[논문]3D프린팅 활용 생체의료분야 기술동향

박석희; 박진호; 이혜진; 이낙규

doi:10.7736/kspe.2014.31.12.1067

3D프린팅 활용 생체의료분야 기술동향
Current Status of Biomedical Applications using 3D Printing Technology 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.31 no.12, 2014년, pp.1067 - 1076

박석희 (한국생산기술연구원 마이크로나노공정연구실용화그룹) , 박진호 (한국생산기술연구원 마이크로나노공정연구실용화그룹) , 이혜진 (한국생산기술연구원 마이크로나노공정연구실용화그룹) , 이낙규 (한국생산기술연구원 마이크로나노공정연구실용화그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

To date, biomedical application of three-dimensional (3D) printing technology remains one of the most important research topics and business targets. A wide range of approaches have been attempted using various 3D printing systems with general materials and specific biomaterials. In this review, we provide a brief overview of the biomedical applications using 3D printing techniques, such as surgical tool, medical device, prosthesis, and tissue engineering scaffold. Compared to the other applications of 3D printed products, the scaffold fabrication should be performed with careful selection of bio-functional materials. In particular, we describe how the biomaterials can be processed into 3D printed scaffold and applied to tissue engineering area.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1에서는 4가지 분류의 응용 사례를 보여주고 있다. 본 장에서는 3D프린팅 기술의 의료분야 응용에 있어 일반소재 및 생체소재를 활용하는 경우를 나누어 기술활용 사례를 개략적으로 설명하고자 한다.
앞 절에서 소개된 조직공학의 접근 방식은 주로 지지체를 제작한 후에 세포를 적용하는 방식이다. 본 절에서는 3D프린팅 공정 도중 직접 세포를 프린팅하는 연구를 소개하고자 한다. 세포는 외부 오염인자에 대해 철저한 위생환경이 보장되어야 하고 프린팅 공정 중 세포에 가해지는 물리적인 자극이 최소화되어 손상되지 않아야 한다.
이와 관련하여 3D프린팅 바이오 조형 분야에 있어 많은 연구가 이루어지고 있다. 본 특집논문에서는 3D프린팅 기술의 생체의료 분야에서의 일반적인 상용 소재 활용사례를 소개하고, 특히 재생의학 및 조직공학에 특화된 기능성 생체재료를 활용한 3차원지지체 제작 방법의 최신 연구동향에 대해 살펴보고자 한다.

성능/효과

이러한 시각화 응용의 대표적인 최초 사례로 2002년 미국 UCLA 병원에서 시행되었던 샴쌍둥이 분리수술이 있다.⁸ 복잡한 뇌혈관 및 신경계의 구조로 인해 기존의 의료영상에 의존한 분리수술이 100시간 가량 소요되었던 반면, MRI 로 찍은 영상을 3D프린터로 인쇄하여 수술계획을 수립하고 예행연습을 함으로써 22시간 만에 성공적으로 수술을 완료하였다. 이러한 CT/MRI 의료영상 기술 기반의 수술 시뮬레이션 응용은 현재까지도 복잡한 외과수술에 있어, 실수로 인한 의료사고를 예방하고 수술 효율을 증대시키는 데에 유용하게 활용되고 있다.
6에서 볼 수 있듯이 전통적인 화학공학 기반의 다공성 구조물 제작방식에 비하여 3D프린팅 제작 방식은 크게 두 가지의 장점을 들 수 있다. 먼저 CT/MRI와 같은 의료영상 기반의 이미지를 기반으로 인체 조직 목표형상에 맞는 외형 구조제작 대응이 가능하다. 이를 통해 3D프린팅 제조방식의 근본적인 특징인 디지털 CAD 데이터 기반 맞춤형 제작 장점을 활용할 수 있다.
13과 같이 정렬된 나노섬유를 얻고 이를 3D 프린팅 적층면 사이에 전사하여 3차원 지지체를 제작할 수 있다. 제작된 지지체에 근아세포(Myoblast)를 배양하여 세포가 잘 정렬되어 성장함을 확인할 수 있었다.³¹ 이는 근육의 미세 해부학적 구조와 유사하게 조직공학적 접근이 가능하다는 점을 시사하고 있다.

후속연구

Kitson 등은 반응경로 및 반응시간, 반응물, 촉매구성 등을 3차원화하여 최적의 화학반응 조건을 제공할 수 있는 마이크로 유체소자 기반 reactionware 개념을 창안하였다.¹⁰ 이는 향후 약물의 합성을 맞춤형으로 제조할 수 있는 기술적 기반을 마련할 것으로 기대된다. Huang 등은 3D프린팅으로 제작된 마스터에 PDMS 몰딩을 한 후 열반응 하이드로젤 밸브 및 전기히터 소자를 통합화하여 유전물질의 중합효소 연쇄반응 등을 효과적으로 제어할 수 있는 기술을 발표하였다.
8의 광경화 방식의 경우는 기존의 포토리소그래피를 입체적으로 한다는 의미에서 스테레오리소그래피(stereolithography; SLA)라는 이름으로 1980년대에 개발되어 현재 다양한 상용 3D프린터가 활용되고 있다. 광경화 방식의 경우는 앞서 소개한 FDM 방식에 비하여 우수한 형상정밀도 구현이 가능하나, 생체 적합성 및 생분해성에서 향후 많은 검증이 이루어져야 한다. Kwon 등은 acrylated trimethylene carbonate (TMC) 기반의 광경화 고분자 전구체를 합성하고 이를 스테레오리소그래피 시스템에서 마이크로 구조물을 제작하고 생분해성을 검증하였다.
하지만 3D프린팅 결과물의 임상적용의 경우 의료법 규제심의 통과가 매우 까다롭고 현재까지는 일반 병원에서의 관심도가 낮아 대부분 실험실 수준의 R&D 단계에 머물러 있는 실정이다. 향후 3D프린팅 기술의 생체조직공학적 응용은 공정과 소재의 지속적인 개발과 함께 결과물의 체내 적용 무해성 검증이 지속적으로 이루어질 것이다. 특히 생물학적 기능성이 강화되어 실제조직과 유사한 수준으로 활용되거나 전기적 기능성을 추가하여 신체기능을 보완하는 응용기술이 개발됨에 따라 단순 조직치환 및 재생을 넘어서는 활용이 이루어질 것으로 보여진다.
¹¹ 이는 향후 유전자 기반의 진단기술에서의 3D프린팅 기술활용 가능성을 시사한다. 현재까지는 마이크로 유체소자 제작활용에 있어 마이크로/나노급 정밀도 구현이 어렵고 활용할 수 있는 소재가 제한적이어서 마스터 몰드 활용에 그치고 있으며, 이는 향후 관련소재 개발과 더불어 3D프린팅 기술의 고도화가 이루어짐에 따라 기술적 개선이 이루어질 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	3D프린팅 기술이란 무엇인가?	최근 미국, 유럽, 일본 등 제조산업 선진국을 중심으로 제조업 혁신을 위한 3D프린팅 기반기술 및 응용기술 연구가 활발히 이루어지고 있다. 3D프린팅 기술은 3차원 스캔이나 3차원 모델링을 통하여 획득된 디지털 데이터를 적층가공 방식으로 제작하는 가공기술이며, 1980년 대에 광조형 기반의 stereolithography(SLA), 열용착 기반의 fused deposition modeling(FDM)이 고안되었다. 이후 현재까지 많은 파생기술이 개발되어 시작품 제작 수준에서의 활용뿐만 아니라 각종 산업현장에서 기능성 부품으로 직접 활용되고 있다.
	3D프린팅 기술이 실제 부품으로 활용되기 보다는 제품의 시각화 또는 조립테스트용 시작품으로 더 활용된 이유는 무엇인가?	3D프린팅 기술은 디지털 데이터로부터 금형없이 직접적인 생산이 가능하다는 점에서 주로 시제품 제작분야에 효율적인 활용이 이루어져왔다. 또한 일반 플라스틱 사출 공정 혹은 절삭가공 결과물 대비 표면조도, 기계적 강도·강성 면에서의 한계점으로 인해 실제부품으로 활용되기 보다는 제품의 시각화 또는 조립테스트용 시작품으로의 활용이 더 많이 이루어져 왔다.2 의료기기 개발에도 이러한 시제품 제작 수준의 3D프린팅 기술 활용이 많이 이루어지고 있다.
	고분자 생체재료를 이식 가능한 기구로 활용하는 경우 어떻게 분류할 수 있는가?	한편, 고분자 생체재료를 이식 가능한 기구로 활용하는 경우는 체내에서 분해되는 여부에 따라 분해성 고분자와 비분해성 고분자로 분류될 수 있다. 비분해성 고분자와는 달리 분해성 고분자는 체내에서 역할을 마치고 나면 체액의 작용에 의하여 분해되어 잔여물질의 제거를 위한 추가수술이 불필요하다는 장점이 있다.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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