의료 혁신: 3D 프린팅이 헬스케어에 미치는 영향

3D 프린팅, 전문 용어로는 적층 제조(Additive Manufacturing)는 생각만큼 새로운 기술이 아닙니다. 1980년대에 시작되었지만, 최근 몇 년간 항공우주, 자동차, 건축, 교육, 주얼리, 예술 등 다양한 분야의 Xometry 고객들에게 인기 있는 제조 방식으로 자리 잡았습니다. 의료 및 헬스케어 분야에서는 의족, 의료 기기, 심지어 대체 장기 제작까지 놀랍게 활용되고 있습니다. Xometry가 아직 주문형 장기 출력을 하지는 않지만(아직은!), 의료 및 헬스케어 고객들과 협력한 수많은 다른 애플리케이션이 있습니다.

이 기사에서는 의료 및 헬스케어 산업에서의 3D 프린팅에 대해 알아야 할 모든 것을 다룹니다.

의학과 헬스케어란 무엇인가?

먼저 의학과 헬스케어가 정확히 무엇을 의미하는지 간략히 짚어보겠습니다. 이는 질병, 부상, 기타 신체적·정신적 의료 상태의 예방, 치료, 완화, 치유에 관련된 모든 관행과 절차를 포괄하는 포괄적 용어입니다.

"의학"은 의사와 의료 전문가가 다루는 측면, 즉 약물 처방, 환자 치료, 수술 수행, 정신과 서비스 등을 설명하는 데 사용됩니다. "헬스케어"는 의학뿐만 아니라 약사, 치료사, 의료 기기 설계 및 제조업체 등 지원 서비스를 포함하는 더 넓은 개념입니다.

3D 프린팅 기술이 의학과 헬스케어에 어떻게 도움이 되는가?

헬스케어 분야의 전통적 제조는 원자재에서 깎고, 조각하고, 가공하여 최종 제품을 만드는 많은 수작업을 수반합니다. 3D 프린팅은 이 과정을 더 쉽고, 노동 집약도를 낮추며, 때로는 더 빠르고 저렴하게 만들었습니다.

3D 프린팅은 소재 덩어리를 깎아 제품을 만드는 것이 아니라, 필라멘트, 레진, 융합 분말을 사용하여 층층이 쌓아 올립니다. 제품 설계는 일반적으로 CAD(Computer-Aided Design) 소프트웨어로 제작하지만, MRI(자기공명영상) 장비의 3D 스캔으로 모델을 만들 수도 있습니다. 헬스케어 분야에는 Xometry 같은 대규모 3D 프린팅 제조업체와 현장 출력(Point-of-care printing) 시설이 모두 존재합니다.

헬스케어 분야 3D 프린팅의 간략한 역사

150년 역사는 아니지만, 인간이 3D 프린팅의 올바른 궤도에 올랐다는 첫 신호는 1860년대 프랑스 예술가 프랑수아 윌렘(François Willème)이 '사진 조각(photo sculpting)' 방법을 발명했을 때 나타났습니다. 이는 물체를 여러 각도에서 촬영(당시에는 그림)한 뒤 그 이미지를 이용해 3D 표현을 만드는 방식이었습니다.

약 100년 후인 1985년, 미국 콜로라도 출신 척 홀(Chuck Hall)이 최초의 고체 이미징 공정, 즉 입체조형술(Stereolithography)을 발명했습니다. 이는 3D 프린터 탄생의 첫걸음이었습니다. 헬스케어 산업이 3D 프린팅을 사용하기 시작한 것은 2000년이고, 이듬해 최초의 합성 인공 방광 조직 스캐폴드가 3D 프린팅되었습니다. 2008년에는 최초의 3D 프린팅 의족 다리가 만들어졌습니다.

이후 의학 및 헬스케어 분야의 3D 프린팅은 수많은 발전을 거듭했습니다. 2009년 혈관이 3D 바이오프린팅(살아있는 세포와 생체소재를 결합하는 공정)되었고, 2014년에는 3D 프린팅 인간 간 조직이 상용화되었습니다. 2019년에는 과학자들이 심장과 폐낭을 바이오프린팅하기 시작했습니다. 1년 뒤 영국 바이오테크 기업 FABRX가 맞춤형 의약품 제조기 'M3DIMAKER™'를 출시했습니다. 그 이후로도 이 분야는 지속적으로 발전하여 3D 프린팅이 의학 및 헬스케어에서 보편화되었습니다.

3D 프린터가 의학과 헬스케어에서 할 수 있는 것들

3D 프린팅이 의료 및 헬스케어 산업에서 대규모로 채택된 주된 이유는 모든 것을 환자 맞춤형으로 커스터마이징할 수 있기 때문입니다. 이에는 척추 및 정형외과 임플란트, 의족 및 소켓, 파트, 치과 크라운, 브릿지 및 기타 교정 장치, 약물 제형 및 전달 장치(흡입기, 패치, 임플란트), 보청기, 실제 환자 데이터 기반의 상세한 해부학적 모델 등이 포함됩니다.

그뿐만이 아닙니다! 환자 맞춤형 수술 도구, 시술 가이드, 안면 재건에도 널리 사용됩니다. 게다가 외과 의사의 소중한 피드백을 바탕으로 빠르고 정밀한 설계 수정이 가능합니다. 3D 프린팅 임플란트는 다양한 공정과 소재로 제작되며, 이에 대해서는 뒤에서 자세히 다루겠습니다. 이제 몇 가지 애플리케이션을 더 깊이 살펴보겠습니다.

임플란트

치과, 척추, 고관절 임플란트 등 환자 맞춤형 임플란트를 빠르고 정확하게 설계·제작할 수 있게 되면서 의학계에 큰 발전을 가져왔습니다. 이러한 맞춤형 파트는 수술 시간 단축, 합병증 감소, 표준 사이즈 임플란트 수동 수정 불필요, 침습적 뼈 이식 수술 감소 등의 효과를 가져옵니다. 이 모든 요인이 환자의 빠른 회복과 높은 성공률로 이어집니다.

의족

3D 프린팅 의족을 개인화할 수 있다는 것은 헬스케어 분야에서 이 기술이 활용되는 가장 인상적인 방식 중 하나이며, 절단 환자들에게 진정한 게임 체인저가 되었습니다. 팔, 다리 등 이러한 파트는 환자의 신체에 완벽하게 맞아 더 큰 편안함과 기능성을 제공합니다. 기존 의족과 그 구성품은 악명 높게 비싸(150만 원~800만 원), 광범위하고 침습적인 정기적 수동 조정이 필요합니다. 게다가 주문 및 제작에 오랜 시간이 걸립니다.

3D 프린팅 의족은 종종 더 비용 효율적입니다. 또한 처리 시간이 빠르고(경우에 따라 하루 만에 완성), 완전히 맞춤 제작되므로 조정도 훨씬 적게 필요합니다. 이러한 요소는 빠르게 성장하여 의족을 자주 교체해야 하는 어린이들에게 특히 유용합니다. 3D 프린팅은 아이들과 성인 모두에게 의족 색상, 디자인, 스타일을 직접 선택할 수 있게 하여 불쾌한 과정을 조금 더 견디기 쉽게 만듭니다.

해부학적 복제 모델

의족 외에도 교육, 훈련, 수술 전 계획용 해부학적 복제 모델을 제작할 수 있습니다. 이 모델은 환자의 실제 영상 데이터로부터 설계되어 실제 장기를 정밀하게 모방하므로, 의료진이 수술 전 리허설을 할 수 있습니다. 복잡한 수술을 시뮬레이션하여 의사와 연수생이 기술과 자신감을 향상시키고, 합병증을 줄이며 성공 확률을 높일 수 있습니다. Xometry는 PolyJet 3D 프린팅 기술을 통해 풀컬러 출력을 제공하며, 사실적인 질감과 색상의 실물 같은 복제 모델을 제작할 수 있습니다. 이 기술에 대한 자세한 내용은 PolyJet 서비스 페이지를 참조하세요.

장기 및 조직 프린팅

Xometry가 제공하지 않는 서비스인 바이오프린팅은 인간 조직을 닮은 스캐폴드 제작으로 3D 프린팅 장기 및 조직 제조의 첫걸음이 되었습니다. 3D 프린팅 간, 신장 등의 장기가 아직 주류는 아니지만 많은 진전이 이루어지고 있습니다. 연구자들은 이러한 장기를 최대한 빨리 실용화하기 위해 새로운 기술과 접근법을 끊임없이 개발 중입니다. 이러한 기계 제작 장기는 대기자 명단에 오르거나 막연하게 기다릴 필요 없이 수많은 생명을 구할 잠재력을 가지고 있습니다.

기타 애플리케이션

더 높은 정밀도와 맞춤화를 위해 환자별 맞춤 의료 기기 및 도구도 헬스케어 분야에서 3D 프린팅으로 제작되고 있습니다. 이 방식은 맞춤형 약물 용량 및 제형에도 사용되며, 부작용 위험을 줄여줍니다. 예를 들어, 미국 FDA는 3D 프린팅으로 제조된 간질 치료제 '스프리탐(Spritam)'을 승인했습니다. 이 공정으로 알약이 더 쉽게 녹도록 개선되었습니다.