3D프린팅으로 인공 발목뼈까지 맞춤 제작한다

과학기술

3D프린팅으로 인공 발목뼈까지 맞춤 제작한다
티타늄 소재 적용, 인공뼈 이식 수술 성공

2021.06.10 10:08 사이언스타임즈

금속 3D프린팅으로 제작한 인공거골 ⓒKITECH

인체에 무해한 고강도 티타늄 소재 적용

한국생산기술연구원(이하 연구원)이 금속 3D프린팅기술을 활용해 티타늄 소재의 인공 발목뼈를 설계·제작하고, 인하대병원이 실제 환자에게 이식하는 수술을 성공적으로 진행했다. 이번 수술은 국내 최초로 수행된 인공 발목뼈 임상시험이며, 연구원의 인공뼈 설계·제작 사례로는 두개골 2건, 흉골 5건, 골반 1건에 이어 9번째다.

대상 환자는 60대 여성으로, 왼쪽 다리의 거골(발목 가장 위쪽뼈)에 혈액이 공급되지 않아 괴사하면서 발목이 정상적인 기능을 수행하지 못했던 환자였다. 특히 지난 1년 동안에는 정상적인 걸음조차 제대로 딛지 못했으며, 2차적으로 발생한 관절염으로 인해 극심한 통증을 겪고 있는 상태였다.

금속 3D프린팅 기술로 적층기술 적용

가장 널리 시행되는 수술방법은 기존 거골을 제거하고 뼈를 이식한 뒤 발목관절을 고정하는 ‘유합술’이다. 하지만 유합술 시행 뒤 딛고 걸을 수 있지만, 발목 관절이 움직이지 않아 자연스런 걸음을 할 수는 없다. 다른 방법으로는 괴사된 거골을 제거하고 그 자리에 원래 모양과 똑같이 만든 복제품을 넣어주는 ‘치환술’이 있지만, 복제품 수입 자체가 불가능하고 매우 고가여서 그동안 국내 사례가 없었다.

정상적으로 기능하고 있는 인공거골 ⓒKITECH

이에 따라, 한국생산기술연구원 기능성소재부품연구그룹 김건희 그룹장 연구팀은 3D프린팅 의료기기 전문기업 ‘큐브랩스’와 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 연구원의 독자적인 적층제조특화 설계기술이 적용됐다. 또한 금속적층 공정제어를 통해 티타늄 분말을 10㎚ 직경의 금속간 화합물로 만들어 거미줄처럼 연결함으로써 고강도를 구현해 최종 완성해냈다.

이를 기반으로, 인하대병원 정형외과 김범수 교수팀은 5월 20일(목) 오후 괴사된 거골을 제거하고 인공 거골을 정상 이식하는 ‘전치환술’ 수술에 착수, 성공을 거뒀다. 또한 수술 후 검사를 통해 이식된 인공 거골이 안정적으로 기능하는 것 역시 확인했다.

인하대병원 정형외과 김범수 교수팀의 전치환술 수술 장면 ⓒKITECH

김건희 그룹장은 “의료 분야의 금속 3D프린팅 적용 성공사례가 지속적으로 누적돼 그 실효성이 대중적으로 인정받기 시작했다.”고 밝히며, “향후 수혜 환자의 폭을 더욱 넓히고 3D프린팅 의료기기 산업 육성에도 힘쓰겠다.”고 말했다. 한편, 이번 수술은 안전성과 유효성 검증을 위해 수십 차례의 인공 거골 제작 테스트를 거쳐 식약처의 승인 허가를 받은 뒤 진행됐다.

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