[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

3D 프린팅 공정은 맞춤형 인공장기에서 치아 또는 뼈에 이르기까지 실용적인 의학연구에 광범위 하게 적용되어 왔다. 최근에는 3D 프린팅으로 제조된 임플란트을 정형외과 시술에 활용하려는 시도가 활발하다. 악성골종양(뼈암)1)의 사지(四肢)구제술도 그 중 하나다.

뼈암은 생명을 위협하는 질환으로, 환자가 생존하더라고 기능적 사지 장애가 발생할 수 있다. 일반적인 치료법은 종양을 둘러싸고 있는 정상조직을 포함한 넓은 부위의 암을 수술로 제거하는 것이다. 이러한 종양제거 방식은 종종 환자의 뼈와 그 주위의 연조직에 심각한 결함을 야기한다. 관절절제 후 기능적 결함을 최소화 하기 위해 재건 수술을 진행하는데, 이러한 전체적인 과정을 정형외과에서는 ‘사지구제술’ 이라고 한다. 임플란트 삽입술을 시행할 때, 절제 후 남은 뼈가 적으면 인접한 관절을 희생하여 임플란트를 고정해야한다. 자연관절을 보존하는 것은 관절의 기능과 수명에 매우 큰 영향을 미치기 때문에 맞춤형 임플란트를 사용하여 자연 관절을 보존 하는 것이 중요하다.

환자 맞춤형 임플란트가 새로운 개념의 기술은 아니지만, 일반적인 금속 제조기술을 통해 제작된 임플란트는 시간과 비용이 많이 소요되기 때문에 널리 활용되지 못하고 있다. 특히 암환자를 위한 맞춤형 임플란트는 암이 과도하게 진행되기 전에 제작을 완료해야하기 때문에 제조 기간이 오래 걸려서는 안 된다. 티타늄 합금 중 하나인 Ti-6Al-4V2) 소재로 제작된 3D 프린팅 맞춤형 임플란트를 이용한 사지구제수술의 사례는 활발하게 보고되고 있지만, 장기적인 수술 결과를 평가하기 위해서는 충분한 시간이 필요하기 때문에 임플란트의 설계와 품질을 높이기 위해서는 결함의 사례를 충분히 조사하는 것이 중요하다. 

2. 연구내용

60세 환자의 우측 다리의 긴 뼈 부위에 뼈암의 한 종류인 “연골육종”이 발생하였고 비록 거리가 가까웠지만 무릎 관절까지는 종양이 확산되지 않은 상태였다. 무릎관절의 보존을 위해 암 발생 부위를 대체할 3D 프린팅 맞춤형 티타늄 임플란트 삽입을 계획하였다. 전자빔 용융 방식(EBM)3) 3D 프린터로 제작한 Ti-6Al-4V 임플란트를 이용해 무릎관절의 절제 없이 환자는 걸을 수 있게 되었고 6주만에 정상적인 생활이 가능하게 되었다.

하지만 반년 후 임플란트의 몸체 부분과 고정판의 접합부에서 골절이 발생하였고 골절의 원인에 대한 다각적인 분석을 진행하였다. X-ray와 주사전자현미경으로 촬영한 결과, 골절은 임플란트의 메쉬(mesh)구조와 솔리드 구조의 경계부분에서 일어났으며 주위에 임플란트 제작 과정에서 발생한 미용융 분말이 존재하고 있었다.

임플란트의 골절을 특성화하기 위해 파면 분석을 수행하였다. EBM 3D 프린팅과정에서 Z축 방향과 XY 축 방향으로 각각 메쉬구조가 포함된 시편과 그렇지 않은 시편을 인쇄하여 강도를 비교하였다. 메쉬구조가 포함되지 않은 시편은 1000MPa에 이르는 정상적인 인장강도를 보였으나 메쉬구조가 포함된 시편은 33Mpa~ 54 MPa에 불과한 인장강도를 나타내었다. 메쉬구조 시편의 강도가 불량한 정확한 원인을 찾기 위해 미세구조 해석을 실시하였고, 메쉬구조 시편은 더 부서지기 쉬운 알파 마르텐사이트(α'-martensite) 미세구조를 가졌음을 확인하였다.

기계적 해석의 경우, 다양한 조건과 비율의 솔리드-메쉬 하이브리드 구조에 대한 시뮬레이션을 진행하여 최대 폰 미세스(Von-mises)4) 응력(하중)이 과도한 값에 도달하지 않는 특정 메쉬 비율이 존재함을 밝혀냈다.

또한 ‘Any body 모델링 시스템’ 이라는 상용 소프트웨어를 통해 걸음걸이에 따른 생리학적 하중을 가정하여 임플란트의 유한요소해석5)을 진행하였다. 해석 결과, 걸음걸이가 빠를 때 과도한 응력이 임플란트의 연결부사이에 집중되는 것을 확인하였다. 

3. 기대효과

본 연구의 환자 맞춤형 임플란트 이식 기술은 관절 절제를 최소화하여 환자의 자연관절을 보호하는데 도움이 되기 때문에 성공적인 뼈암 치료를 위한 금속 3D 프린팅 임플란트 개발에 유용하게 활용될 것으로 기대된다. 또한 가장 역학적으로 악조건을 가지는 하지의 장골 (long bone)에서 심도 있는 분석이 이루어져, 이를 바탕으로 향후 다른 부위의 임플란트 성능 평가를 위한 기반을 마련하였다.

[붙임] 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.

4. 폰 미세스 응력 (Von-mises Stress)

구조물에 여러 방향으로 힘이 가해졌을 때 구조물이 파손(항복)되는 최대 힘(응력)을 알 수 있는 지표

5. 유한요소해석 (Finite Element Analysis)

구조물의 기계적 안정성등을 평가하는 컴퓨터 시뮬레이션 방법. 작은 미세요소(element)로 나눈 뒤 미세요소간의 힘의 흐름 등을 계산해 복잡한 형태를 갖는 구조물을 기계적 안정성(최대 하중) 등을 알아낼 수 있다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 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.

그림 2. 불안정적 임플란트 사례

a: CT 촬영사진

b: X-ray 촬영사진

c: 제거된 임플란트 사진

그림 3. 임플란트의 구조와 걸음걸이에 따른 힘 변화를 컴퓨터 시뮬레이션(유한요소해석) 으로 예측함

a: 본 연구에 사용된 임플란트의 구조.

b: 유한요소 해석에 적용된 경계 조건.

c: 걸음걸이가 빠를 때 고관절에 작용하는 힘의 변화

d: 절뚝거리면서 걸을 때 고관절에 작용하는 힘의 변화.

e: 임플란트 부위별 유한요소 해석 결과.