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의료용 3D 프린팅 기술 동향
의료용 3D 프린팅 기술 동향 저자 이동진 (인하대학교)
등록일 2020.10.27
자료번호 BRIC VIEW 2020-T38
조회 908  인쇄하기 주소복사 트위터 공유 페이스북 공유 
요약문
1980년대에 개발된 3D 프린팅은 컴퓨터 생성 모델을 기반으로 재료를 적층하여 원하는 3차원 모형의 제품을 제조하는 기술이다. 이를 통해 기존의 제조기술(금형, 가공)로 제작하기 어려운 복잡한 제품을 제작할 수 있어 다양한 산업(기계, 항공우주, 자동차, 전자, 의료 등)에서 영향력을 키워오고 있다. 특히, 다품종/ 소량생산에 적합한 특징을 가지고 있어 환자맞춤형 제품이 필요한 의료분야에서의 역할이 점점 더 중요해지고 있다. 일반적으로 의료용 3D 프린팅 기술의 주요 응용 분야는 시뮬레이터/ 수술 가이드, 맞춤형 의료보형물, 조직 재생용 지지체, 바이오프린팅(조직/ 장기)으로 분류할 수 있다. 본 보고서는 최신 문헌 및 기존의 동향 보고서를 기반으로 의료용 3D 프린팅 핵심 기술, 주요 적용 분야 및 사례, 국내외 시장 및 업체 현황에 대해 다루고자 한다.
키워드: Medical 3D printing, Simulator, Implant, Scaffold, Bioprinting
분야: Biotechnology, Biochemistry

목 차

1. 서론
2. 의료용 3D 프린팅 개요
  2.1. 기술 분류
  2.2. 의료용 3D 프린팅 프로세스
  2.3. 기술 발전 동향
  2.4. 오픈소스 툴
3. 의료용 3D 프린팅 주요 응용 분야
  3.1. 시뮬레이터/ 수술 가이드
  3.2. 맞춤형 의료보형물
  3.3. 조직 재생용 지지체
  3.4. 바이오프린팅(조직/ 장기)
4. 국내외 시장 동향
  4.1. 세계 시장 동향
  4.2. 국내 시장 동향
  4.3. 세계 주요 기업
  4.4. 국내 주요 기업
5. 결론
6. 참고문헌


1. 서론

4차 산업혁명 핵심기술 중의 하나인 3D 프린팅은 사물인터넷, 빅데이터 등을 통한 제조업 디지털화를 견인하고, 신속하고 다양한 수요변화에 대응하는 스마트 팩토리의 핵심 구성 요소로 각광받고 있다 [1]. 전통적인 생산방식과 비교해 생산비용 및 제작 기간을 절감할 수 있는 3D 프린팅 기술은 기계, 항공우주, 자동차, 전자, 의료 등 다양한 분야에서 존재감을 키워오고 있으며, 특히 다품종/ 소량생산에 적합한 특징을 가지고 있어 환자맞춤형 제품이 필요한 의료분야에서 수요가 증가할 것으로 기대된다 [2, 3].

기존 의료기기 제조기술은 대량생산 시스템의 특성상 다양성을 추구하기 어려워 임상적으로 질병 변이가 다른 질환에 사용되는 의료기기 생산 및 다공성 구조를 포함한 복잡한 형상 제작에 적합하지 않다. 이에 비해 3D 프린팅 기술은 금속, 세라믹, 폴리머, 생체재료 등을 적층제조(additive manufacturing, AM)하여 원하는 3차원 물체를 제조하여 형상에 제한이 없고, 재료 손실을 줄여 생산 비용이 절감되며, 제작 기간이 단축되어 생산 효율성이 향상된다. 또한, CT, MRI, 초음파, X-ray 등의 의료영상을 기반으로 개별 환자 맞춤형 보형물, 인공관절, 임플란트, 시뮬레이터 등의 개발이 가능하여 의료의 질 향상과 정밀 의료 구현을 도모할 수 있다 [2]. 의료용 3D 프린팅에 관한 연구개발은 활발히 진행되고 있으며 관련 논문 수는 2002년 8편에서 2018년 2,906편으로 급격하게 증가하였다 [17].

본 동향 보고서에서는 의료용 3D 프린팅 핵심 기술, 주요 적용 분야 및 사례, 국내외 시장 및 업체 현황에 대해 다루고자 한다.

2. 의료용 3D 프린팅 개요

2.1. 기술 분류

3D 프린팅의 핵심 개념이 개발된 1980년대에 이후, 다양한 재료의 형태(액체, 필라멘트, 분말, 시트 등)를 이용한 층별 인쇄를 기반으로 다양한 AM 기술이 개발되었다. 현재 ISO/ASTM 52900 표준에 따라 7가지 AM 기술 방식이 존재한다 [4, 5]. 그림 1표 1은 각각의 기술 방식에 대한 개념도 및 특성 비교표를 나타낸다.

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그림 1. 3D 프린팅 기술 방식.
(a) 접착제 분사(Binder jetting). (b) 에너지 직접 조사(Direct energy deposition). (c) 재료 압출(Material extrusion). (d) 판재 적층(Sheet lamination). (e) 재료 분사(Material jetting). (f) 광 경화 조형(Stereolithography). (g) 분말 적층 용융(Powder bed fusion).

 

  1) 접착제 분사(Binder jetting): 분말 형태의 재료 위에 액체 형태의 접착제를 분사하여 분말을 결합시키는 방식이다. 분말 베드(powder bed) 위에 접착제가 분사된 후 새로운 분말 층이 베드 위에 펴지고 다음 접착제 분사가 적용된다 (그림 1a).
  2) 에너지 직접 조사(Direct energy deposition): 프린터 노즐은 인쇄 표면에 연속적으로 재료를 증착하고 레이저, 전자빔 등의 열에너지원으로 원재료를 녹여 부착시키는 방식이다 (그림 1b).
  3) 재료 압출(Material extrusion): 고온 용융된 재료를 노즐을 통해 압력으로 밀어내어 인쇄 기판 위에 증착시키는 방식이다. 이 방식은 페이스트 및 하이드로겔과 함께 사용하여 살아있는 세포를 인쇄하는데 활용될 수 있다 (그림 1c).
  4) 판재 적층(Sheet lamination): 얇은 필름 형태의 재료(종이, 세라믹, 금속)를 레이저 혹은 블레이드 등으로 자른 후 접착제를 이용하여 붙여가며 적층하는 방식이다 (그림 1d).
  5) 재료 분사(Material jetting): 용액상태의 소재를 노즐을 통하여 분사한 후 새로운 층이 도포되기 전에 자외선을 이용하여 경화시키는 방식이다 (그림 1e).
  6) 광 경화 조형(Stereolithography): 인쇄 기판은 광중합체(photopolymer) 용액 속에 위치하고 UV 또는 가시광선이 기판 위에 있는 광중합체 용액을 고형화한다. 빛에 노출될 때마다 중합된 층이 포함된 인쇄 기판이 광중합체 용액 위로 올라갔다가 내려가는 공정을 반복한다 (그림 1f).
  7) 분말 적층 용융(Power bed fusion): 분말 형태의 재료 위에 레이저 혹은 전자빔을 조사하여 선택적으로 분말을 녹여서 결합시키는 방식이다. 분말 층이 녹으면 그 위에 새로운 분말 층이 도포되어 반복된 공정을 수행한다 (그림 1g).

 

표 1. 3D 프린팅 기술 방식에 따른 특성 비교.
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2.2 의료용 3D 프린팅 프로세스

일반적인 의료용 3D 프린팅 프로세스는 전공정, 공정 및 후공정라는 세 가지 주요 단계로 구성된다 (그림 2).
  1) 전공정 단계: 컴퓨터 단층 촬영(CT), 자기 공명 영상(MRI), X-ray 및 초음파 영상 기술을 사용하여 조직 또는 장기의 영상을 촬영하고 3D 모델을 재구성하는 작업이다. 생성된 3D 모델은 일반적으로 3D 프린팅에 사용되는 데이터인 STL (Stereolithography) 파일 형식으로 변환하고, 이를 기반으로 Slice 파일을 제작한다 [6].
  2) 공정 단계: 3D 프린팅을 시작하기 전에 가장 중요한 부분은 파트 위치 선정(Orientation) 및 데이터 치유(Fixing)이다. 파트의 형상 특성, 표면 조도 상태, 열 방출 기능 등을 고려하여 적절한 위치 선정이 필요하며, 다양한 변수를 고려하여 제작하여야 한다. 데이터 치유(Fixing)는 3D 모델링 데이터에 결함(구멍, 면 뒤집힘, 깨짐 등)이 없는지 확인하고 적절한 조치를 실시하는 필수 과정이다. Slice 데이터 및 장비 세팅이 완료되면 3D 프린팅을 실시한다 [7].
  3) 후공정 단계: 일반적으로 3D 프린팅을 실시한 후 사용된 재료의 특성에 따라 파트 열처리/ 잔여 소재 제거, 지지대 제거/ 후가공, 표면처리, 최종 연마/ UV 경화 처리 등의 작업이 요구된다 [7].

 

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그림 2. 의료용 3D 프린팅 프로세스: 전공정, 공정, 후공정 단계를 거친 후 다양한 분야에 적용된다.

 

2.3 기술 발전 동향

미국 시장조사 업체인 Gartner는 ‘2018 가트너 리포트 Gartner Predicts 2018 ’를 통해 의료기기, 항공기, 소비재 및 기타 제조업계에서 3D 프린팅의 사용이 한층 증가할 것이라는 긍정적인 전망을 발표했다 [8]. 특히, Gartner는 3D 프린팅 활용 분야에서 의료 산업을 항공우주 산업에 이어 두 번째로 잠재력 가치가 큰 산업으로 선정했고 2023년까지 선진 시장에서 의료 기기의 25%가 3D 프린팅을 사용할 것이라고 예측했다.

그림 3은 3D 프린팅 기술에 대한 Gartner사의 하이프 사이클(Hype Cycle)을 나타내며, 아래 8종류의 의료용 3D 프린팅 관련 기술이 언급되었다.

   1. 치과용 기기를 위한 3D 프린팅(3D Printing of Dental Devices)
   2. 수술계획용 인체 해부 모델(3D Printed Presurgery Anatomical Models)
   3. 3D 바이오프린팅 기반 인체조직(3D Bioprinted Human Tissue)
   4. 의료기기를 위한 3D 프린팅(3D Printing of Medical Devices)
   5. 생명과학 연구개발을 위한 3D 바이오프린팅(3D Bioprinting for Life Science R&D)
   6. 3D 프린팅 기반 수술용 임플란트(3D Printed Surgical Implants)
   7. 3D 프린팅 기반 약물(3D Printed Drugs)
   8. 3D 바이오프린팅 기반 장기 이식(3D Bioprinted Organ Transplants)

이 중에서 ‘치과용 기기를 위한 3D 프린팅’기술은 시장에서의 확장성이 증가하고 있으며, ‘수술계획용 인체 해부 모델’은 임상 현장에서 활용되어 진단 정확도/ 수술 계획 및 훈련/ 수술 시간과 위험 감소/ 의료진의 커뮤니케이션에 효율적으로 사용될 것으로 기대된다. ‘3D 바이오프린팅 기반 약물’ 및 ‘3D 바이오프린팅 기반 장기 이식’기술은 태동단계의 잠재적 기술로 향후 산업혁신을 이끌 것으로 기대된다.

 

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그림 3. 3D 프린팅 기술에 대한 Gartner사의 Hype cycle (출처: Gartner, ‘19).

 

2.4 오픈소스 툴

3D 프린팅이 부품을 설계하고 생산할 수 있는 플랫폼으로 발전함에 따라 무료로 사용할 수 있는 오픈소스 소프트웨어 및 3D 디자인 툴이 급격하게 증가하였다 [4]. 여기에 몇 가지 사례를 소개한다.

  1) 3D 프린터

- RepRap: 맞춤형 3D 프린터를 만드는 방법에 대한 온라인 리소스이다. 3D 바이오프린터의 경우 특정 기능을 필요로 하기 때문에 많은 그룹이 저비용 FDM (Fused deposition modeling) 프린터를 개조하여 사용하고 있다 [9].
- Feinberg et al.: 본 그룹은 FDM 필라멘트 프린터를 바이오프린터로 변환할 수 있는 지침 세트를 발표했다 [10].

  2) 3D CAD 모델

- NIH 3D Print Exchange: 보철물에서 단백질 구조에 이르기까지 약 7,000개의 3D 모델을 무료로 다운로드 할 수 있다.
- Thingiverse (MakerBot): 일반적인 3D 모델의 데이터베이스로 다양한 의료기기 및 해부 모델을 다운로드 할 수 있다.

   3) Slicing 소프트웨어

- Slic3r, Cura (Ultimaker), Repetier-Host, etc.: 대부분의 3D 프린터에서 사용할 수 있는 다양한 오픈 소스 Slicing 패키지이다.
- PetriPrinter: 세포배양용 바이오프린팅을 위해 개발된 G-code 생성기로 사용자가 프린팅 설정을 설계할 수 있다.

   4) 리소스

- Bioverse (Celllink): 바이오프린팅 관련하여 CAD 모델, 프로토콜 및 기타 리소스가 무료로 공유되는 온라인 커뮤니티이다.
-Embodi3D: 의료용 3D 프린팅을 위한 온라인 커뮤니티로 인체 해부 모델에 대한 STL 파일과 의료용 이미지 변환 툴을 제공한다.


3. 의료용 3D 프린팅 주요 응용 분야

의료용 3D 프린팅 기술에 대한 연구는 그림 4와 같이 크게 4가지 주요 분야로 분류 할 수 있다 [2, 11]: 1) 수술 전 계획, 수술 치료 분석, 수술 진단 및 수행능력 향상을 지원하기 위한 시뮬레이터/ 수술 가이드 개발, 2) 영구적인 환자맞춤형 의료 보형물 개발, 3) 생분해성 지지체 제작, 4) 조직과 장기를 직접 프린팅하는 바이오프린팅 기술 개발.

 

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그림 4. 의료용 3D 프린팅 적용 분야.

 

3.1 시뮬레이터/ 수술 가이드

인체 장기 및 해부 모델을 제공하는 시뮬레이터/ 수술 가이드는 임상 치료 및 의학 교육에서 중요한 역할을 수행한다 [2, 11]. 제조 비용이 높고, 제작 시간이 길며, 환자 사이의 개인차를 고려하지 않는 기존 의료기기 제조공정과 달리, 3D 프린팅은 저렴한 비용으로 맞춤형 의료 모델을 신속하게 제작할 수 있는 장점이 있다.

3D 프린팅을 사용하여 만들어진 개인화된 시뮬레이터는 의사와 엔지니어에게 커뮤니케이션 수단을 제공하고 수술 계획 및 진단을 통해 수술 정확도 향상 및 수술 시간 단축에 활용된다. 또한, 미숙한 의료진에게 교육용으로 사용될 수 있으며, 기존 동물실험의 문제(비윤리적, 비용부담)를 부분적으로 완화할 수 있다 [2]. 3D 프린팅 기반 수술 가이드는 환자의 수술 계획에 맞춤형으로 제작되어 수술의 정확도와 편의성을 높이는데 활용된다. 표 2는 3D 프린팅 기반 시뮬레이터 및 수술 가이드 연구 동향을 나타낸다.

 

표 2. 3D 프린팅 기반 시뮬레이터/수술 가이드 연구동향.
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3.2 맞춤형 의료보형물

치과 및 정형외과에서 일반적으로 사용되는 의료보형물은 의료용 3D 프린팅 적용에서 가장 큰 시장성이 기대되는 분야이다. 기존 기술로 제작된 금속 임플란트는 뼈보다 더 큰 강성(stiffness)으로 인해 결국 뼈를 손상시키는 문제를 야기할 수 있다. 이에 비해, 3D 프린팅 기술은 구조 및 형상 최적화를 통해 강성이 조절된 경량의 맞춤형 임플란트를 제공한다. 3D 프린팅 기반 의료보형물은 생체 적합한 비분해성 재료인 금속, 세라믹 등으로 제작되며 환자맞춤형 임플란트, 인공관절, 치과 보철물, 보형물 등을 개발하는데 활용되고 있다. 표 3은 3D 프린팅 기반 맞춤형 의료보형물 연구 동향을 나타낸다.

 

표 3. 3D 프린팅 기반 맞춤형 의료보형물 연구동향.
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3.3 조직 재생용 지지체

조직 재생용 지지체는 손상된 인체조직을 재생시키기 위한 조직공학의 주요 분야로 체내에서 활용되기에 생체 적합성 및 생분해성이 요구되며 3차원적으로 상호 연결된 다공성 구조를 형성하는 것이 핵심이다 [14]. 조직 재생은 다양한 분자, 세포, 생화학적 및 기계적 인자가 포함되기에 복잡하다. 따라서 적절한 모양, 기공 크기, 다공성, 분해성, 생체 적합성, 기계적 특성 및 바람직한 세포 반응을 가진 다공성 조직 재생용 지지체가 필요하다 [17]. 표 4는 조직 재생용 지지체 제작에 주로 사용되는 세라믹, 하이드로겔, 폴리에스터 기반 지지체의 장단점을 나타낸다.

 

표 4. 3D 프린팅 기반 주요 지지체의 장단점 [17].
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3.4 바이오프린팅(조직/ 장기)

3D 바이오 프린팅은 세포가 포함된 바이오 잉크를 3D 디지털 모델에서 기능적 조직 구조와 기관으로 제작하는 과정이다. 3D 바이오프린팅은 기존 조직공학 기법에 비해 다양한 장점을 가지고 있다. 구체적으로, 자동화 구축이 용이하고, 고정밀의 조직/ 장기를 제작할 수 있으며, 많은 기하학적 자유도 및 제어인자(기공 크기, 다공성, 상호 연결성)를 설정할 수 있고, 다양한 재료(단백질, DNA, 약물 등)를 프린팅 할 수 있다. 이를 통해, 3D 바이오 프린팅은 복잡하고 정교한 생체 모방 조직 구조를 제조할 수 있고, 질병 모델링, 신약 발견 및 테스트, 고 처리량 스크리닝, 재생 의학 등 다양한 분야에 적용될 수 있다. [6, 18-20].

 

표 5. 3D 바이오프린팅 기법의 특징 비교 [6].
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표 5는 다양한 3D 바이오프린팅 기법의 특징을 나타낸다 [6]. Laser 기반 바이오프린팅 및 Stereolithography 바이오프린팅은 출력 해상도가 가장 높지만, 확장성이 부족하여 인체 규모의 조직 및 장기를 인쇄하는 데 사용할 수 없다. 액적 기반 바이오프린팅인 Inkjet, Acoustic, Microvalve 바이오프린팅은 공동 배양 또는 다배양 플랫폼에서 세포를 정밀하게 패턴화하는 데 사용할 수 있어 인체 규모 조직의 바이오프린팅이 가능하지만 기술적 난이도가 높아 상용화하기에 어려운 단점이 있다. Extrusion 기반 바이오프린팅은 모든 바이오프린팅 기법 중에서 해상도가 가장 낮지만 인체 규모의 조직 및 장기를 바이오프린팅 할 수 있다. 따라서 완전한 기능을 가진 조직 혹은 장기를 구현하기 위해서는 여러 바이오프린팅 기법을 융합한 하이브리드 바이오프린팅 기법 개발이 필요하다 [6]. 표 6은 다양한 조직/장기 개발에 사용된 바이오프린팅 사례를 나타낸다 [6].
 

표 6. 다양한 조직/장기 개발에 사용된 바이오프린팅 사례 [6].
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4. 국내외 시장 동향

4.1. 세계 시장 동향

전 세계 3D 프린팅 시장은 2018년 99억 달러에서 연평균 23.2% 성장하여 2024년 348억 달러에 이를 것으로 전망된다. 바이오센서 및 의료 분야를 포함한 헬스케어 3D 프린팅 시장은 2017년 5.8억 달러의 시장 규모를 달성하였으며 2018년부터 연평균 21.2% 성장하여 2024년 22억 달러에 이를 것으로 전망된다. 그중에서 의료 분야가 가장 큰 비중으로 성장할 것으로 예측되고 있다.

 

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그림 5. 전 세계 3D 프린팅 및 헬스케어 3D 프린팅 시장.

 

4.2. 국내 시장 동향

국내 3D 프린팅의 활용 분야는 주로 교육, 단순 설계 및 출력 등으로 아직 초기 단계이며, 시장 규모는 3.4억 달러 규모로 세계 8위 수준이다 [31].

4.3. 세계 주요 기업

미국, 유럽 등 선진국 주요 기업들이 시장을 이끌고 있으며 3D 바이오 프린터, 바이오잉크, 알고리즘 및 소프트웨어, 프린팅 소재 등의 기술을 개발하고 있다 [32].

 

표 7. 의료용 3D 프린팅 관련 세계 주요 기업 [32].
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4.4 국내 주요 기업

국내 기업들은 3D 프린팅 장비나 소프트웨어 개발 등 일부 한정된 분야의 기술을 보유하고 있으며, 의료용 프린팅 소재는 국내 기업 대부분이 수입에 의존하고 있다 [33].

 

표 8. 의료용 3D 프린팅 관련 국내 주요 기업 [33].
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5. 결론

지금까지 의료용 3D 프린팅 기술의 개요, 분류, 연구개발 및 시장 동향에 대해 살펴보았다. 지난 20여 년 동안 의료용 3D 프린팅 기술은 ‘치과용 기기’ 및 ‘수술계획용 인체 해부 모델’에서 큰 발전을 이루었으며, 3D 바이오프린팅 기반 약물’ 및 ‘3D 바이오프린팅 기반 장기 이식’ 분야에서 산업혁신을 이끌 것으로 기대하고 있다. 향후 3D 프린팅과 조직 공학이 성공적으로 통합되기 위해 해결하여야 할 이슈를 아래에 남기며, 글을 마치도록 한다 [11].
  1) 높은 다공성과 정밀도를 보장하는 새로운 3D 프린팅 장비 개발
  2) 다양한 의료용 3D 프린팅 기술을 위한 고성능 소재 연구
  3) 3D 프린팅된 지지체에 대한 통합 표준 마련
  4) 임상용 임플란트를 최적화하기 위한 시장 감독 강화
  5) 병원, 기업, 연구소 간의 소통을 강화하기 위한 3D 프린팅 플랫폼 구축

6. 참고문헌

==>첨부파일(PDF) 참조

 

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이동진(2020). 의료용 3D 프린팅 기술 동향. BRIC View 2020-T38. Available from https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=report&id=3624 (Oct 27, 2020)
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