[인사이트코리아=노철중 기자] 최근 3D프린팅 기술을 적용할 수 있는 분야가 늘면서 의료·바이오 분야까지 그 영역이 확대되고 있다. 바이오 3D프린팅 기술로 인공 장기를 만들기 위한 연구가 활발히 진행 중이며 금속 3D프린팅 기술로 제작한 인공뼈(임플란트)는 실제 수술에 적용되고 있다.

한국생산기술연구원(생기원)은 지난해 금속 3D프린팅 기술을 활용해 티타늄 소재의 인공 발목뼈를 설계·제작하고, 인하대병원이 실제 환자에게 이식하는 수술을 성공적으로 진행했다. 대상 환자는 60대 여성으로 왼쪽 다리의 거골(발목 가장 위쪽뼈)에 혈액이 공급되지 않아 괴사하면서 발목이 정상적인 기능을 수행하지 못했던 환자다. 특히 지난 1년 동안 정상적인 걸음조차 제대로 딛지 못했으며, 2차적으로 발생한 관절염으로 인해 극심한 통증을 겪고 있었다.

기존 수술방법으로 유합술·치환술 등이 있지만, 유합술은 수술 후 발목 관절이 움직이지 않아 자연스러운 걸음을 걸을 수 없고, 치환술은 상당히 고가여서 접근성이 떨어진다. 이에 따라 생기원은 3D프린팅 의료기기 전문기업 큐브랩스와 함께 가볍고 인체에 무해한 티타늄 소재와 금속 3D프린팅 기술을 활용해 고강도 인공 거골을 환자 맞춤형으로 특별 제작했다.

인공 거골은 인체의 좌우 무게균형을 위해 중량을 최소화하면서도 충분한 구조적 강도를 갖출 수 있도록 생기원의 독자적인 적층제조특화 설계기술이 적용됐다. 또한 금속적층 공정제어를 통해 티타늄 분말을 10㎚ 직경의 금속 간 화합물로 만들어 거미줄처럼 연결함으로써 고강도를 구현해 최종 완성해냈다.

이에 앞서 생기원은 2018년 세계 최대 규모의 티타늄 소재 인공 흉곽(가슴뼈)을 제작하고 실제 수술도 성공해 주목받은 바 있다. 이 인공 흉곽은 순수 티타늄 소재로 가로 286mm, 세로 172mm 크기로 세계 최대 규모다. 생기원의 기술 이전을 받은 3D프린팅 의료기기 전문기업 벤타쓰리디가 설계에서부터 제작에 이른 전 과정에 참여했다.

생기원은 지난해까지 두개골 2건, 흉골 5건, 골반 1건, 거골 1건 등 총 9건의 수술 성공 사례를 보유하고 있다. 이를 가능하게 한 사람은 김건희 3D프린팅기술센터 수석연구원(센터장)이다. <인사이트코리아>는 김 수석연구원과 인터뷰를 통해 의료에 쓰이는 금속 3D프린팅 기술에 대해 얘기를 나눴다.

‘맞춤형 임플란트 제조를 위한 금속 3D프린팅 공정기술’ 연구가 구체적으로 무엇을 연구하는 것인지 설명 부탁드린다.

“맞춤형 임플란트는 인체 내 경조직(뼈·치아 등)이 제 기능을 못하거나 질병으로 인해 손실될 경우 이를 대체할 수 있는 것으로 기존 것과 동일 또는 결손되는 부분을 그대로 채우거나 기존 것보다 내구성·기능성 측면에서 향상된 구조로 제작돼 인체 내 식립되는 것이다. 따라서 질병치유, 삶의 질 향상에 필수적인 것으로 기존의 획일적인 의료기기로는 불가능한 인체 내 영역까지 치료행위에 대한 대응이 가능하다.

인체 내 식립되는 임플란트는 현재까지 인체 식립이 가능하도록 승인된 일부 금속소재(순수 티타늄·일부 티타늄 합금·코발트크롬 합금 등)로 제작되는데 이러한 소재를 이용해 요구되는 기계적·물리적 성능의 임플란트를 3D 프린팅으로 제조하기 위한 기술을 금속 3D프린팅 공정기술로서 형상정밀도 및 고밀도 품질 확보, 금속 미세조직 제어 등의 기술내용을 포함하고 있다.”

적층성형가공이란 무엇인가.

“흔히 국내에서는 3D프린팅이라고 지칭하는 기술의 보편적·표준화된 명칭이라고 할 수 있다. 전 세계적으로 ‘Additive manufacturing’이라는 표현을 사용하고 있으며, 이를 한국어로 풀이하면 적층성형가공, 적층제조라고 할 수 있다. 단어 의미 그대로 3D프린팅이라는 특화된 명칭보다 소재를 한층 한층 쌓아서 부품 및 제품을 만드는 제조공정을 광범위하게 표현하기 위한 표준화된 명칭이다.”

생기원의 인공뼈 설계·제작 사례로 두개골 2건, 흉골 5건, 골반 1건, 발목뼈 1건 등이 있는데 수술 후 환자가 정상을 되찾았는지 궁금하다.

“현재까지 연구자 임상시험을 통해 수술을 하신 분들은 의도한 수술내용 및 예후와 같이 생활하고 계시며, 임상적으로 지속적인 추적관찰을 하고 있다.”

최근 수술에 성공한 발목뼈 개발 과정과 수술하기까지 의사와 어떤 협력이 이뤄졌는지 궁금하다.

“맞춤형 임플란트, 맞춤형 인공구조물 등은 결손이 발생된 부위 또는 치료를 위해 일부 조직을 제거해야 하는 예상 부위를 대체할 수 있는 것을 의미한다. 해당 수술적 치료를 위한 맞춤형 인공뼈를 제조하기 위해서는 수술을 진행하는 의료진과 매우 긴밀한 협의가 필요하다. 즉, 결손부의 크기 및 수술적 치료를 위한 제반 사항에 대한 의료진의 의견을 바탕으로 정해진다. 의료용 영상 데이터를 기반으로 결손부를 정확하게 추출, 역설계하고 이를 수술적 치료법에 적합한지와 수술 시 인공뼈 고정을 위한 방법 등에 대해 수술을 진행하는 의료진과 사전 협의를 거친다. 필요 시 플라스틱 3D프린팅 등으로 해당 모형을 만들어서 인공뼈 설계안에 대한 최적화를 수행하기도 한다. 이런 과정에서 해당 인공뼈가 기계적, 물리적으로 가져야 할 성능 등에 대해 모두 결정되며, 해당 성능 및 수술과정에 적합한 구조로 최종 설계·제조한다.”

사람 몸에는 수많은 뼈들이 있는데 어떤 뼈가 제조하는데 가장 난이도가 높나.

“인공뼈 모두 제조의 난이도가 있으나, 특히 동적·정적 하중이 크게 작용하는 부위의 인공뼈 설계·제조가 난이도가 있는 편이다. 또한 기존 조직과 견고하게 고정하기 위한 구조가 난해한 경우도 있는데, 특별한 부위에 대한 특징도 있으나 결손부 케이스별로 난이도는 차이가 있을 수 있다.”

해외와 비교했을 때 국내 의료용 3D프린팅 기술은 어느 정도 수준인지 궁금하다.

“의료분야의 금속 3D프린팅 기술은 선진국과 대비해 우수한 기술 수준을 가지고 있다고 자부할 수 있을 것 같다. 그러나 신의료기기 등에 대한 임상시험, 허가 등의 규제 측면에서 차이가 있기 때문에 국가별로 좀 더 다양한 사례가 있는 것도 사실이다. 국내에서 수행된 대부분의 임상시험 케이스가 선진국에서 선행된 사례이며, 최근 국내에서도 좀 더 다양하고 부가가치가 높은 품목에 대한 임상시험 시도가 많이 진행되고 있는 것 같다.”

발목뼈 개발을 같이한 큐브랩스가 언론의 주목을 받고 있다. 큐브랩스와 인연은 어떻게 시작됐나.

“큐브랩스는 생기원으로부터 금속 3D프린팅 기술이전을 받으면서 관련 사업을 시작하게 됐다. 현재도 관련 기술 이전을 진행하고 있으며, 큐브랩스는 금속 3D프린팅 공정을 기반으로 한 의료기기 제조소를 구축하고 GMP를 확보했으며, 3D프린팅 기반 맞춤형 임플란트 일부 제품에 대한 품목허가도 확보했다. 생기원에서 진행한 임상시험 과정의 많은 부분을 함께 진행해 왔으며, 인공 발목뼈 뿐만 아니라 그 이전부터 흉골·골반뼈 등에 대한 임상시험도 같이 진행하고 있다.”

현재 진행하고 있는 연구는 무엇이며 도전하고 싶은 과제가 있나. 향후 계획에 대해 말씀 부탁드린다.

“현재 인공뼈 금속 3D프린팅 기술 분야에서는 적용 범위를 더 넓혀가기 위한 노력을 지속하고 있다. 개발을 진행하는 방향은 금속 소재 인공뼈이지만 기존 인체 경조직과 유사한 물성 성능을 가질 수 있게 설계·제조해 인체 친화성을 보다 높이고 좀 더 정밀하게 만드는 것이다. 아울러 기계적 성능 확보의 난이도가 높은 환자 맞춤형 인공 관절 부품에 대한 기술개발도 지속할 예정이다.”

국내 의료 관련 3D프린팅 기술이 발전하기 위해 정부의 어떤 지원이 필요하다고 생각하나.

“금속 3D프린팅으로 제조한 의료용 인공구조물에 대한 인식이 예전보다는 많이 나아졌다. 하지만 아직까지 임상시험, 품목허가 등을 위한 심사와 규제 측면에서 더 많은 개선의 노력이 필요할 것으로 생각한다. 아울러 허가용 임상 등을 진행하기 위한 정부의 지원방안이 보다 확대된다면 국내 의료기기 기업들의 부가가치 향상을 위한 노력에 많은 도움이 될 것 같다.”

이러한 기술이 미래 사회에 어떤 영향을 미치기를 바라나.

“무엇보다 의료 분야에서 기존에 치료를 받지 못했던 부분도 근본적인 해결이 가능하다는 관점에서 관련 기술 개발에 더욱 관심을 가지고 주력하게 되는 부분이 있다. 금속 3D프린팅 기술이 의료 분야 외 다양한 산업 분야에 서 가치를 높이고 기능을 극대화할 수 있는 것과 같이 기술이 우리 삶의 질 향상에 더욱 큰 영향을 줄 수 있도록 하는 것이 가장 궁극적인 목표다.”