이전 칼럼에 용어정립에 이어서 3D Fit 보형물을 제작하고 인체에 삽입하는 과정에 관해서도 몇 가지 방법을 구체화해 보았다.

1. 3D modeling 후 manual temporary implant, mold, final implant 제작

a. CT image를 통한 인체 bone의 3D modeling
b. 3D model에 삽입하고자 하는 보형물의 모형 제작
c. 보형물 모형을 이용한 주형(mold) 제작
d. 주형을 이용한 인체 삽입 가능한 최종 보형물 제작(silicone etc.)
e. 최종 보형물 소독 (EO or gamma sterilization)
f. 수술을 통한 최종 보형물 삽입

이 방법은 현실적으로 성형외과 영역에서 가장 많이 하는 실리콘 보형물을 환자 맞춤형으로 제작하기 위해 생각해 본 방법으로 재료의 안정성 확보 측면에서는 굉장히 우월하지만, 제작 과정의 번거로움이 실제적 활용에 제한을 주므로 많은 단점이 있다.

2. 3D modeling & 수술 중 manual implant 제작

a. CT image를 통한 인체 bone의 3D modeling
b. 3D model의 소독
c. 수술 중 3D model을 이용한 최종 삽입 보형물 제작 (bone cement etc.)
d. 보형물 경화 완료 후 보형물 삽입

이 방법은 뼈 대체 보형물을 제작하기에 가장 현실적인 방법으로, 제작 과정 또한 첫 번째 방법보다 단순화된 방법이라는 장점이 있다. 하지만 매뉴얼로 보형물을 제작하는 방식이기에 의사의 경험과 손재주에 좌우되는 단점이 있다.

3. 3D modeling & final implant 제작

a. Computer imaging, simulation, design을 통한 보형물 제작
b. 최종 보형물 소독 (EO or gamma sterilization)
c. 수술을 통한 최종 보형물 삽입

이 방법이야말로 궁극의 환자 맞춤형 보형물 제작 기법으로 모든 것이 자동화된 방식이다. 하지만 이 과정은 모델링을 하는 사람 또한 의학적 지식이 풍부해야 하며, 수술하는 의사와 완벽한 소통이 이뤄지지 않을 때는 수술 결과가 의사가 아닌 모델러에 의해 결정된다는 단점을 내포하고 있다. 또한, 3D 프린터로 출력할 수 있고 인체에 삽입 가능한 재료가 많지 않기에 활발한 활용을 가로막고 있다.

그다음으로는 실제 임상 적용에 있어서의 문제점 및 해결방향에 대해 언급하고자 한다.

1). Printer 특성 및 사용 material의 한계

실재 임상에 적용하기 위해서는 다른 산업 분야와는 다른 의료분야만의 문제점 및 제약이 있다. 일단 환자의 몸에 삽입될 수 있는 재료는 굉장히 제한적이다. 즉 보형물로 제작 가능한 재료는 그 종류가 굉장히 제한적이고, 그 제한된 종류를 3D printer에 사용할 수 있는 재료는 현재 제한적으로 이용되는 Titanium과 PEKK 정도가 알려졌다.

하지만 이 재료를 사용하기 위해서는 10~25억 원 상당의 전용 프린터가 필요하고 사용되는 재료가 국내 의료법상 따로 허가를 받아야 하기에 3번째 방식의 보형물 제작은 현실적으로는 거리감이 있다. 그나마 현실적으로 이용 가능한 방법은 첫 번째와 두 번째 방법인데, 첫 번째 방법에서 몰드 제작은 인체 무해한 재료로 제작 또는 출력할 수 있지만, 실재 삽입가능한 재료를 몰드를 통해 제작하는 것은 몰드의 물리적 강성이나 재료적 특성이 금속 몰드를 대체할 만큼 견고하지 못하여 제한이 있는 것이 사실이다. 또한, 설사 가능한 재료가 있다 해도 몰드 제작 전 단계인 임시 임플란트를 두 번째 방법과 같게 진행해야 하므로 불필요한 과정만 추가되는 방식이 되어 버린다.

이러한 방법을 탈피하기 위해서는 몰드 자체를 프린팅하는 방식이 있으나 이 방식은 컴퓨터 상에서 보형물의 모양을 실제 수술과정처럼 완전히 시뮬레이션해야 하는데 아직 전용 프로그램 개발이 이뤄지지 않아 한계가 있다.

결국, 두 번째 방법을 실제 임상에 적용하기로 한 후 수술장 내로 소독하여서 들어갈 수 있는 재료를 출력할 수 있는 프린터를 찾게 되었고, 두 개의 프린터로 압축되었다. 첫 번째가 3D systems 사의 projet 모델이었고, 두 번째가 stratasys사의 objet 모델로 압축되었다. 결론은 3Dsystems사의 모델이 빌드사이즈, 해상도 및 출력물의 표면정밀도, 재료의 ISO 109933 및 USP Class IV 통과를 만족하게 해 선택이 되었다.

2) Dental CT와 3D printer의 궁합

대학병원급의 기관에서 촬영하는 3D CT는 개인 의원의 cone beam CT와는 그 해상도와 분해능에서 많은 차이가 있다. 하지만 개인 의원의 특성상 비용과 공간을 많이 차지하는 medical CT는 의원급에서는 설치하기가 쉽지 않은 것이 현실이고, 그 대안으로 사용하는 Dental CT(cone beam 방식)는 그 해상도와 분해능에서 한계를 보이는 것이 사실이다. 이미 보유하고 있는 장비의 CT 이미지로 각 회사의 다양한 모델로 프린트를 의뢰하여 구매 전 그 효용성에 대해 테스트했고, 거의 모든 장비에서 실제 활용 가능한 출력물을 얻을 수 있었다.

다만 원본 CT image의 특성상 얇은 안면골에서는 연부조직 noise가 있어 그러한 부분에 대한 소프트웨어적인 처리의 필요성이 대두했다. 하지만 하악과 같은 비교적 두꺼운 부분에서는 medical CT와 큰 차이를 보이지 않아 프린터 도입 후 소프트웨어 면에서의 해결책을 찾기로 하였다.

3) CT 촬영, 프린팅된 모델, 실재 뼈와의 오차

실재 수술을 진행하기로 계획한 후 그 과정을 시뮬레이션하는 과정에서 확신할 수 없었던 한 부분이 있었다. 과연 프린팅 된 모델과 실재 뼈와의 오차가 얼마나 되겠는가? 이 걱정이 실제 임상 적용 전에 가장 두려운 부분이었다. 결국, CT 촬영된 이미지에서 컴퓨터가 측정한 길이와 각도가 실제 모델과 같은지 여러 부위를 측정, 계측하여 그 오차가 1mm 미만이라는 결론을 얻고 실재 수술을 진행하기로 하였다.

4) 보형물 제작에 적합한 재료

현재 수술과정 중 바로 제작하여 바로 인체에 삽입할 수 있는 찰흙과 같은 재료는 세 가지로 압축된다. Bone cement라 불리는 PMMA(PolyMethylMethAcrylate)라는 재료와 HA(Hydroxyapatite), TCP(tricalciumphosphate)라는 재료가 사용 가능했다.

PMMA는 상대적으로 재료의 가격이 낮은 장점이 있고, HA와 TCP는 골유도 능력이 있어 삽입 후 시간이 지나면 뼈와의 융합이 일어난다는 장점이 있다.

하지만 보형물로 사용하기에는 그 비용이 만만치 않고 실재 골로 전환되는 비율이 일정치 않아 어떤 형태를 유지하는 능력은 떨어진다는 단점이 있다. 더군다나 PMMA가 90Mpa 정도의 인체골과 유사한 강도를 가지지만, HA, TCP는 20-30Mpa의 강도로 분필과 같이 부서지는 단점이 있어 압력이 작용하는 부위에 적용할 수 없는 한계가 있다.

보형물을 직접 프린팅 할 수 있는 재료로는 Ti6Al4V(Titanium alloy)와 PEEK(polyetherketoneketone)과 같은 뼈 융합이 가능한 재료와 PLA(polylactic acid), PGA(polyglycolic acid), PLLA(Poly L-lactic acid), PCL(polycaprolactone) 등과 같은 biodegradable polymer(생분해성 고분자)가 전부이다.

위에 열거한 재료는 생체적합성을 확보한 재료이기는 하나, 티타늄의 경우 10억 원 정도 고가의 장비를 통해서만 출력이 가능하고, PEKK는 25억 원 정도의 장비를 필요로 하기에 현실적으로 그 활용이 제한이 많다.

생분해성 고분자(biodegradable polymer)의 경우 아직 2~3년 이상의 긴 기간 동안 관찰된 데이터가 없어 임시 수복용으로는 적합하나, 골 전환은 사실상 기대하기 힘들어 형태 유지 목적의 보형물에는 한계가 있을 것으로 생각된다.

이상의 현재까지의 3D 프린팅 관련 기술과 재료의 현 상황이다. 앞으로도 재료와 프린터 기술의 발전에 따라 많은 새로운 가능성이 열리리라고 기대된다.