세라믹 소재를 이용한 바이오메디컬용 3D프린팅 기술

윤 희 숙_ 재료연구소 분말/세라믹연구본부 책임연구원

1. 서 론
3D프린팅, ASTM에 의하여 정식명칭 ‘Additive manufacturing (AM)’즉, 첨삭가공이라 규정된 이 기술은 전혀 새로운 개념이 아니다. 1981년 일본의 나고야 시립연구소 히데오 코다마에 의해 최초로 개념이 제안되어졌고, 1984년 미국의 Charles Hull이 디지털 데이터로부터 물리적인 3차원 개체를 인쇄할 수 있는 과정인 Stereolithography를 개발, 특허를 출원하고 이후 3D Systems사를 설립, 1992년에 첫 입체인쇄술인 Stereolithogrphic apparatus, SLA를 개발·상용화한 비교적 오래된 기술이다.
3차원 모델링을 통하여 획득한 데이터를 이용해 원하는 형상을 3차원적으로 손쉽게 재현 가능한 그 특성상 제품개발에 필요한 시간과 비용을 크게 절감할 수 있어 종래에는 ‘Rapid prototyping (RP)’ 즉, 쾌속조형이라는 명칭으로 주로 모형이나 시제품 제작에 이용되어져 왔다.
기술의 고도화와 더불어 출력물의 완성도가 높아지고 적용 가능한 소재가 다양화 되면서 기존 공정기술의 한계를 극복할 수 있는 기술로써 재조명 받기 시작하였다. 즉, 단순한 RP기술이 아닌 다양한 가능성을 지닌 AM기술로 새로이 인식되기 시작하였다. 더불어 저가형 3D프린터의 공급, IT기술의 발달 및 무료로 디지털 데이터를 공유하는 오픈소스 접근법이 도입되어 DIY (Do-it-yourself) 상품군으로 일반 사용자들도 다양한 방법으로 손쉽게 창작활동에 참여할 수 있게 되었다. 즉, 3D프린팅이라는 명칭으로 기술의 대중화가 이루어지고 있다. 이러한 3D프린팅 기술에 대한 관심이 최근 과도하리만큼 뜨거워지고 있다.
아마도 첫째, 3D프린팅 시스템 관련 주요 원천특허 기간이 만료되기 시작한 것. 둘째, 미국정부가 자국의 침체되어 있는 경기를 살리기 위해 제조업 혁신 역량 강화의 일환으로 3D프린팅에 본격적인 투자를 실시하고 2013년 오바마 대통령이 국정연설에서 ‘거의 모든 것을 제조하는 방법의 혁신’으로 기술을 언급하면서 전 세계적인 이슈로 부상하여 EU, 일본, 중국 등 각국이 발 빠르게 대형 기술 육성정책을 쏟아낸 것. 셋째, 3D프린팅의 다양한 적용분야 및 적용방법은 일반인과 전문가 모두의 관심을 끌어내고 욕구를 만족시킬 수 있어 기술의 활용범위가 매우 넓은 것 등을 주요 원인으로 생각할 수 있다. 예측되는 3D프린팅 기술적용 가능분야는 자동차, 항공우주, 의료, 건축, 로봇, 패션, 예술, 음식, R&D 및 개인맞춤형 등 무궁무진하다.
이 중 “개인 맞춤형 다품종 소량생산”이 가능한 3D프린팅 기술의 특징을 가장 잘 활용할 수 있는 분야는 단연 “의료·바이오”분야라 할 수 있다. 수술보조, 인공기관 및 조직재생용 디바이스 등 다양한 의료분야에서 환자 맞춤형 기술을 통한 치료효과의 극대화를 기대할 수 있다. 이미 형성되어 활용되어 지고 있는 시장부터 미래시장까지 광범위하게 분포되어 있으며 시장규모도 다양하다 (표 1). Frost&Sullivan analysis and market participants의 분석에 따르면 현재 전체 3D프린팅 시장의 16%를 의료분야가 차지하고 있으며 향후 그 비율이 증가할 것으로 예상되고 있다 (그림 1). 즉, 2020년까지 전체 3D프린팅 기술시장에서 25%의 수익 (GSV Capital, 2013)을 창출하는 분야로 소비자 맞춤형 (20%) 및 가전제품 (20%)보다 앞선 가장 큰 시장형성이 예측되고 있다. 현재 3D프린팅용 소재는 대부분 열경화 혹은 광경화 고분자 중심으로 형성 (98%)되어 있으며 다음 금속 (1%) 그 외 소재 (1%)로 세라믹은 3D프린팅 시스템과 세라믹 소재 각각의 특성상 활용에 한계를 보이고 있다 (그림 1).
하지만 3D프린팅 기술의 적극적 활용을 위해서 소재의 제약이 풀어야할 가장 큰 과제로 남아있으며 특히 극한소재, 국방소재, 아트 및 의료·바이오 소재로 활용도가 높은 3D프린팅용 세라믹 소재개발은 더욱 그러하다. 의료분야에 있어 세라믹소재는 인체의 운동기능과 직접 관련된 경조직 관련 치료 즉, 정형외과 및 치과치료용 소재로 주로 활용되며, 예상되는 기술시장이 매우 크다. 이에 본고에서는 3D프린팅기술의 일반 개론은 생략하고 의료분야에서의 3D 프린팅, 그 중 이를 위한 세라믹 소재라는 관점에서 3D프린팅 기술을 재조명하고 최근 연구동향 및 활용분야를 소개하고자 한다.

2. 본 론

2.1. 의료·바이오분야에서의 3D프린팅 기술
3D프린팅 기술이 적용 가능한 의료·바이오 분야는 크게 의료기기 (medical device), 의료삽입물 (medical implant), 조직지지체 (tissue scaffold), 세포가 포함된 조직지지체 (cell-embedded scaffold)로 분류할 수 있다.
그 외 3D프린팅 기술은 유전물질 합성 및 생체물질 조작 등에 있어 특성에 맞는 소자의 공간과 유로의 3차원 설계 및 최적의 설계변형을 효율적으로 활용하는 마이크로 유체소자 (microfluidic device) 분야에도 활용될 수 있다.

■ 의료기기
 의료기기는 대부분 체외에서 사용되는 목적으로 진행되므로 일반적인 생체소재에 요구되는 생체적합성을 따로 요구하지 않는 경우가 많다.
3D프린팅기술이 적용되는 대표적인 의료기기 분야로는 수술 예행연습용 모형제작 (surgical guide)이 있다. 의료현장에서 널리 활용되고 있는 CT/MRI 영상기술을 3D프린팅 기술과 접목시켜 3D프린팅 기술의 장점을 극대화할 수 있는 분야이다. 즉, 복잡한 외과수술이 필요한 경우 영상기술을 통해 수술이 필요한 환자의 정보를 확보하고 3D프린터를 통해 수술부위를 그대로 재현한 3차원 구조체를 제조하여 수술방법을 연구·연습하는 것으로 실수로 인한 의료사고를 예방하고 치료효율을 증대시키는 것에 유용하게 활용될 수 있다.
대표적인 사례로 2002년 캘리포니아 주립대 의대에서 시행되었던 샴쌍둥이 분리수술이 있다. 매우 복잡하고 위험도가 높아 수술 전 충분한 수술법에 대한 검토가 필요하나 기존 기술로는 한계가 있었다. 해당 의료진은 3D프린팅 기술을 이용해 미리 영상 데이터로부터 얻은 쌍둥이의 수술부위와 같은 조건의 모형을 제작하고 이를 이용하여 충분한 수술법을 검토하여 기존 97시간 정도가 걸렸던 수술을 22시간으로 획기적으로 감소시켰으며 성공적으로 분리시킬 수 있었다 (그림 2).
2013년 어른의 간을 어린이에게 이식하는 수술을 성공시킨 예도 있다. 일본 코베대학 외과팀은 기증자의 간을 3D 프린팅을 통하여 폴리비닐 알코올로 복제한 후 실제 집도를 하여 간이식 수술을 어떻게 할 것 인지 이해하고 연습하는 것으로 이식수술에 성공하였다. 수술보조용 모형제작 외에 각종 수술용 도구를 효율적으로 적용할 수 있게 유도하는 구조물 제작 등에도 3D프린팅기술이 적용될 수 있다.
■ 의료삽입물
의료삽입물은 임플란트/보철 개념으로 현재 3D프린팅 기술의 적용이 기대되는 가장 큰 시장이라고 할 수 있다. 체내에 이식되어 사용되므로 사용되는 소재에는 생체적합성이 요구되나 생체기능 대체개념이므로 생분해성을 요구되지 않는다.
주로 비분해성 금속 및 세라믹 소재가 활용될 수 있으며 기계적인 강도를 요구하는 치아 또는 골이식재로 사용된다. 특히, 인공치아 제작의 경우 이미 치과에서 사용되고 있는 치아 스캐닝 기술과의 연동으로 환자맞춤형 치아제조과정의 단축과 치료만족도 향상에 크게 기대되고 있으나 소재의 한계와 제작물의 정밀도의 제어가 아직 과제로 남아있다. 정형외과에서는 고관절 비구컵, 대퇴부, 두개골 등 골조직 기능대체물질 제조에 다양한 기술적용 사례가 보고되고 있다. 체내 삽입형 이외에도 3D프린팅 기술의 장점을 살려 체외적용 의족, 의수, 의안, 피부 및 보청기 등 손상된 생체기능을 환자 맞춤형으로 대체하는 보조기구로의 활용도 다양하게 제안되고 있다 (그림 3).

■ 조직지지체
조직지지체는 인체기능을 재생시키기 위한 임시구조물의 개념으로 체내에서 이용되므로 생체적합성이 요구되는 동시에 조직의 재생과 더불어 분해되어 없어져야하므로 생분해성이 요구된다.
지지체는 손상된 인체조직을 기존의 대체 (re-placement)의 개념이 아닌 재생 (regeneration) 시키고자하는 조직공학 (Tissue engineering)의 한 주요인자로 생체적합성, 생분해성 외 효율적 조직재생을 유도하기 위하여 일정 크기영역의 기공이 3차원적으로 상호 연결되어진 구조를 형성하는 것이 바람직하다.
3D프린팅 기술은 기존 지지체 제작법에 비해 높은 재현성을 가지고 기공구조의 면밀한 제어가 가능하며 이식부위 맞춤형 제작이 가능한 장점을 가진다. 인체 대부분의 조직을 재생시키는데 적용될 수 있다고 기대되며, 아직은 근미래기술로 분류되나 활발한 연구 활동을 통하여 매우 높은 실현가능성이 예상되고 있다.
경조직으로 분류되는 뼈와 치아를 제외한 연조직은 생분해성 고분자 소재를 이용하여 혈관, 피부, 근육, 신장, 방광 및 기도 등의 재생을 유도하기위한 3차원 구조체 제조에 적용되고 있다. 경조직은 재생되는 기간 동안 일정한 기계적 물성유지가 요구되므로 생분해성 세라믹, 세라믹/고분자를 중심으로 활용되고 있으며 (그림 4) 최근 3D프린팅에 적용할 수 있는 생분해성 금속개발연구도 시작되고 있다.

■ 세포가 포함된 조직지지체
위의 조직지지체와 같이 체내에서 임시적으로 이용되는 구조체이므로 생체적합성과 생분해성이 요구된다. 세포가 포함된 조직지지체란 지지체의 개념보다는 세포자체를 프린팅하여 3차원 구조체를 제작, 조직재생을 유도하고자하는 개념으로 가장 최근에 형성된 연구분야이다(그림 5).
즉, 기존의 지지체의 경우 3D프린팅으로 지지체를 제작한 후 세포를 배양, 이식하는 개념이 적용되나 세포를 3차원 지지체에 균일하게 분포시키기가 어려워 지지체의 역할을 충분히 이용하지 못하는 문제점이 있다.
이에 지지체와 세포배양을 분리하는 것이 아닌 3차원 구조체를 만드는 프린팅 물질로 세포를 포함한 매트릭스를 이용해 3차원 구조체 전체에 균일하게 세포를 분포시키고자 하는 개념으로 세포를 프린팅하기 위한 매트릭스로 세포외기질 (ECM)과 유사성분 혹은 기능을 가지는 수화겔을 포함한 다양한 물질을 이용하여 각종 인체조직재생유도에 적용되고 있다.

2.2. 의료·바이오분야에서의 세라믹 소재
생체용 세라믹스 즉, 바이오세라믹스란 인체 내에 이식되어 단기간 또는 장기간 동안 손상된 인체의 조직이나 기관의 기능을 치료·대체·회복시키는데 사용되는 세라믹 소재로, 골조직과 화학적으로 유사하거나 우수한 기계적 특성 및 생체친화성으로 인하여 경조직 재건이나 재생에 주로 이용된다. 바이오세라믹스는 이식된 소재의 인체 내 생물학적 반응성에 따라 생체불활성 (bioinert)과 생체활성 (bioactive)으로 나뉘며, 생체활성 세라믹은 또 다시 흡수성 (resorbable)과 비흡수성 (non-resorbable)으로 분류된다.
화학적 조성에 따라 알루미나, 지르코니아, 티타니아, 인산칼슘계 등의 산화물계, 실리카를 포함하는 유리계, 그리고 카본계로도 분류할 수 있다. 또한 그 형상에 따라서 분말, 섬유, 코팅, 벌크계 혹은 다공체와 치밀체로 구분하기도 한다. 바이오세라믹스의 응용분야로는 인공골, 인공관절, 골시멘트, 지지체 및 인공치아 등이 있다 (그림 6).
인공골용 바이오세라믹스에는 골의 무기성분과 같아 생체친화성이 높은 아파타이트계 이외에 유사한 효능이 기대되는 인산칼슘계 및 생체유리계 등이 있다. 정형외과, 뇌신경외과 및 구강외과를 중심으로 적용되고 있으며 그 용도에 따라 여러 가지 형태로 전신에 걸쳐 적용된다. 인공관절의 경우 폴리에틸렌 수지제의 골반측 컵과 그것에 맞혀지는 인공골두, 그리고 골두를 대퇴골에 고정하기 위한 금속제의 지지봉 등의 부품군으로 구성되어 있다. 골두 부분은 과거에는 금속중심으로 사용되어졌으나 현재는 알루미나 및 지르코니아와 같은 불활성 바이오세라믹 소재의 사용이 제안되어지고 있다. 알루미나는 고강도, 고경도 및 치밀한 구면·표면가공에 의하여 저마찰 특성이 실현되고 있다.
한편, 지르코니아의 경우 역학적 특성이 뛰어나 골두, 구개의 외경을 작게하여 골 절삭량을 감소시키는 것이 가능하다. 일반적인 인공골 및 인공관절 등으로 사용되는 세라믹 소재는 소결형 소재이며 복잡한 형상의 골결손부나 골절부 등을 충진하기에는 한계가 있다. 의사들은 복잡한 형상의 환부에도 유연하게 대응할 수 있는 소재를 원하며, 골시멘트는 점토상 혹은 패이스트상이기 때문에 이러한 요구사항을 충족시킬 수 있다. 골시멘트에 있어서 중요한 특성은 경화시간, 주사성, 점착성 및 강도 (압축강도)이다.
경화시간은 수술 시 의사의 조작 및 그 후 수술의 흐름에도 크게 영향을 미치며, 일반적으로 치과용으로는 3분, 정형외과용으로는 8분에 가까운 것이 바람직하고, 말기 경화시간이 15분을 넘지말아야 한다고 알려져 있다.
골시멘트는 해면골처럼 자연골의 가장 약한 부분보다 강해야 충전재로서의 의미가 있으므로 10MPa 이상의 압축강도가 요구된다. 인공치아로는 세라믹소재, 레진 (플라스틱)소재 및 금속소재가 제조되고 있다.
이중 세라믹소재는 내마모성, 내변착색성, 및 음식물의 분쇄능력유지 특성 등 기능성, 심미성 및 생체친화성이 우수하여 세계적으로 널리 사용되어지고 있다. 원료성분은 도자기와 같이 장석, 규석 및 점토 등이 사용되며, 금속산화물로 이루어진 착색재를 배합하여 제조된다.
인공치근은 골과의 친화성을 높이기 위하여 세라믹제의 인공치근 혹은 티탄 위에 생체친화성이 높은 아파타이트 세라믹 등을 코팅하는 여러 가지 방법 등으로 활용되고 있다.
바이오세라믹 시장은 2010년 9.8억 달러로 연간 신장률 6~7%를 감안하면 2018년에는 18.5억 달러 규모로 예측되고 있다 (World medical ceramics market, Acmite market intelligence 분석).
2.3. 바이오세라믹소재 기반 3D프린팅 기술
3D프린팅은 소재, 기술, 프린팅 방법에 따라 표 2와 같이 분류될 수 있으며 모든 기술은 고분자 소재를 기본으로 한다. 분말을 원료로 사용하는 세라믹의 특성상 함께 사용되는 바인더의 제거와 입자 결합을 통한 3차원 형상유지를 위하여 고온소결공정을 대부분 동반하게 된다.

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<자세한 내용은 세라믹코리아 2014년 7월호를 참조바랍니다. 정기구독 회원은 지난호 보기에서 PDF파일을 보실 수 있습니다.>

참고문헌
1. Frontiers of Additive Manufacturing Research and Education, An NSF Manufacturing Workshop Report, 2014
2. Advanced Materials Enabling 3D Printing (Technical Insights) 2014
3. 3D printing of ceramics bio materials, Philippe Chavanne, 2014
4. Bone tissue engineering using 3D printing, Susmita Bose et al, Materials Today 16, 496-504, 2013
5. 3D printing-ushering of a new healthcare era, Technical insight, Frost & Sullivan, 2013
6. 3D프린팅 기술 현황과 응용사례, 한국방송통신전파진흥원, 2013, 6, 1-16
7. 바이오소재의 지속적 개발과 3D프린팅 맞춤식 기술활용 확대추세, 보건산업 동향, 1-16, 2013, 6. 1-16
8. 삶의 질 향상을 위한 바이오세라믹 소재, 월간세라믹스, 22-27,2014
9. Resorbable dicalcium phosphate bone substitutes prepared by 3D powder printing, Uwe Gbureck et al. Advanced Functional Materials, 2007, 17, 3940-3945
10. Simultaneous immobilization of bioactives during 3D powder printing of bioceramic drug-release matrices, Elke Vorndran et al. Advanced Functional Materials, 2010, 20, 1585-1591
11. Three-dimensional mesoporous-giantpor-ou inorganic/organic composite scaffolds for tissue engineering, Hui-suk Yun et al. Chemistry of Materials, 19, 6363-6366, 2007
12. Design and preparation of bioactive glasses with hierarchical pore network, Hui-suk Yun et al, Chemical Communications, 2139-2141, 2007
13. Biomimetic component coating on 3D scaffolds using high bioactivity of mesoporous bioactive ceramics, Hui-suk Yun et al, International Journal of Nanomedicine, 6, 2521-2531, 2011
14. A simultaneous process of 3D magnerium phosphate scafold fabrication and bioactive substrance loading for hard tissue regeneration, Jongman Lee, Materials Science Engineering C, 36, 252-260, 2014
15. Effect of gelatin addition ofn fabrication of 3D porous bioceramic scaffold using additive manufacturing system, M.M.Farag et al. Materials Letters, 2014
16. The preparing method of core-shell structure scaffold for hard tissue regeneration and the scaffold for hard tissue regeneration thereby, 윤희숙 외 2, PCT/KR 2014/002205

윤희숙 박사
2004 University of Tokyo 재료학전공 박사
2004 National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Japan 박사후 연구원
2005 Waseda University 강사
2006~현재 재료연구소 엔지니어링세라믹연구실 책임연구원
2011~현재 UST 신소재공학과 겸임교수

표 1. 3D프린팅 기술시장의 시장규모 및 실용화 단계별 분류 (GSV Capital 2013)

그림 1. 3D프린팅 시장 및 소재 (Frost&Sullivan, 2014, Advanced materials enabling 3D printing, technical insights)

그림 2. 3D프린팅 기술을 이용한 수술가이드용 생체모사구조체 제조 및 그 활용printing, technical insights)

그림 3. 3D프린팅 기술을 이용한 생체기능대체용 구조체 개발 예

그림 4. 3D프린팅으로 제조된 생분해성고분자-생체활성유리 복합 지지체

그림 5. 상이한 두가지 세포로 3차원 프린팅된 세포가 포함된 지지체

그림 6. 바이오세라믹스의 다양한 응용분야

표 2. 3D 프린팅 기술 분류 (ASTM International, 2012)
기술분류 기술정의 소재
그림 7. 3D프린팅 기술을 이용한 세라믹 도기제작 예

그림 8. 의료부품 제작에 활용되는 대표적 3D프린팅 기술

표 3. 조직재생용 지지체 제조에 활용되는 3D프린팅 시스템 예

표 4. 골재생용 지지체 제작을 위한 3D파우더 프린팅 예

그림 10. 3D프린팅 기술을 이용한 세라믹 소재기반 3차원 지지체 실온 공정 (좌측 지지체 위쪽 왼쪽에서 시계방향으로 인산마그네슘, 인산칼슘, 인산마그네슘-젤라틴/키토한/아파타이트 마이크로입자 복합체, 인산마그네슘-젤라틴 복합체)

그림 11. 3D프린팅기술의 치과치료 적용 예 (일본)

그림 12. 3D프린팅 기술을 이용한 지르코니아 임플란트 제조 예 (왼쪽부터 스캐닝→3D프린팅으로 임플란트 제작→이식)