Special 차세대 바이오 융합소재 개발 및 산업응용 동향(2)

바이오세라믹 기반 3D 프린팅 소재 및 공정기술 최신 동향

강문성_부산대학교 인지메카트로닉스공학과 석박사통합과정
김춘태_부산대학교 BIT융합기술연구소 박사후연구원
문종식_경일대학교 소방방제학과 교수
한동욱_부산대학교 광메카트로닉스공학과 교수
오진우_부산대학교 나노에너지공학과 교수

1. 경조직 재생을 위한 바이오세라믹 및 3D 프린팅 기술 활용 가능성

뼈, 치아, 연골을 포함한 인체의 경조직은 특정한 유형의 세포와 유기 및 무기질로 구성된 세포외기질(extracellular matrix, ECM)로 구성된다. 같은 경조직일지라도 그 목적과 특성에 따라 다른 세포종과 세포외기질로 구성되어 있는데, 뼈는 골아세포(osteoblast), 골세포(osteocyte), 파골세포(osteoclast)의 세포종과 석회화된 세포외기질로 구성되며 대부분 수산화인회석(hydroxyapatite, HAp)으로 이루어져 있다[1]. 반면에, 치아는 혈관과 신경이 연결된 치수 표면으로 상아질, 백악질, 법랑질의 다른 고도로 석회화된 경조직이 감싸고 있는 형태이다[2]. 관절 연골, 코, 귀 등의 연골은 섬유아세포(fibroblast), 연골모세포(chondroblast), 연골세포(chondrocyte)로 구성된 세포종과 아교섬유로 이뤄진 섬유성분 및 글리코스아미노글리칸(glycosaminoglycan, GAG)과 히알루론산(hyaluronic acid, HA)을 주성분으로 하는 당단백질(glycoprotein)이 포함되어 있다[3, 4]. 이러한 경조직은 체내의 형태를 유지하고, 중요 장기를 외부 충격으로부터 보호하며, 조혈(혈액의 세포 성분 형성) 작용뿐만 아니라 칼슘, 인 등의 미네랄을 저장하는 기능 및 신진대사와 같은 기본적인 생물학적 기능을 수행한다[5]. 하지만 노화, 퇴행성 질환, 외상 등으로 인해 뼈는 자주 손상을 입으며, 특히 국내 여성의 경우 50세 전후 폐경에 의한 에스트로겐 감소로 인해 급속한 골밀도 손실을 겪으며 65세 이상 여성의 경우 2~3명 중 한명은 골다공증을 겪고 있다[6]. 골조직의 노화에 의해 조골세포의 골생성능이 저하되게 되고 골기질(bone matrix)이 점점 엉성해지고 얇아져서 척추, 대퇴골, 손목뼈 등이 쉽게 부러지게 된다. 현재 주로 사용되는 정형화된 골대체재는 환자의 골결손 부위와 정확히 일치하지 않아 골유합(osseointegration) 및 신규 골형성능이 떨어지며 주변 골세포의 부착, 이동, 증식, 분화 등의 거동을 촉진할 수 있는 생체활성(bioactivity)이 낮다는 단점 때문에 골조직 재생 기능성을 갖춘 맞춤형 골대체재 제작을 위한 새로운 기술 개발의 필요성이 대두되고 있다[7-11].

  바이오세라믹(bioceramic)은 체내에 이식할 수 있는 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconia), 인산칼슘계(calcium phosphate) 등을 포함하며, 생체활성(bioactive) 세라믹과 생체불활성(bioinert) 세라믹으로 분류할 수 있다. 알루미나, 지르코니아 등의 생체불활성 세라막은 이식 이후에 세라믹을 코팅하는 초기 섬유조직반응(fibrous tissue reaction)을 유도하는 것 이외에는 생체 내 환경과 상호작용하지 않는다[12, 13]. 반면, 인산칼슘계로 대표되는 생체활성 세라믹은 살아있는 골조직과 생화학적으로 상호작용하여 몇 단계를 거치게 되면 완전한 생체와의 결합이 유도되는 세라믹이다[14]. 이러한 바이오세라믹은 성형, 압축 및 고온으로 가열(소결)하면, 고분자 및 금속 재료와 비교하여 고밀도, 고강도, 우수한 내식성, 우수한 생체적합성 및 높은 내마모성을 갖기 때문에 정형외과 및 치과용 임플란트로 사용되기에 적합한 특성을 가질 수 있다[15].
  3차원 프린팅(3D printing)은 SFF(solid freeform fabrication), AM(additive manufacturing), LM(layered manufacturing), RP(rapid phototyping) 등의 이름으로도 불리며, 컴퓨터 지원을 이용하여 고형의 물체를 레이어 단위로 생성할 수 있는 기술이다. 치과 및 정형외과 분야에서도 기존의 아날로그 방식에서 4차 산업혁명의 핵심기술인 3D 프린팅 중심으로 변화하여 맞춤형 임플란트 제작에 있어서 관련 연구가 활발히 진행되고 있다[16-18]. 이러한 3D 프린팅 기반 치과 시스템은 3차원 구강 스캐너 및 CAD (computer-aided design) 소프트웨어로 모델링 과정을 거치며, 제작된 모델은 소재와 임플란트의 특성에 맞춰 다양한 방식의 3D 프린팅에 의해 제작된다(그림 1). 따라서 본 특집에서는 환자 맞춤형 임플란트 제작을 위한 차세대 바이오세라믹 기반 융합 소재를 이용한 3D 프린팅 공정기술과 생물학적 특성 및 치과와 정형외과 영역에서의 활용 가능성에 대해 소개하고자 한다.

그림 1 . 바이오세라믹 3D 프린팅의 주요 공정 분류.

2. 바이오세라믹 기반 3D 프린팅 공정기술

바이오세라믹 소재 기반 3D 프린팅 공정 방식은 그림 2와 같이 크게 슬러리 기반, 분말 기반 및 벌크 고체 기반 3D 프린팅으로 나뉠 수 있다.

2-1. 슬러리(slurry) 기반 3D 프린팅

1) 광 조형(stereolithography, SL) 방식
SL 방식은 자외선 또는 레이저를 감광성 고분자에 집중시켜 작동하는 방식이다. SL 방식은 3D 모델링 소프트웨어를 사용하여 프로그래밍이 된 원하는 형태를 제작하고 감광성 고분자 슬러리(미세한 고체 입자가 물속에 분산한 현탁액 또는 고체와 액체의 혼합물)가 들어 있는 수조의 표면에 조사한다. 감광성 고분자는 자외선을 받으면 화학적으로 응고(가교화)되고 물체의 단일면을 형성한다. 이후 3D 프린터는 플랫폼을 한 층 낮춘 후, 블레이드를 통해 탱크의 상단을 다시 채운 후 동일한 공정을 진행한다. 이 과정이 각 레이어에 대해 반복되어 최종적으로 3차원 형태의 인쇄물을 제작하게 된다. 이후 잔여 레진을 제거하고 최종적으로 자외선을 몇 시간 쬐어 완전히 경화시키는 후처리 과정을 진행한다. 또한 SL 방식이 한 점에 레이저를 조사하여 시간이 오래 걸리는 반면에 한 층의 모든 가교점에 동시에 UV를 조사함으로써 공정시간을 줄인 DLP(digital light processing) 방식도 존재한다. 이러한 광조형 방식은 10-30 um의 높은 해상도를 가짐과 동시에 비교적 큰 크기의 인쇄물을 제작할 수 있다는 장점이 있다[19, 20]. 하지만 후처리 과정을 통해 잔여 레진을 제거해 줘야 하며 제거가 안 된 잔여 레진의 독성이 문제가 될 수 있다는 단점 또한 존재한다.

그림 2 . 바이오세라믹 3D 프린팅 공정 모식도. (A, B) 슬러리 기반 3D 프린팅: SL 방식(A-우 상단) 및 TPP 방식(A-우 하단). DIW 방식(B). (C) 분말 기반 3D 프린팅: SLS 방식(C-우 상단) 및 powder 3DP 방식(C-우 하단). (D, E) 벌크 고체 기반 3D 프린팅: LOM 방식(D). FDM 방식(E).

그림 3. 광 조형 방식으로 제작한 3D 프린팅 CaCO3/SiO2(CS5) 지지체. (A) laser-assisted gelling 장치 구성: (1) CO2 레이저, (2) 레이저 스캐너, (3) 플랫폼, (4) 스크래퍼, (5) 연료 주입기. (B) 지지체 위에서의 세포 생존율. (C) 지지체의 미세구조(위) 및 실물 이미지(아래). (D) 지지체 위에서 배양한 골전구세포의 면역형광염색 이미지(녹색: f-actin, 청색: 핵).

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