pediatr Dent 43(1) 2016 ISSN (print) 1226-8496 ISSN (online) 2288-3819 Prospect for 3D Printing Technology in Medical, Dental, and Pediatric Dental Field Sangho Lee Department of Pediatric Dentistry, School of Dentistry, Chosun University Abstract One of the fields to which the 3D printing technology can be applied is the field of medicine. Recently, the application of 3D printing technology to the bio-medical field has been gradually increasing with the commercializing of the bio-compatible or bio-degradable materials. The technology is currently contributing to the biomedical field by reducing times required for operations or minimizing adverse effects through preoperative identification of post-surgical consequences or model surgery with artificial bones and organs. This technology also enables the production of customized biomedical auxiliary products like hearing aids or artificial legs etc. For the field of dentistry, the 3D printing technology is also expected to elevate the level of dental treatment by making the customized orthodontic models, crown, bridge, inlay, and surgical guides for implant and surgery. However, issues remaining unidentified or incomplete in printing materials, modeling technology, software technology associated with CAD, verification of bio-stability and bio-effectiveness of materials or in compatibility and standardization of the technology are yet to be solved or be clarified for the full-scale application of the 3D printing technology, thus, it seems such issues should be resolved through further studies. Key words : 3D printing, Bio-printing, Rapid prototyping, Dentistry Ⅰ. 서론 3D 프린팅이란 3D 스캐너혹은컴퓨터단층촬영 (CT) 등의기기로물체를인식한후 3D 모델링소프트웨어로그린설계도를이용하여, 잉크젯프린터와같은원리로금속이나플라스틱같은물질을분사하거나적층하는방식으로층층이쌓아올려입체적인물건을출력하는기술이다 (Fig. 1). 이와같은 3D 프린팅기술은미세한물질을한층한층쌓아올려서물체를조형한다고해서적층가공 (additive manufacturing) 이라부르기도하며넓은의미의쾌속조형 (rapid prototyping, RP) 의한기술로분류되기도한다. 최근 3D 프린팅기술이미래의주요기술로자리매김하고있고산업혁명에버금갈정도의성장원으 로서제조업, 의료업계등국가산업전반에걸쳐새로운동력을제공할수있는핵심기술로급부상하고있다. 이와같은기술에대해미국타임지는 미래 10대고속성장사업 에포함시켰으며영국의이코노미스트지는 3차산업혁명을이끌어갈기술산업 으로평가할만큼혁신적인기술로인정받고있다. 우리정부도 2014년미래창조과학부와산업통상자원부가제조업혁신및창조경제활성화를견인할수있는 3D 프린팅산업육성을위해범정부차원의 3D 프린팅산업발전전략 을수립하고 3D 프린팅산업발전협의회를구성하여국가차원의중 장기적기술확보전략을위한로드맵을발표한바있다 1). 이로드맵에의하며국가 3D 프린팅산업의핵심활용분야를 Corresponding author : Sang-Ho Lee Department of Pediatric Dentistry, College of Dentistry, Chosun University, 309, Pilmun-daero, Dong-gu, Gwangju, 61452, Korea Tel: +82-62-220-3865 / Fax: +82-62-225-8240 / E-mail: shclee@chosun.ac.kr Received November 13, 2015 / Revised November 19, 2015 / Accepted November 17, 2015 93
Fig. 1. The 3D printing mechanics and process. The data is collected with 3D scanner or CT and digitalized by the slicing software. The solid body is made by the layer manufacturing and the final product is born after the post process such as removable of supporter or raw materials. 치과용의료기기, 인체이식의료기기, 맞춤형치료물, 스마트금형, 맞춤형개인용품, 3D 전자부품, 수송기기부품, 발전용부품, 디자인서비스, 콘텐츠육성서비스분야등 10대분야로선정하여육성한다는방침이다. 그중치과의료기기의분야는시술에사용되는각종치아모델과임시치아, 투명교정기, 그리고치과용임플란트등이해당되며이를집중적으로육성하여글로벌시장을선점하고해외시장진출을도모한다는목표를수립하였다 1). 이와같이 3D 프린팅기술이주목받는이유는무엇일까? 이는복잡한부품을기존의어셈블리방식으로조립생산하던과정을일체형, 맞춤형으로생산하고수정, 보완이가능하며금형이필요없고공정방식이가공하는방식이아니라적층하여쌓아가는방식이므로재료의낭비가없다. 따라서생산성향상과비용절감효과가뛰어날것으로전망되기때문이다 2). 3D 프린터는과거에는시제품을만드는데사용하였으나근래에는최종완성품을만드는단계에접어들었고앞으로 3D 프린터는상품을생산하는기계로변모하리라기대된다. 이경우해외는물론국내에서도제조업계의큰변화를몰고올것으로짐작되는데, 한국은현재전세계 3D 프린터사용량의 3% 정도에불과하나 IT 기술이발달하고전문인력이풍부하므로곧양적, 질적인면에서세계최고수준으로도약할가능성이크다 3). 3D 프린팅기술은이처럼산업전반에걸쳐활용될것으로기대되지만이중에서도가장효과적으로활용될수있는분야는의학분야이다. 최근국내에서상하악골수술에얼굴골격을 모형을제작하고절제범위와시술후의형태를시술전에미리확인하여시술시간을단축하고부작용을최소화하는시도들이많이이루어지고있다. 치의학분야에도 3D 프린팅기술이소개되면서치과의료기술이새로운차원으로도약할가능성이커지고있으며이와함께치과의료산업을견인할수있는불루오션으로자리매김하고있다. 이글에서는국내외 3D 프린팅기술현황과의치의학분야에서의적용가능성및응용분야, 그리고소아치과학분야에서 3D 프린팅기술의활용가능성에대해알아보고자한다. Ⅱ. 3D 프린팅의역사 3D 프린팅기술의역사는 30년전으로거슬러올라가는데, 1984년미국의 3D System사 의 Chuck Hull이플라스틱액체를중합하여물체를찍어내는광중합방식 (SLA) 의쾌속조형시스템을발명한것이 3D 프린팅기술의시초라고볼수있다. 그는자신의회사에서자외선을이용하여플라스틱판을경화시키는공정을보고 3D 프린터에대한아이디어를얻었으며 1986년이를입체인쇄술 (stereolithography) 이란이름으로특허를출원하였다 4). 3D 프린팅기술은오래전부터넓은의미의쾌속조형이란기술로제조업, 의료분야, 교육분야등에서사용되어오고있는데, 이와같은쾌속조형은 3D CAD 소프트웨어를사용하여 3 94
차원적모델을구현, 제품을만드는기술로서그동안전문가영역에국한되어있었으나근래에장비, 기술의발전과함께급속히대중화되고있는추세에있다. 이와같은쾌속조형은 Numerical control (NC), Computer numerical control (CNC), 3D 프린팅방식이있는데, 기존의 NC와 CNC는조형방식이조각 (carving) 방식이고 3D 프린터는적층 (additive) 방식이다. 또한사용되는소프트웨어는 NC와 CNC의경우는 CAD/CAM이나 3D 프린터는 CAD이다. 이두가지방식중동시제작가능개수나제작가능한재료, 형상제한여부등을고려할때 3D 프린터가훨씬활용도가높다고할수있다. 이후 1991년미국의 Stratasys사 에의해 FDM 방식이개발되었고, 미국 Helysis사 와캐나다의 Cubic Technology 사 가 LOM방식의 3D 프린터를출시하였다. 1995년독일 EOS사 가 SLS 방식의프린터를개발하였다. 2000년이스라엘의 Object Geometries사 가 polyjet 방식의프린터를출시하였으며이후미국, 영국, 독일등의국가에서여러조형방식의 3D 프린터가개발되면서 3D프린터시장이더욱활기를띄게되었다. 근래에들어관련기반기술이더욱향상되고더저렴한 3D 프린터가시장에출시되면서대중화되었다. 현재세계프린터시장을선도하고있는 3D 프린터제조회사는미국의 Stratasys사, 3D Systems사, 독일 EOS사, 이스라엘 Object사 등이며개인용 3D 프린터제조사는 RepRap사, MackerBot사, Bits From Bytes사, Beijing Tiertime 사 등이있다 5). 국내의경우현재 캐리마, 인스텍, 로킷, 아이씨뱅큐, 준팩토리 등 10여개제조, 유통회사가있으며이들업체의국내시장점유율이 10% 에불과할정도로시장진출은미미한상황이다. Ⅲ. 3D 프린터의종류 3D 프린팅기술은사용하는원료혹은재료의특징에따라액체, 분말, 고체기반으로구분되는데액체를사용하는방식 (stereo lithography apparatus) 은광중합특성을가진폴리머에레이저를조사하여박막 (thin layer) 을생성하여적층시키는방법으로정밀도는높으나내구성이약하는단점을가지고있다. 잉크젯프린터가이와같은프린팅방식으로알려져있으며 3D system사 의 CIP방식이대표적인예이다. 분말을사용하는방식 (selective laser sintering) 은분말을분사하고레이저를조사하여이들분말을융합시키는방식으로합성수지, 세라믹, 금속등다양한원료를사용할수있어다양한제품을생산할수있다. 이와같은분말기반방식에는 DMLS (direct metal laser sintering), 3DP (three dimensional printing) 방식등이있다. 미국 3D system사 의 SLS, 독일의 EOS사 의 SLS가여기에속한다. 고체기반방식은노즐에서고열을발산하여플라스틱이나왁스를필라멘트혹은실형태로분사하여얇은 layer를쌓아가는방식으로 FDM (fused deposition modeling) 방식이라부른다. 미국의유명한 3D 프린터제작회사인 Stratasys사 에의해개발되었는데가정용으로많이보급되고있다. FDM 방식은다른방식보다장치의구조와프로그램이간단하기때문에가격과보수유지비용이낮다. 또한다양한소재의적용이가능하고대형화가가능하지만포면조도의질이높지않고경화시소재가흘러내리는것을방지하기위해지지대가필요하며프린팅후에지지대의제거과정이추가로필요하다점과조형속도가느리다는단점이있다 2,3,6) (Fig. 2). 상기의재료에의한분류방식이아닌조형방식에의한분류 Fig. 2. Classification of 3D printer by printing materials. 95
는미국재료시험학회 (ASTM) 이나 ISO의분류방식에근거하면크게재료압출 (material extrusion), 재료분사 (material jetting), 광중합 (photo polymerized), 분말적층용융 (powder bed fusion), 접착제분사 (binder jetting), 고에너지직접조사 (direct energy deposition), 시트접합 (sheet lamination) 등 7가지방식으로구분된다. 재료압출방식은가는필라멘트를노즐안에서녹여연속적으로밀어내면서 3차원적으로이동하며출력하는적층방식이며 FDM이여기에해당된다 (Fig. 3). 재료분사는노즐에서액체상태의잉크나분말을분사하고이를자외선등의빛으로경화시키는조형방식이며 polyjet가여기에해당된다. 광중합은액체상태의광경화성수지에레이저등 의빛을투사하여적층하는방식으로 SLA와 DLP등이여기에해당된다 (Fig. 4, 5). 분말적층용융은금속파우더등의가루형태의소재에레이저를조사하고선택적으로용융, 적층하는방식이며 SLS, DMLS 등이여기에해당된다 (Fig. 6). 접착제분사는가루형태의모재위에액체접착제를분사시켜적층하는방법으로 3DP가여기에해당된다 (Fig. 7). 시트접합은접착제분사방식과유사하게점착성의종이나플라스틱, 금속 sheet 를액상의접착제를분사하여접합, 조형해가는방식이며 LOM이여기에해당된다. 고에너지직접조사방식 (direct energy deposition, DMD) 은레이저나전자빔으로원소재를녹여부착시키는방식으로 DMT 등이여기에해당된다 1,3,6). Fig. 3. 3D printing mechanics. (A) FDM technology. (B) Colorful filaments for printing material of FDM printer. cited on http://www.glucklab.com/ shop/main/service2.php. Fig. 4. 3D printing mechanics of SLA technology. Fig. 5. 3D printing mechanics of DLP technology. 96
Fig. 6. 3D printing mechanics of SLS technology. Fig. 7. 3D printing mechanics of 3DP technology. cited on http://www. glucklab.com/shop/main/service2.php Ⅳ. 의료분야에서의 3D 프린터의활용의료분야에서 3D 프린팅이활용되는이유중의하나는사람의몸구조나형태가각개인마다다르기때문에환자개개인의신체에대한맞춤형치료를시행하거나기구를제작하는데 3D 프린팅이큰역할을하기때문이다. 또한자기공명영상장치 (MRI) 나 CT 등의료분야에서의 3D 데이터의사용이증가하면서이에따른환자의디지털데이터를활용한신체모형이나의료용기기를제작할수있는기반이조성되고있기때문이다. 3D 프린터로환자의신체부위를모형으로제작하면실제수술에앞서의료진이수술계획을세우거나모의수술을진행할수있으며또한수술을안전하게가이드할수있는구조물을미리제작하여적용함으로써, 수술시간을단축하고성공률을높일수있다. 최근에는보청기, 의족, 치아보철물등개인맞춤형의료보형물제작에도 3D 프린팅기술이사용되고있으며또한재생의학분야에서지지체 (scaffold) 제작에활용하여살아있는세포를원하는형태로조형할수있기때문에기존의금속이나플라스틱으로제조된지지체보다조직의유착율을높일수있다. 이 와같은 3D 프린팅기술이의료분야에확산, 도입되고있는데, 정형외과, 치과, 성형외과, 그리고암수술에이르기까지 3D 프린터가활용되고있다. 그대표적인응용분야몇가지를아래와같이정리할수있다. 1. 의족, 의수, 보청기등신체보조및재활기구생체적합성과크게관련없는일반소재를이용하여신체골격과맞게제작된보조기구를이용하여의족, 의수를환자의신체구조에잘적합되도록맞춤형으로제작하여환자가편리하게사용할수있다. 현재 3D 프린터를이용해제작하여가장흔히사용되고있는의료보조기기중의하나는맞춤형보청기이다. 3D 스캐너를이용해서환자의귀모양을정확하게인식하고, 이를 3D 프린터로출력하면, 환자의귀에정확히맞는보청기가제작되어환자들은더편리하게보청기를착용할수있다. 의수와의족도환자개개인에맞게맞춤형으로제작할수있으며기존의수작업에비해제작시간이단축되고스캔자료가보존되므로파손, 분실하더라도다시손쉽게제작할수있다 (Fig. 8). Fig. 8. 3D printed prosthodontics; hearing aids (left), artificial hand (middle), and artificial leg (right). cited on http://www.javelin-tech.com/3dprinter/materials/polyjet-photopolymer, http://www.designsori.com/so/598499, http://techholic.co.kr/archives/7446 97
2. 수술모형이나수술가이드구조물외과수술을위한치료계획수립이나수술상황을재현 (simulation) 하는사전연습을위한도구로활용할수있으며실제수술실에서수술을안전하고정확하게시행하기위한가이드구조물제작에활용하고있다. 가이드구조물을사용할경우각종수술용도구를시술부위에정확히위치하거나적용할수있어수술의안전성과성공률을높일수있다. 2002년미국 UCLA 병원에서샴쌍둥이분리수술을시행하였는데, 복잡한뇌혈관구조와신체경계부의구조로인해 100시간가량소요될예정의수술을, 3D 모델을만들어수술계획을수립하고예행연습을시행한결과 22시간만에성공적으로시행한사례가있다. 3. 바이오프린팅 (Bio-printing) 살아있는세포를원하는형상으로적층하여조직이나장기를 제작하는기술로서조직공학 (tissue engineering) 혹은재생의학 (regenerative medicine) 의기본이되는기술이다. 이를위한가장중요한요소가지지체 (scaffold) 이며이는생체적합성이우수하고표면적이크고다공성이어야하며적절한물리화학적성질과성형가공성이요구된다 7-9). 또한외부감염으로부터세포를보호하며세포에산소와영양분을공급하고이산화탄소를쉽게배출할수있는구조여야한다. 또한혈관생성후에는자연적으로체내에서생분해되어야한다. 이렇게세포가자랄수있도록하는지지체는조직공학의기본요소로서콜라겐. 젤라틴, 전분, 덱스트란, 키토산등의천연고분자소재와 poly lactic-co-glycolic acid (PLGA), poly glycolic acid (PGA), poly lactic acid (PLA), poly caprolactone (PCL) 등의합성생분해고분자가주된성분이며이를이용하여 3D 지지체를제작하는데, solvent-casting particulate leaching, 가스발포법 (gas forming), fiber bonding, 상분리법 (phase separation), 전기방사법 (electrospinning) 등여러가지방법이이용되고있다 7,9-11) (Fig. 9). Fig. 9. Scaffold fabrication process by indirect 3DP. cited on Biofabrication. 2013 Dec;5(4):045003. doi: 10.1088/1758-5082/5/4/045003 98
Fig. 10. Process of tissue generation. A. 3D culturing process from cells to tissue. B. Printed cells fuse together and scaffold dissolves, which resulted in living tissue. cited on http://gopaultech. com/blog/2007/11/organ-printer-could-save-countless-lives/ 근래에는신속조형장비, 즉 SLA, SLS, FDM, 3DP 등의 3D 프린터를이용하여지지체의공극률을높여표면적을크게하고, 공극간의연결성을높여세포의침투와유착률을높이며영양분이나산소의공급을향상시키고자하는노력이이루어지고있다. 이와함께잉크카트리지에세포액들을채워분사함으로써혈관, 피부, 신장, 골, 연골등의장기를만들어내는바이오프린팅기술이발전하고있다 7,11) (Fig. 10). 이와같은바이오프린팅을통해제작된장기는환자개개인의맞춤형장기로면역반응을최소화할수있는점이장점이다. 지금까지는장기수요공급의심각한불일치로장기를이식하기위해서는 장기를기다리면서울고이식후에는면역반응으로운다 라는말을나올정도로장기구하기도어렵고면역반응의부작용이컸으나앞으로는이와같은문제점들이점차개선될전망이다. 이와같은장기이식기술의발전과함께앞으로가슴성형, 코성형, 안면성형등성형분야에서도바이오프린팅기술이점차일반화될수있을것으로생각된다. 치의학분야에서도골이나연골등생체재료를이용하여제작하기고하고나아가생체친화적이고생분해되는고분자재료를이용하여치아지지체를제작한후세포나 BMP7 등의골형성인자를주입하여치조골및치주조직을재생하고자하는시도가이루어지고있다 12,13) (Fig. 11). 2015년현재우리나라의바이오메디컬프린팅사업관련국책사업은 200억규모로 70여개연구기관에투자되고있는데, 한예로피부재생을위한환부직접도포용 3D 바이오프린터개발에카이스트, 서울대학병원, 한국기계연구원등의연합연구팀에게 30여억원이투자되고있다. Fig. 11. Tooth scaffold fabricated by 3D printing with biocompatible, biodegradable material. A body s stem cells or blended cocktail of stroma-delivered factor-1 and BMP7 were delivered into scaffold microstructure to induced the hard tissue and periodontal tissue. cite on http://www.popsci.com/science/article/2010-05/new-technique-usesbodys-stem-cells-regenerate-teeth 4. 제약분야 FDA는 2015년제약계에서는최초로미국 Aprecia사 가 3D 프린팅플렛폼인 ZipDose 을이용해제작한간질약인 SPRITAMTM 을승인한바있다. 이약은고농도의용량이구강내에서빨리흡수될수있도록설계되었는데, 이와같이 3D 프린팅을이용해약을제작할경우약의표면적, 형태, 녹는속 99
도등을자유롭게조절할수있어농도와흡수시간을환자개개인에맞춤형으로제작할수있고따라서안정성과약효를획기적으로개선할수있다고알려졌다 14). 5. 치의학분야현재까지치아교정을위해석고로환자치아의모델을제작하고이를기본구조로하여교정장치나임플란트등을수작업으로제작해왔다. 최근에는 3D 스캐너, 치과용 CT 등디지털기반기기로스캔한환자치아및치열데이터를기반으로직접 3D 프린터를통해교정장치나임플란트스텐트등을제작하는것이가능해졌다. 또한악골이나치아모형, 수술용기구등을제작할수있어과거에비해훨씬신속하고정확한시술이가능해졌다. 이처럼치과분야에서 3D 프린팅기술도입이늘자업계는발빠르게관련솔루션출시를서두르고있다. 2013년 5월서울코엑스에서열린 2013 서울국제치과전시회 (SIDEX 2013) 에서는다양한 3D 프린팅장비들이선보여졌다. 특히전세계 3D 프린팅분야 1위업체인미국 Stratasys사 에서는소규모치과기공소및클리닉을위한업체최초덴탈전용데스크톱 3D 프린터를선보였다. 기존에는높은비용으로인해대형기공소에서만 3D 프린팅기술을도입할수있었던데반해, 새로출시된데스크톱 3D 프린터는소규모기공소나클리닉에서도저렴한비용으로손쉽게디지털치의학솔루션을구축할수있는것이특징이다. 치과기공소에서는 3D 프린팅기술을 3D 구강스캐닝, CAD- CAM 및디자인소프트웨어등과결합해치과용스톤모델및투명교정기는물론실제치아와유사한베니어 prototype 등다양한치과교정장치를신속하고정교하게제작할수있다. 또한환자의케이스를디지털데이터로보관할수있어다량의모형을보관하기위한공간이필요없는것도장점이다. 치과분야에서 3D 프린팅공정기술별적용분야를요약해보면다음과같다. 교정용 retainer 제작등을위해주로 SLA 프린터가사용되며 polyjet 프린터도사용할수있다. 보철용 coping을위해서는 DLP 프린터가이용된다. 치열모델제작에는 DLP, SLA, polyjet 등의프린터가, 그리고 denture framework은 FDM, DLP, SLS 등의프린터를이용해제작할수있다 (Fig. 12). (1) 보철분야치과분야에서가장일반적으로응용되는부분은치아보철물제작이며 3D 프린터에의해서치아보철물의제작방법이획기적으로개선되고있는추세이다. 현재금속전장관혹은도재전장관 (all ceramic crown) 등의치아보철물의제작과정은전적으로치기공사의수작업으로이루어지기때문에인력, 시간, 재료의소모가많고복잡한공정과이에따른오차, 재료의변형등최종보철물의정확도에오차가생길수있는소지가많다. 그러나 CAD-CAM 및 3D 프린팅기술이도입되면서제작시간이대폭적으로줄어들고, 제작과정에서의오차가최소화될수있게되었다. 물론구강내스캔을위한카메라의정확성에관해서는논란이있지만앞으로이러한문제도해결되어기존의보철물제작방식을대체하리라사료된다. Fig. 12. Application of 3D printers in dental field. 100
1왁스패턴제작금속전장관, 도재전장관, RPD framework 등은시간이많이걸리며왁스패턴의질이기공사의기술에좌우된다. 그러나 WaxProTM 등의소프트웨어를탑재하고있는 CAD와 3DP 등의 3D 프린터를사용하여왁스패턴을일정한두께로정교하게제작할수있어보철물의정확성을높일수있다. 또한인상채득과모델제작등여러과정들을생략할수있어제작시간을단축시킬수있다 15). 2 금속 casting, 안면수복물, 총의치를위한 mold 제작금속 casting을위한세라믹 mold, 안면결손부위수복을위한폴리우레탄이나실리콘의안보철물제작을위한 mold, 총의를제작을위한 mold (flask) 를제작한다. 이와같은공정은왁스패턴제작과제거과정을생략하므로이과정에서발생하는수축을줄여서오차를줄일수있으며노동력과시간을절약할수있다 15). 앞으로는위에서기술한왁스패턴을제작후 burn out시켜금속을 casting하는시대는지나갈것으로예상되는데, 그이유는 3D 프린터 (direct metal printing, DMP) 로직접 metal coping을제작하는기술들이소개되고있기때문이다 (Fig. 13). 그예로미국 BEGO사 는 laser sintering 3D프린터로코롬-코발트-몰리브덴금속분말이나크롬-팔라디움금속분말을이용하여직접 metal coping을제작하는기술을개발하였다. 이와같이적층방식으로제작된 coping은 casting에의해제작된 coping에비해정확도가매우높다 16) (Fig. 14). 앞으로 DMP는치과분야에서 crown, bridge, denture framework 등의제작에활용될가능성이높은 3D 프린터이다. 3 CAD와 3D 프린터를이용하여 RPD 프레임을제작할수있으며특히 SLM, SLS과같은금속분말적층방식의 3D 프린터를사용할경우직접금속프레임을제작할수있다 17) (Fig. 15). 4 도재전장관현재 CAD/CAM milling system에의해 zirconia ceramic 을조각하여 crown을제작하고있는데, 재료낭비가많고절삭기구의날이쉽게닳고, 표면에미세한 crack이형성되는문제점들이제기되고있다. 그러나 3D 프팅기술로 zirconia powder를 paste화하여적층한후 furnace에서 900 로소결 Fig. 14. Three-unit bridge manufactured by BEGO company from an STL file using its laser sintering additive manufacturing system. Fig. 13. Materials for direct metal printing in dental, medical and industrial fields. 101
Fig. 15. A. Stone cast model representing class I Kennedy. B. 3D model of the cast was scanned using 3D scanner. C. Isometric view of the model after undercut blockage with flat areas. D. Full design of the RPD component created as thin surface relieved from the model surface. E. Final 3D model after volume creation and smoothening of the sharp angles. F. 3D printed framework placed on the stone cast. cited on Int J Advanced Research 2 : 686-694, 2014. (sintering) 하여구워내는방식이새롭게시도되고있다. 소결후 25% 정도의수축이있다는점이앞으로대중화될수있느냐를가름하는문제점으로지적되고있다. 그러나자체구조와물성은제외하고는기존의방식으로구워내는 ceramic과구조적으로별차이가없다고알려져있다. 그러나조각을하지않고 3D 프린팅을이용하여적층방식으로제작하는도재전장관이좀더일반화되기위해서는많은연구가필요하다 15). (2) 외과분야외과분야에서는수술부위의구조나형태를재현한진단용모 델을제작하며수술을위한 decision making을돕고 3D 프린터를통하여제작된 template나 guide를통하여수술의정확성과안전성을증진시킬수있다. 임플란트식립시 surgical guide 제작을위해 3D 프린팅기술이이미적용되고있다 18) (Fig.16) 또한하악골재건술에 RP 혹은 3D 프린팅기술이적용된다. 하악의경우복잡한 3차원적구조와근육부착, 그리고복잡한혈관분포로인하여그어는수술보다실패율이높다고알려져있다. 그러나 3D 프린팅을통하여하악의입체모델을제작하고수술전좌우대칭, 치아교합, 악관절관계등구조분석과절 102
Fig. 16. A. Virtual drilling guide as an offset of the tooth surfaces showing image of intraoral soft tissues provided by the intraoral scan fused with the radiologic data and the virtual image of the planned implant. B. Printed implant drilling guide with metal insert and fenestrations for placement control. cited on 3D Plot of Implant Drilling Guide. J Oral Maxillofac Surg. 71:1340-1346, 2013. Fig. 17. A. Digital setup with individually defined bracket bases, B. Conventional lingual bracket (left) and customized bracket (Right). cited on Am J Orthod Dentofacial Ortho, 124:593-599, 2003. 제부위의 simulation을통한정확한치료계획을수립할수있으며, 3차원적모델에서 bone plate를제작하거나골결손부위자가골이식을위한이식골의정확한형태를재현할수있다 19). 이외에도구강악안면보철물, 소위 인공턱뼈 의제작을통해수술방법과결과를획기적으로개선할수있다. 지난 2011년 6 월벨기에하셀트대학의사들이골수염으로하악을상실한노인환자의턱뼈를 3D 프린터로제작한티타늄보철물로대체하는수술을시도하여성공을거둔바있다. 이환자의경우에는나이등의다른여건때문에기존의전통적인재건술의경우수술시간도 20시간이상소요되어위험하다고판단되었으며또한수술후에도환자는수개월동안입원해야하며, 음식물을저작하기어려운상황에처할수있는데, 사전제작한티타늄턱뼈를이용한수술은단 4시간만에끝났으며, 환자는다음날부터제대로말하고음식물을삼킬수있었으며다른염증반응이나면역반응이없었다고보고되고있다 20). (3) 교정분야교정분야에서는진단용치아모델에처음응용되었다. 1999 년 OrhtoCAD TM (Cadent, Carlstadt, NJ, USA) 가처음으로디지털모델시장에소개된이후현재까지많은시스템들이개발, 시판되고있다. 이와같은상용화된시스템은디지털데이 터를수집하기위해스캐너가사용되고있는데구강스캐너를사용하여환자구강내에서직접스캔할수있는직접방식과알지네이트인상모델이나플라스터모델에서스캔할수있는간접방식이있으며간접방식은데스크탑스캐너, 구강스캐너, 그리고 CT를이용하고있다. 현재 itero TM (Align Technology Inc., San Jose, CA, USA), 3D Progress TM (Medical Height Technology Co., Verona, Italy), PlanScanTM (E4D Technologies, Richardson, TX, USA) 등 10여개의구강스캐너가시판되고있으며데스크탑스캐너의경우 Ortho Insight 3D TM (Motion View Software, LLC, Chattanooga TN, USA), Maestro 3D TM (AGE Solutions, Piza, Italy), 3Shape R 500 TM (3 Shape Co., Copenhagen, Denmark) 등 5~6개가시판되고있다. 이외에도최근에는 facial 스캐너가개발, 시판되고있다. 교정용 3D 프린터도개발, 시판되고있는데, Objet30 OrthoDesk TM (Stratasys Ltd., Eden Prairie, MI, USA), Ultra 3SP Orhtho TM (EnvisionTEC, Gladbeck, Germany) 등 5~6개가소개되고있다 21). 이들프린터를이용해주로진단용모델, retainer, surgical guide, 그리고맞춤형 bracket이나 arch wire 등을제작하고있다 22,23) (Fig. 17). 103
(4) 소아치과분야소아치과분야는수복과외과분야에주로이용할수있을것으로전망되는데, 아직까지 3D 프린팅을이용하여소아치과에관련된진단과치료에대한시도를한연구, 보고는거의없는실정이다. 1 자가치아이식 (Autotransplantation) 성장기어린이들에게서치아의결손과매복, 과잉치들이발견되는예가많고이를해결하기위한방법의하나로자가치아이식을시행한사례는상당히많다. 자가치아이식을성공적으로시행하기위해서가장중요한요소는시술과정에서공여부치아의치근막손상을최소로하여이식후유착이나치근흡수와같은부작용을줄여주는것이다. 이를위해공여치의발치를치근막의손상없이매우조심스럽게시행해야하며수여부의골제및성형시공여치아를이용한적합여부횟수와구강외시간을최대한줄여는것이다. 또한수여부에형성한치조와가공여치의치근과밀착도가적절하여치근막에산소와영양분이효율적으로공급되도록하는것이다. 이를위해최근에는공여할치아의모형을 RP 방식을이용, 제작하여시술과정에서 guide로사용하고있다. 이와같은시도는아직많이이루어지고있지않은데, 해외에서는이를보고한논문이 5~6편에지나지않으며국내에서는 2~3편의증례가보고된바있다 24,25). RP를이용한자가치아이식의장점은 trial and error 방식의수여부치조와 (alveolar socket) 형성과정에서 guide로서자연치를사용하지않고모형치를사용하므로써공여치치근의수여부치조와에대한무리한접촉을피할수있고구강외시간을단축시킬수있어이식할치아의치근막손상을최소로할수있다는점이다 26). 최근에는 3차원영상분석프로그램을통해모형치의제작은물론이식치를어떤방향과경사그리고어느깊이까지위치시킬것인가에대해사전에 simulation을할수있고이과정을통해공여치치근막의노출을최소화할수있으며불필요한골삭제를피할수있다. 또한안전하고정확한시술을위해골삭제를위한 stent 혹은 guide를 3D 프린터로제작할수있다 (Fig. 18). Fig. 18. Surgical guider for autotransplantation. A. Simulation of transplanted tooth with scanning and 3D imaging computer software. B. 3D printing model of recipient site showing socket for transplantation. C. 3D printing model of surgical guider. D. Surgical guider for drilling depth made by 3D printed wax pattern and metal casting. 104
2 유전치수복유전치를수복하는방법은기존의 celluloid strip crown, zirconia crown, open faced stainless steel crown 등여러가지방법이있으나이모두가기성품이여서각각의치아에맞추는과정이시간이많이걸린다는문제점이있다 27). 이와같은문제점을개선하기위해맞춤형 crown을제작할수있는데, 구강내에서치아삭제후인상을채득하여제작한모형을 scan하거나혹은직접구강내에서스캔하여 digital 입 체모형 (STL file) 을만든다음 CAM/CAD를사용하여 crown 모형을디자인하고 zirconia 재료를이용하여 crown을조각하는방법을생각해볼수있겠다. 또한스캔한자료를 STL file 로저장한후 GEOMagix TM 같은이미지분석, 조형프로그램에넣어 crown을디자인하고그표면을 1 mm 두께로감싸는소위, strip crown form 형태를디자인한후 3D 프린터를이용, 제작하여레진의운반, 매개체로사용하는방법을생각해볼수있겠다 (Fig. 19). Fig. 19. Fabrication of short post crowns for primary anterior teeth. A. Preparation of teeth for short post crown. B. Zirconia short post crown made with CAM/CAD system. C. 3D scanning model (upper) and stent for strip crown designed by 3D imaging software (lower). D. 3D stent image (upper) and printed material of stent (lower). E. Checking the stent on working model before placement of composite resin. F. Placement of short post crown, Left central and lateral primary incisors : Zirconia crowns fabricated by CAM/CAM system, Right central and lateral primary incisors : Resin crowns fabricated by 3D printing technology. 105
3 전문가불소국소도포현재시판되고있는대부분의불소바니쉬는주된성분이천연송진 ( 레진 ) 이여서도포시치아의일시적착색과불쾌한맛, 끈적끈적한질감으로인해학령기어린이및청소년에게거부감을갖게한다. 또한치면에오래붙어있지않고타액이나음식에의해쉽게씻겨져내려가므로구강내에서적절한불소농도를오랫동안유지해줄수없다는한계점을가지고있다. 현재국외에서는이를극복하기위한치면에오랫동안붙어있으면서불소를서서히유리하는완속유리 (slow-release) 불소전달체계 (delivery system) 를개발하고있지만이물감이나접착력등의문제로인하여실용화되지못하고있다 28). 최근접착테잎형불소제제를개발한연구논문이보고되고있으나더욱접착력이향상되어야한다는문제점을가지고있다 29,30). 상기의접착테잎형의불소제제의문제점을개선하기위해 3D 프린팅기술을응용할수있는데, 생체친화적, 생분해형천연고분자인젤라틴이나혹은합성고분자인 PVA 등에 NaF를혼합하고이를소재로하여치아의순면을덮을수있는박막을프린팅하는, 소위맞춤형불소제제를생산할수있을것으로사료된다 (Fig. 20). 이경우박막이치아인접면의틈새에위치하므로기계적인결합력이강화되어부착력이현저히개선될수있을것으로기대된다. Fig. 20. Fluoride adhesive film made by 3D printer is attached to the labial/buccal surface of the teeth. For close attachment, the labial/buccal surface is tapped lightly with a cotton swab, and the interdental space was pressed using a plastic stick so the film could penetrate through the space. Ⅴ. 요약 3D 프린팅기술이가장효과적으로활용될수있는분야의하나가의학분야이다. 3D 프린팅기술은최근들어더욱상업화되고프린팅에사용되는재료 ( 소재 ) 또한생체친화성, 생분해성고분자를이용가능하게됨에따라생체의료분야에서의활용성 이점차적으로높아지고있는추세에있다. 생체의료분야에서는수술모형을제작하고절제범위와시술후의형태를시술전에미리확인하여시술시간을단축하고부작용을최소화하는데기여하고있으며이와함께인공골과장기를생산함으로써이식에따른부작용을감소시킬수있는계기를마련하고있다. 또한보청기, 의족등맞춤형의료보조용품을생산하고있다. 치의학분야에도 3D 프린팅기술을이용하여 crown, bridge, inlay 등의보철수복물제작, 교정장치및모델제작, 임플란트식립이나외과수술을위한수술용가이드제작등치과의료기술을한차원더높일수있을것으로전망된다. 그러나아직은프린팅재료 ( 소재 ), 조형기술, CAD 관련소프트웨어기술, 생체안정성과유효성검증, 호환성과표준화등해결해야할과제가산적해있있어앞으로이에대한지속적인연구, 개발이이루어져야할것으로사료된다. References 1. Ministry of Science, ICT and Future Planning, Ministry of Trade, Industry and Energy : Roadmap of the strategy for 3D printing technology. Report on the 3D printing-2014 year, 1-39, 2014. 2. Kwak KH, Park SH : Trend of the global 3D printing industry technology. J of the KSME, 53:58-60, 2013. 3. Park HW : 3D printing Technology and Applications -Overview. J of the KSME, 54:32-35, 2014. 4. DH Freedman : Layer By Layer-Technology Review 115.1 (2012): 50-53. Academic Search Premier. Web. 26 July 2013. 5. Assessments on WikiPedia-3D printing. Available from URL: https: //en.wikipedia.org/wiki/3d_printing (Assessed on October 5, 2015). 6. Choi HW, Kim HC : 3D Printing Technologies-A Review. Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, 14:1-8, 2015. 7. Chia HN, Wu BM : Recent advances in 3D printing of biomaterials. J Biol Eng, 9:2-14, 2015. 8. Park SA, LEE JH, Kim WD : Development of biomimetic scaffold for tissue engineering. Elastomers and Composites, 44:106-111, 2009. 9. Park SH, Yim SG, Yang SY, et al. : 3D printing technology for biomedical applications. KIC News, 1891:67-78, 2015. 10. Park SH, Park JH, Lee HJ, et al. : Current status of biomedical applications using 3D printing technology. J Korean Soc Precis Eng, 31:1067-1076, 2014. 11. Lee JY, Choi B, Wu B, et al. : Customized bio- 106
mimetic scaffolds created by indirect three-dimensional printing for tissue engineering. Biofabrication, 5:045003. doi: 10.1088/1758-5082/5/4/045003. 2013. 12. Obregon F, Vaquette, Lvanovski S, et al. : Threedimensional bioprinting for regenerative dentistry and craniofacial tissue engineering, J Dent Res, 94: 143S-52S, 2015. 13. Kim K, Lee CH, Kim BK, et al. : Anatomically shaped tooth and periodontal regeneration by cell homing. J Dent Res, 89:842-847, 2010. 14. Assessments on Aprecia Pharmaceuticals-FDA approves the first 3D printed drug product. Available from URL: http://www.cu reepilepsy.org/ downloads/articles/3d-printed-drug-product.pdf (Assessed on October 5, 2015). 15. Sun J, Zhang FQ : The Application of Rapid Prototyping in Prosthodontics. J Prosthodont, 21:641-644, 2012. 16. Assessments on Metal Powder Report-3D printing of dental restorations. Available from URL: http://www.sciencedirect.com/science /article/pii/ S0026065713700626 (Assessed on October 5, 2015). 17. Hussein MO, Hussein LA : Novel 3D modeling technique of removable partial denture framework manufactured by 3D printing technology. Int. J Advanced Research, 299:686-694, 2014. 18. Flügge TV, Nelson K, Schmelzeisen R, et al. : Three-dimensional plotting and printing of an implant drilling guide: simplifying guided implant surgery. J Oral Maxillofac Surg, 71:1340-1346, 2013. 19. Cohen A, Laviv A, Berman P, et al. : Mandibular reconstruction using stereolithographic 3-dimensional printing modeling technology. Oral Surg Oral Med Oral Pathol Oral Radiol Endod, 108:661-666, 2009. 20. Assessments on the JoongAng Daily Health Media- 3D printer produced an artificial jaw, the world s first transplant success. Available from URL: http://jhealthmedia.joins.com/news/articleview.htm l?idxno=3085 (Assessed on October 5, 2015). 21. Taneva E, Kusnoto B, Evans CA : Issues in Contemporary Orthodontics (ISBN 978-953-51-2161-9); chapter 9 (3D Scanning, Imaging, and Printing in Orthodontics). Farid Bourzgui Pub Co. 147-188, 2015. 22. Nasef AA, El-Beialy AR, Mostafa YA : Virtual techniques for designing and fabricating a retainer. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 146:394-398, 2014. 23. Wiechmann D, Rummel V, Thalheim A, et al. : Customized brackets and arch wires for lingual orthodontic treatment. Am J Orthod Dentofacial Orthop, 124:593-599, 2003. 24. Lee SJ, Jeong IY, Lee CY, et al. : Clinical application of computer-aided rapid prototyping for autotransplantation of the teeth. The Journal of Korean Dental Association, 38:994-996, 2000. 25. Cho NJ, Lee NY, Lee SH : Autotransplantation of an impacted maxillary canineusing rapid prototyping : a case report. J Korean Acad Pediatr Dent, 34: 498-505, 2007. 26. Schmidt SK, Clevery DG : Tooth autotransplantation: An overview and case study. J Mich Dent Assoc, 96:36-41, 2-14. 27. Kim SH, Kim YJ, Kim S, et al. : A comparison of decisions for primary anterior teeth between pediatric dentists and general dentists. J Korean Acad Pediatr Dent, 39:242-248, 2012. 28. Andreadis GA, Toumba KJ, Curzon ME : Slowrelease fluoride glass devices: in vivo fluoride release and retention of the devices in children. Eur Arch Paediatr Dent, 7:258-261, 2006. 29. Lee KY, Lee SH, Lee NY : Evaluation of fluoridereleasing capacity from polyvinyl alcohol polymer tape supplemented with NaF in oral cavity. J Korean Acad Pediatr Dent, 40:89-97, 2013. 30. Kim MJ, Lee SH, Lee NY, et al. : Evaluation of the effect of PVA tape supplemented with 2.26% fluoride on enamel demineralization using microhardness assessment and scanning electron microscopy: In vitro study. Arch Oral Biol, 58:160-166, 2013. 107
국문초록 의료 3D 프린팅기술의전망및소아치과분야에서의활용 이상호 조선대학교치의학전문대학교소아치과학교실 3D 프린팅기술이가장많이활용될수있는분야의하나가의학분야이다. 3D 프린팅기술은최근들어더욱상업화되고프린팅에사용되는재료또한생체친화성, 생분해성고분자를이용가능하게됨에따라생체의료분야에서의활용성이점차적으로높아지고있는경향이다. 생체의료분야에서는수술모형을제작하고절제범위와시술후의형태를시술전에미리확인하여시술시간을단축하고부작용을최소화하고있으며인공골과장기를생산함으로써이식에따른부작용을감소시키고있다. 또한보청기, 의족등맞춤형의료보조용품을생산하고있다. 치의학분야에도크라운, 덴쳐등의보철수복물제작, 교정장치및모델제작, 임플란트식립이나외과수술을위한수술용가이드제작등치과의료기술을한차원더높일수있을것으로전망된다. 그러나아직은프린팅재료 ( 소재 ), 조형기술, CAD 관련소프트웨어기술, 생체안정성과유효성검증, 호환성과표준화등해결해야할과제가산적해있있어앞으로이에대한지속적인연구, 개발이이루어져야할것으로사료된다. 주요어 : 3D 프린팅, 바이오프린팅, 쾌속조형, 치의학 108