뼈 임플란트 혁신: 3D 프린팅으로 맞춤형 핏, 수명, 성능 향상

[이미지 출처: 캐나다 보건부]
 
더 잘 맞고, 더 오래 가며, 더 높은 성능의 뼈 임플란트 제작은 정형외과 의사와 외과 의사들의 지속적인 과제입니다. 3D 프린팅이 이 분야 발전에 엄청난 기여를 하고 있습니다.
 
이 기술은 임플란트 제조사가 향상된 기능성과 환자 맞춤형 임플란트를 만들게 합니다. 더욱이 3D 프린팅은 현장 치료 지점(point of care)에서 제작 가능한 맞춤형 임플란트의 문을 엽니다.
 
이번 주, 우리는 3D 프린팅 응용 스포트라이트 시리즈를 이어가며 의료 임플란트용 3D 프린팅 활용과 기술의 이점, 현재 응용을 살펴봅니다.
 
이 시리즈의 다른 응용 분야:
 
열교환기용 3D 프린팅
 
베어링용 3D 프린팅
 
자전거 제조용 3D 프린팅
 
디지털 덴티스트리 & 클리어 얼라이너 제조용 3D 프린팅
 
3D 프린팅 로켓과 우주선 제조의 미래
 
신발 제조용 3D 프린팅
 
전자 부품용 3D 프린팅
 
철도 산업용 3D 프린팅
 
3D 프린팅 안경
 
최종 부품 생산용 3D 프린팅
 
브라켓용 3D 프린팅
 
터빈 부품용 3D 프린팅
 
3D 프린팅으로 더 나은 유압 부품 구현
 
3D 프린팅으로 원자력 산업 혁신 지원
 

2019년 의료 3D 프린팅 시장

 
정형외과 임플란트 — 누락된 관절이나 뼈를 외과적으로 대체하는 의료기기 — 는 3D 프린팅이 의료 산업에 제공하는 기회 중 하나일 뿐입니다.
 
정형외과 3D 프린팅 시장은 2018년 6억 9,100만 달러로 평가되었으며, 스마트테크 분석(SmarTech Analysis)에 따르면 2027년까지 37억 달러 시장으로 성장할 전망입니다.
 
임플란트 제조는 3D 프린팅의 비교적 새로운 응용 분야로, 2007년경 처음 사용되었으나 지난 10년간 급속한 성장을 경험했습니다.
 
2010년, 아크캠(Arcam)의 전자빔 용융(EBM) 금속 3D 프린팅 기술 초기 도입자가 3D 프린팅 임플란트 최초 FDA 승인을 받았습니다. 7년 뒤 전 세계 300대 이상의 3D 프린터가 정형외과 제품을 생산 중이었습니다.
 
오늘날 기술은 고관절 및 슬관절 치환, 두개골 재건 임플란트, 척추 임플란트 제작에 사용됩니다. 2019년 기준 3D 프린팅 도움으로 60만 개 이상 임플란트 생산 추정되며, 2027년까지 400만 개를 넘을 전망입니다.
 
이 거대 성장 기회에 주요 의료기기 제조사들이 모두 3D 프린팅 기술을 적극 수용하는 건 당연합니다.
 
세계 최대 의료기술 기업 중 하나인 스트라이커(Stryker)는 최근 3D 프린팅 임플란트 출시, 중공 바디 척추 임플란트인 3D 프린팅 트리타늄 TL 커브드 포스테리어 럼바 케이지 포함. 이 제품은 2018년 3월 FDA 승인받았습니다.
 
스트라이커 외에도 디퓨 신서시스(DePuy Synthes, 존슨앤드존슨 자회사)와 메드트로닉(Medtronic) 같은 주요 정형외과 기기 제조사들이 3D 프린팅에 막대 투자 중. 후자는 2018년 5월 3D 프린팅 플랫폼 TiONIC 테크놀로지 출시로 더 복잡한 설계와 척추 수술 임플란트용 통합 표면 기술 구현 목표.
 
기성 의료기기 제조사 외에 지난 10년간 의료 스타트업들도 등장해 3D 프린팅 정형외과 임플란트 독자 접근법 개발 중.
 
오세우스 퓨전 시스템즈(Osseus Fusion Systems), 넥스트 스파인(Nexxt Spine), 4WEB 메디컬, SI-BONE 등. 이들 일부 제품은 이미 FDA 승인받아 환자 치료에 성공적으로 사용되었습니다.
 
지난 10년간 3D 프린팅 임플란트의 명확한 상승 궤적이 확인됩니다. 하지만 정확히 무엇이 이 기술을 의료 임플란트에 이토록 유용하게 만들까요?
 

3D 프린팅 임플란트의 이점

설계 유연성

 
3D 프린팅으로 전통 기술로는 구현 어려운 복잡한 설계를 만들 수 있습니다. 임플란트 제조사는 이 이점으로 트라베큘라(trabecular) 구조 같은 복잡한 설계 특징을 가진 임플란트를 생산할 수 있습니다.
 
트라베큘라 뼈는 인체에서 발견되는 두 가지 뼈 조직 중 하나로, 다공성 스펀지 구조를 가져 임플란트에서 모방하기 어렵습니다. 전통적으로 제조사들은 특수 코팅으로 임플란트 표면에 트라베큘라 구조를 만드나, 이는 임플란트 박리와 실패 위험을 안습니다.
 
반면 3D 프린팅으로는 트라베큘라 구조를 임플란트에 직접 제작해 코팅 공정을 우회합니다. 더 중요하게, 3D 프린팅 임플란트에 통합된 다공성 트라베큘라 구조는 박리 위험 감소와 더 강한 임플란트를 만듭니다.
 
이런 설계 유연성은 선택적 레이저 용융(SLM)이나 전자빔 용융(EBM) 같은 금속 3D 프린팅 기술로 제공됩니다. 이 기술들은 티타늄 같은 생체적합성 분말 얇은 층에 레이저(SLM)나 전자빔(EBM) 같은 강력한 에너지원을 조사합니다.
 
이 공정을 수백 층 반복해 인체 뼈 구조에 기존 임플란트보다 훨씬 효율적으로 적응하는 복잡한 임플란트 제작이 가능합니다.
 
다공성 3D 프린팅 임플란트의 또 다른 중요한 이점은 향상된 골유착(osseointegration)입니다.
 
골유착은 임플란트가 신체 영구 부분이 되는 과정입니다. 다공성 트라베큘라 구조가 뼈가 기공 속으로 자라게 해 임플란트와 기존 뼈 간 결합을 더욱 강화합니다.
 

응력 차폐 감소

 
게다가 의료기기 제조사는 환자 뼈 강성과 밀도를 모방하는 임플란트 설계가 가능합니다. 골유착 개선 외에 3D 프린팅 임플란트는 응력 차폐를 줄여 신체 기능을 추가 향상시킬 수 있습니다.
 
응력 차폐(stress shielding)는 금속 임플란트가 환자 뼈에서 전형적 응력을 제거하는 현상입니다. 결과는 골밀도 감소로 뼈가 약해지며, 골절과 탈구로 이어질 수 있습니다. 환자 뼈 조직에 최대한 가깝게 임플란트 설계하는 게 응력 차폐 감소와 원치 않는 효과 제거의 열쇠입니다.
 
최근 사례에서 IT 기업 알테어(Altair)가 3D 프린팅과 위상 최적화 소프트웨어를 결합해 개선된 고관절 줄기 임플란트를 만들었습니다.
 
크기, 무게, 임플란트가 견딜 예상 하중 같은 파라미터를 입력해 위상 최적화 소프트웨어로 고관절 임플란트 새 설계를 만들었습니다. 최적화 설계는 일반 임플란트보다 응력과 변형을 더 효율적으로 분산시킵니다.
 
게다가 위상 최적화 소프트웨어로 소재를 격자 구조로 대체할 위치를 결정해 임플란트 경량화도 달성했습니다.
 
테스트 결과 최적화 임플란트는 응력 차폐 50.7% 감소 제공. 동시에 내구 한계가 약 1,000만 사이클로 증가. 이는 고관절 임플란트로 로스앤젤레스에서 뉴욕까지 조깅 왕복 두 번을 견딜 수 있음을 의미합니다.
 

환자 맞춤형 임플란트 3D 프린팅

더 복잡한 경우 기성 임플란트가 필요한 유연성을 제공 못 할 수 있습니다. 3D 프린팅은 임플란트 포함 의료기기 맞춤화와 개인화 능력을 제공해 이런 경우 돕습니다.
 
환자 맞춤형 임플란트 생산을 위해 제조사는 환자 스캔 데이터(컴퓨터 단층촬영 CT 또는 자기공명영상 MRI)를 사용합니다. 환자 데이터를 CAD로 가져와 생산 준비, 3D 프린팅, 마감합니다.
 
맞춤형 3D 프린팅 임플란트 사용으로 수술 시간 단축과 임플란트 핏 개선 잠재력 제공.
 
현재 3D 프린팅으로 미적 요구가 기능만큼 중요한 맞춤형 두개골 및 턱 임플란트 제작 가능.
 
예: 2018년 중국 10세 소년이 3D 프린팅 턱 임플란트 수혜. 턱에 종양이 있어 기존 방식으론 심각한 안면 변형 없이 제거 불가.
 
수술팀은 어린 환자에게 기존 안면 재건이 너무 위험하다고 판단. 더 나은 해법 찾아 3D 프린팅으로 소년 턱 디지털 모델 기반 완벽 맞춤형 티타늄 임플란트 설계.
 
집도의들에 따르면 환자 해부학 기반이라 임플란트 장착 쉬웠음. 시술 3개월 후 임플란트 성공적, 턱 정렬 양호하고 다량 조직 성장 확인.
 

3D 프린팅 임플란트 3가지 사례

3D 프린팅 고관절 임플란트로 극한 등반 가능케 해

 
로마노 베네(Romano Benet)와 아내 니베스 메로이(Nives Meroi)는 수년간 세계 최고봉들을 등정해왔습니다. 2017년 부부는 세계 14개 최고봉 완등 첫 커플이 되었습니다. 하지만 3D 프린팅 도움 없인 이 위업 달성이 불가능했을지도 모릅니다.
 
베네는 양측 무혈성 괴사(avascular necrosis)로 본질적으로 뼈 붕괴 초래.
 
최초 진단 시 베네 부부는 세계 14좌 완등까지 세 봉우리 남겨둔 상태. 여정 계속하려면 빠른 회복 가능한 안정적 임플란트 필요.
 
이 이유로 베네 집도의가 3D 프린팅 임플란트 선택.
 
'델타 트라베큘라 티타늄(TT) 컵' 브랜드명으로 알려진 이 임플란트는 이탈리아 의료기기 기업 리마 코퍼레이트(Lima Corporate)가 아크캠 EBM 3D 프린터로 생산.
 
리마의 트라베큘라 티타늄 기술과 3D 프린팅 결합으로 천연 다공성 뼈 구조 모방 임플란트 제작 가능.
 
이 트라베큘라 구조로 3D 프린팅 임플란트는 격렬한 활동 중 기계적 응력 견딜 수 있음. 베네 집도의는 TT 컵 몇 차례 타 환자 시술 경험으로 3D 프린팅 임플란트가 우수한 안정성·강도 외에 기존 임플란트 수명 초과 잠재력도 있다고 믿음.
 
비 3D 프린팅 첫 임플란트 땐 수개월 무활동 후 등반 재개. 3D 프린팅 임플란트로는 2개월 반 만에 활동 재개.
 
궁극적으로 3D 프린팅 임플란트 제 역할 다함: 베네 빠른 회복 지원해 마지막 세 고고도 봉우리 완등 성공.
 

오세우스 퓨전 시스템즈: 맞춤형 금속 임플란트로 가는 길

 
2012년 설립된 오세우스 퓨전 시스템즈(Osseus Fusion Systems)는 척추 관련 손상용 첨단 의료제품 개발 중심 미국 기업.
 
제품 품질과 기능성 향상을 위해 오세우스는 PL3XUS라 부르는 독자 3D 프린팅 기술 개발.
 
이 기술은 분말 베드 융합 3D 프린팅, 구체적으로 선택적 레이저 용융(SLM) 기반으로 80% 다공성 티타늄 임플란트 제작 가능, 뼈 융합과 생물학적 고정(살아있는 뼈가 임플란트 표면에 영구 부착되는 과정)에 최적화.
 
2018년 8월 오세우스는 에리스(Aries) 제품군의 적층 제조 요추 간체 융합 장치로 FDA 510(k) 승인 획득. 에리스 제품군은 외과의가 요통 완화와 척추 회복 시간 단축 돕도록 설계.
 
올해 초 오세우스 에리스 제품이 조셉 스파인(Joseph Spine, 척추·측만증 수술 센터)에서 첫 임상 적용. PL3XUS 기술로 환자 뼈 구조와 유사한 아키텍처 설계 가능해 뼈 유입 촉진.
 
향후 몇 년 내 환자 CT, X선, MRI 기반 맞춤형 장치 출시 계획.
 
이 다음 단계로 회사는 병원이 우수한 환자 케어 제공하고 궁극적으로 환자 수술 결과 추가 개선할 수 있게 지원 목표.
 

고성능 열가소성 수지로 임플란트 3D 프린팅

 
티타늄 등 생체적합 금속 외에 3D 프린팅은 PEEK, PEKK 같은 폴리머와 결합해 임플란트 생산 가능. 이 열가소성 수지들은 높은 강도와 생체적합성 알려졌으며 금속 임플란트 대비 몇 가지 이점(저비용, 방사선 투과성) 제공.
 
2013년 옥스퍼드 퍼포먼스 머티리얼즈(OPM)가 환자 맞춤형 3D 프린팅 PEKK 두개골 임플란트 최초 FDA 승인 획득. 2017년까지 OPM 1,400개 이상 두개골 임플란트 출하, 악안면과 척추 임플란트 2개 추가 FDA 승인.
 
회사는 선택적 레이저 소결 기술로 OPM 독자 오스테오팹(OsteoFab®) 플랫폼 구동해 임플란트 개발·생산. 한 예로 이 플랫폼으로 환자 맞춤형 두개골 임플란트 설계, 제조, 테스트, 출하가 단 3영업일 만에 완료. 1주일 미만으로 외과 의사가 임플란트 재성형 위한 절삭·드릴링 없이 수술 성공.
 

의료 임플란트용 3D 프린팅: 영향력 발휘

생체적합성, 하중 지지력, 내구성은 정형외과 임플란트 필수 요건. 3D 프린팅은 이 요건 전면 충족하며 임플란트 기능성과 핏을 발전시킵니다.
 
이는 주로 다공성 구조 같은 복잡한 형상 생성 능력 덕분으로, 환자 신체가 임플란트에 더 빠르고 적은 합병증으로 적응하도록 돕습니다.
 
향후 임플란트용 3D 프린팅 지속 진화 전망. 특히 흥미로운 진행 중 연구 분야는 3D 프린팅 임플란트와 센서 결합. 센서 내장 임플란트 개발로 의료진이 환자 결과 대폭 개선 가능.
 
내장 센서로 임플란트 주변 온도, 움직임, 임플란트에 가해지는 변형 같은 데이터 수집 가능. 외과의가 잠재적 문제 조기 감지하고 개별 환자 니즈에 맞춘 치료 가능.
 
영국 금속 3D 프린터 제조사 레니쇼(Renishaw)와 웨스턴 대학이 대학 캠퍼스에 적층 설계 수술 솔루션(ADEISS) 센터 설립. 센터는 학계와 임상의 결집해 위 설명 같은 새로운 3D 프린팅 의료기기 개발.
 
분명히 3D 프린팅 기술이 정형외과 부문에서 강력한 입지 확보 중.
 
하지만 기술이 현장 치료 지점 생산 맞춤 임플란트 잠재력 완전 해제하려면 성숙 필요.
 
현재 3D 프린팅으로 맞춤 제작되는 임플란트 비율은 극소수. 기술 거대 잠재력에도 표준화와 규제 과제 해결 필요.
 
하지만 맞춤 의료 임플란트 제작이 기술이 최대 영향력 발휘하고 더 많은 이가 맞춤 의료 혜택 누리게 할 방향. 이 방향이 향후 수년간 상당한 견인력 얻을 거라 믿습니다.
 
다음 기사에선 3D 프린팅이 로켓 제조 어떻게 향상시키는지 다룰 예정. 기대해 주세요!