뼈암 환자 멀쩡한 관절 도려낼 필요 없다! 3D 프린팅 티타늄 임플란트 기술 개발
뼈암 환자 멀쩡한 관절 도려낼 필요 없다! 3D 프린팅 티타늄 임플란트 기술 개발
  • 이웃집과학자
  • 승인 2021.07.27 16:25
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UNIST(총장 이용훈) 기계공학과 정임두 교수팀은 국립암센터 박종웅 교수 연구팀, 경상대학교 성효경 교수 연구팀과 공동 연구를 통해 3D 프린팅으로 제작한 금속 인공 뼈(임플란트)를 활용해 뼈암(골종양)절제 부위를 최소화할 수 있는 기술을 개발했습니다. 뼈 속 암 발생 부위가 환자의 관절부위와 가까우면 멀쩡한 관절도 인공관절로 대체해야 했던 기존 문제를 환자 맞춤형 3D 프린팅 제조 기술로 해결해, 자가 관절은 보존하고 수술 비용과 회복 시간을 줄일 기술로 주목받고 있는데요. 

 

뼈암은 주로 팔, 다리뼈에 생기며, 정형외과적 수술로 종양 부위를 제거하는 치료법을 씁니다. 암세포를 완전히 제거하기 위해 뼈를 충분하게 절제하고 복잡한 수술을 거쳐 표준화된 금속 인플란트를 심는 것이죠. 이러한 방식은 암이 침범하지 않는 관절도 암과 거리가 가까울 경우 함께 절제하고 표준화된 인공관절로 교체해야하는 문제가 있었습니다. 

불안정적 임플란트 사례 a: CT 촬영사진, b: X-ray 촬영사진, c: 제거된 임플란트 사진. 출처 : UNIST
불안정적 임플란트 사례 a: CT 촬영사진, b: X-ray 촬영사진, c: 제거된 임플란트 사진. 출처 : UNIST

공동 연구팀은 맞춤형 3D 프린팅 임플란트 설계와 제조 기술로 이러한 문제를 해결했습니다. 환자의 다리 뼈 중 암이 침범된 부분만 최소 절제하고, 무릎 관절은 그대로 보존해 보행 기능을 최대한 회복하도록 돕는 3D 프린팅 인공 뼈를 설계하고 만들었는데요. 이를 위해 의학적, 기계적, 재료 역학적 분석 등 다양한 분석을 실시했습니다.  

 

인공 뼈 재료로는 생체 적합성이 뛰어난 티타늄 합금(Ti-6Al-4V)을 사용했으며, 금속 3D 프린팅 방식 중 하나인 전자빔 융용 기법(EBM, Electron Beam Melting)으로 맞춤형 인공 뼈를 찍어냈습니다. 전자빔 융용법은 합금 분말을 전자빔으로 녹여 인공 뼈 모양을 잡는 방식입니다. 

 

개발된 3D 프린팅 인공 뼈는 환자 맞춤형·일체형으로 제작돼 수술 시간과 회복 시간을 줄일 수 있다는 장점도 있습니다. 기존에는 표준화된 인공 뼈를 환자 근육과 결합하기 위해 특수한 천을 두르는 별도의 수술 과정이 필요했습니다. 또 연구팀은 환자 보행 시의 하중, 인공 뼈 구조, 재료 미세 구조 등을 체계적으로 분석해 안정적으로 오래 쓸 수 있는 3D 프린팅 인공 뼈 구조 등을 추가적으로 찾아냈습니다. 

3D 프린팅 Ti-6Al-4V 임플란트(인공 뼈)를 이용한 골종양 치료 진행과정. 1단계: 뼈암의 최초진단 및 관절보전을 위한 수술 기획. 2단계: 종양절제범위 계획 및 그에 따른 골결손 크기 측정. 3단계: 메쉬&솔리드 하이브리드 구조의 임플란트 설계. 4단계: Ti-6Al-4V소재의 임플란트를 EBM 방식으로 제작. 5단계: 제작된 임플란트를 환자의 뼈가 제거된 부위에 삽입하고 봉합. 출처 : UNIST
3D 프린팅 Ti-6Al-4V 임플란트(인공 뼈)를 이용한 골종양 치료 진행과정. 1단계: 뼈암의 최초진단 및 관절보전을 위한 수술 기획. 2단계: 종양절제범위 계획 및 그에 따른 골결손 크기 측정. 3단계: 메쉬&솔리드 하이브리드 구조의 임플란트 설계. 4단계: Ti-6Al-4V소재의 임플란트를 EBM 방식으로 제작. 5단계: 제작된 임플란트를 환자의 뼈가 제거된 부위에 삽입하고 봉합. 출처 : UNIST

제1저자인 국립암센터 근골격종양클리닉 박종웅 교수는 “이번 연구로 가장 역학적으로 악조건에 노출되는 하지의 장골(long bone)에 대한 심도 있는 분석이 이루어져, 향후 어떤 부위의 임플란트라도 기계적 안정성을 확보할 수 있는 기반을 마련했다”고 설명했습니다. 교신 저자로 연구를 총괄한 정임두 교수(3D 프린팅 융합기술센터)는 “단순히 3D 프린팅 프로토타입을 제조하는 수준을 벗어나, 고부가가치를 창출할 수 있는 의료 산업 분야에 3D 프린팅 기술을 적용한 좋은 실증 연구”라며, “3D 프린팅 기술은 향후 자동차, 항공, 국방 등 다양한 산업 분야와의 융합연구를 통해 제조 산업 전반에 걸친 혁신을 이룰 수 있는 중요한 공정 기술이 될 것”이라고 강조했습니다. UNIST 3D 프린팅 융합기술센터장인 김남훈 교수는 “이번 연구는 UNIST가 보유한 3D 프린팅 제조 기술을 전문기관의 지식과 융합한 사례”라며, “앞으로 전문기관과의 지속적인 협력을 통해 UNIST가 보유한 3D 프린팅 기술 역량을 제조 산업 선진화에 적극 활용해 나갈 계획”이라고 설명했습니다. 

 

연구 수행은 보건복지부 소속 국립암센터의 지원을 받아 이뤄졌으며, 연구 결과는 스프링거 네이쳐(Springer Nature)에서 출판하는 의료 제조 분야 국제 학술지인 바이오-디자인 앤드 매뉴팩처링 (Bio-Design and Manufacturing)에 7월 6일 자로 게재됐습니다. (끝) 

논문명 : In vivo analysis of post‑joint‑preserving surgery fracture of 3D‑printed Ti‑6Al‑4V implant to treat bone cancer

 

용어설명

1. 뼈암 (bone malignancy)

뼈암은 뼈에 발생하는 악성 종양으로 나이와 부위에 따라 호발암이 다르다. 소아에서는 골육종 (osteosarcoma)와 유잉육종 (Ewing sarcoma)가 대표적이며, 성인에서는 연골육종 (chondrosarcoma)가 빈도가 높다. 

2. Ti-6Al-4V

티타늄(Ti), 알루미늄(Al), 바나듐(V)의 합금. 가장 널리 사용되는 티타늄 합금의 한 종류로 생체적합성이 높아 의료용 임플란트에 사용되며 우수한 내식성, 높은 기계적 특성으로 인해 항공우주 분야에서도 사용된다. 

3. 전자빔 소결 방식 (EBM, Electron Beam Melting)

금속 3D 프린팅 기술 중 하나로 레이저가 아닌 전자 빔을 사용해 금속 분말을 녹여 형상을 만드는 기술이다. 상대적으로 우수한 기계적 특성을 가진 금속부품을 제조할 수 있다는 특징이 있으며 의료산업에서 주로 사용된다.


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