3D 프린팅

게시 날짜 : 03 October 2024

작성자 : Ipseeta Dash

3D 프린팅은 새로운 개념이 아닙니다. 1980년대부터 존재해 왔습니다. 3D 프린팅은 제조 산업에 혁명을 일으켰을 뿐만 아니라 건설, 우주 여행, 의료 등 다른 산업에도 큰 영향을 미쳤습니다. 의료 분야에서는 정형외과, 소아과, 영상의학과, 종양학과 등에서 인공 보철물, 장기 이식, 의료 기기 제작에 3D 프린팅 기술이 널리 활용되고 있습니다.

3D 프린팅이란 무엇인가? 3D 프린팅은 어떻게 활용되고 있는가?

의료 산업이 위기에 처했는가?

3D 프린팅은 금속, 플라스틱, 세라믹 등의 재료를 사용하여 디지털 설계도를 따라 층층이 쌓아 3차원 물체를 만드는 적층 제조 방식입니다.

대규모로 3D 프린팅 제품을 생산하는 업체들도 있지만, 의료 제품은 환자 치료 현장에서 맞춤형으로 생산되는 현장 제조(point-of-care manufacturing) 방식을 채택하고 있습니다. 이러한 제품들은 환자의 신체적, 개인적 요구 사항에 맞춰 제작되며, 기존 제조 방식에 비해 가볍고 강하며 안전합니다. 또한 생산 시간도 단축되어, 예전에는 일주일씩 걸리던 작업이 이제는 하루도 채 걸리지 않습니다.

오늘날 자체 3D 프린팅 시설을 갖춘 병원의 수는 꾸준히 증가하고 있습니다. 미국 병원 협회(AHA)의 통계에 따르면, 미국에서는 2010년 5,754개 병원이 2020년 6,093개 병원으로 증가했습니다(그림 1 참조). 심지어 미국 식품의약국(FDA)도 3D 프린팅 기술을 이용해 제작된 의료 제품을 정기적으로 승인하고 있습니다.

3D 프린팅 기술

응용 분야, 동향 및 과제

임플란트 및 보철물

3D 금속 프린팅은 무릎, 척추, 고관절 및 두개골에 더욱 적합하고 성능이 뛰어난 내구성 있는 임플란트를 생산하는 데 도움이 됩니다.

전자빔 용융(EBM) 기술은 전자빔을 이용하여 금속을 층층이 녹여 정밀한 임플란트를 제작하는 기술입니다. 이러한 임플란트는 일반 뼈 조직의 스펀지 같은 질감을 모방하여 뼈 구조에 자연스럽게 융합됩니다. 한편, 3D 프린팅 기술을 이용한 종양학용 보철물은 암으로 인해 기능이 손상된 신체 부위를 대체하는 데 종양 전문의들이 널리 사용하고 있습니다.

의족은 미리 정해진 크기로 어디에서나 구할 수 있지만, 전통적인 방식으로 맞춤 제작하려면 수천 달러의 비용과 오랜 시간이 소요됩니다. 이는 의족이 작아져 맞춤형 교체 부품이 필요한 어린이들에게 큰 영향을 미칩니다.

2016년, 라이먼 코너와 에두아르도 살세도는 일반 의족을 구입할 여력이 없는 환자들을 위해 3D 프린팅 기술로 제작된 생체공학적 의족인 '라이먼의 마노매틱(Lyman's Mano-matic)'을 개발했습니다. 이 의족은 가격이 저렴하고 제작 시간도 단축됩니다.

디지털 치과

치과 분야에서 3D 프린팅은 틀니, 수술 가이드, 브릿지 모형, 투명 교정 장치 제작에 사용됩니다. 이전에는 이러한 투명 교정 장치를 수작업과 밀링 공정을 병행하여 제작했는데, 이는 매우 번거로웠습니다. 3D 프린팅 기술은 환자의 디지털 스캔 데이터를 기반으로 맞춤형 틀을 제작할 수 있게 해줌으로써 제작 과정을 크게 단축시켰습니다.

보고서에 따르면 3D 프린팅 치과 임플란트 산업은 2027년 말까지 약 88억 달러 규모에 달할 것으로 예상되며, 매년 4억 5천만 개 이상의 치과 기기 및 보철물이 생산될 전망입니다.

해부학적 모형

3D 프린터를 활용하면 전문가들은 MRI와 CT 스캔 이미지를 바탕으로 인체 부위의 정밀한 복제본을 제작할 수 있습니다. 예를 들어, 3D 프린터로 엄지손가락을 만들어 외과의들이 복잡한 수술을 미리 준비할 수 있게 된 것입니다. 2016년 아일랜드의 한 어린이는 팔뚝 회전 기능을 개선하기 위한 수술을 받아야 했습니다. CT 스캔과 X선 촬영 결과 뼈 변형이 발견되었지만, 담당 외과의는 해당 부위의 3D 모델을 제작하여 추가 검사를 진행했습니다. 그 결과, 스캔에서 나타난 뼈 변형이 아니라 팔 회전을 방해하는 다른 원인이 있다는 것을 발견했습니다. 실제 원인을 파악한 후, 당초 4시간이 소요될 예정이었던 골절술 수술은 30분도 채 걸리지 않았습니다. 환자는 4주 만에 팔 회전 기능의 90%를 회복할 수 있었습니다. 회복 기간, 통증, 흉터도 크게 줄어들었습니다.

2020년 보고서는 3D 해부학적 모델을 수술 가이드로 사용하는 것이 효과적이며, 이를 통해 수술 시간이 60분 이상 단축되어 2시간 30분으로 줄어들고, 수술당 약 3,500달러 의 비용 절감 효과가 있다고 밝혔습니다.

의료기기

상위 50대 의료기기 회사 중 대다수가 3D 프린팅 기술을 활용하여 의료기기의 정밀한 시제품을 제작하고 있습니다. 이 기술은 의료 장비의 신속한 보급에 중요한 역할을 하며, 공급망 문제를 해결하는 데 기여하고 있습니다.

메스 손잡이, 집게, 집게와 같은 수술 기구는 외과의사의 요구에 따라 스테인리스강, 나일론, 티타늄 합금, 니켈 등의 원자재를 사용하여 3D 프린팅으로 제작됩니다. 이러한 기구들은 의사들이 더욱 효율적으로 더 나은 수술을 시행할 수 있도록 도와줍니다.

독일 의료기기 제조업체인 엔도콘(Endocon GmbH)은 금속 3D 프린터를 사용하여 고관절 비구 제거 수술 도구를 제작하고 있습니다. 이전에는 이 시술을 위해 끌을 사용했는데, 이로 인해 조직과 뼈가 손상될 수 있었습니다. 엔도콘이 개발한 스테인리스 스틸 합금 소재의 '엔도컵컷(endoCupcut)'은 비구 비구를 따라 더욱 정확하게 3분 만에 절개할 수 있습니다.

코로나19 팬데믹과의 싸움에서

다양한 일회용 의료기기 제조에 3D 프린팅 기술이 상당히 많이 활용되고 있는 것으로 나타났습니다. 3D 프린팅 기술과 의료용 플라스틱을 사용하여 의료진과 환자들이 사용할 수 있는 다양한 제품들이 생산되었습니다(그림 2 참조). 특히 세계적인 팬데믹 상황에서 의료기관들이 개인보호장비(PPE)와 의료기기를 신속하게 공급해야 한다는 압박이 커지면서 의료용 3D 프린팅 시장은 급격히 성장했습니다.

오리건 보건과학대학교 연구팀은 전 세계적인 인공호흡기 부족 사태에 대응하여 3D 프린팅 기술을 활용해 신속하게 생산할 수 있는 저비용 인공호흡기를 개발했습니다.

재생 의학

전 세계적으로 장기 이식을 필요로 하는 환자 수는 급증하고 있지만, 기증 장기는 부족한 상황입니다. 재생 의학은 지지체, 생체 재료 또는 세포를 이용하여 이식용 장기를 만들어 장기 기증자에 대한 의존도를 줄이는 것을 목표로 합니다.

2019년, 텔아비브 대학교의 과학자들은 환자의 생체 물질을 이용해 세계 최초로 3D 심장 모형을 제작했습니다. 이 작은 모형은 토끼 심장 크기만 했습니다. 연구진은 동일한 기술을 이용해 더 큰 인간의 심장도 만들 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

심장이나 간과 같은 복잡한 장기를 3D 바이오프린팅하고 이식하는 데에는 많은 장애물이 있지만, 방광과 같은 장기는 21세기 초부터 개발 및 이식되어 왔다.

정밀 의학

약국과 병원에 3D 프린터를 도입하면 약사, 의사, 간호사는 환자의 체중, 나이, 생활 방식, 성별에 따라 약물의 용량과 투여 방식을 조정할 수 있습니다. 간질 치료제인 아프레시아 파마슈티컬스의 스피리탐은 FDA 승인을 받은 최초의 3D 프린팅 의약품입니다.

여러 질환을 앓는 환자들은 하루 중 서로 다른 시간에 여러 가지 약을 복용해야 하므로 규칙적인 복용 시간을 유지하기가 어렵습니다. 3D 프린팅 기술로 제작된 폴리필은 다양한 약물 구획과 방출 양상을 갖추고 있어 여러 가지 약물 용량과 약물 간 상호작용에도 효과적으로 대응할 수 있으므로, 정해진 복용 시간 관리와 면밀한 모니터링의 필요성을 없애줍니다.

연구 개발 간소화, 동물 실험 필요성 제거

제약 업계는 연구 개발에 매년 550억 달러 이상을 투자합니다. 바이오프린팅 기술을 이용하면 연구원들은 동물을 대상으로 실험하지 않고도 인체 장기 및 기타 부위를 복제하여 약물의 효능을 검증할 수 있습니다. 바이오프린팅으로 제작된 조직과 장기는 임상 시험의 성공률을 높이고, 동물에게 가해지는 부담을 줄이며, 연구 개발 과정을 간소화하고 가속화하는 데 널리 활용되고 있습니다.

3D 프린팅 분야의 인공지능

인공지능(AI)이 3D 프린팅에 통합되면서 기업들의 제조 운영 관리 방식에 큰 변화가 일어나고 있습니다. 제품 설계 및 개발부터 제조 및 활용에 이르기까지 AI 기술은 전체 공급망을 최적화할 수 있습니다. AI는 프린팅 공정을 자동화하여 인적 오류 발생 가능성을 최소화합니다.

FDA의 규제 역할

의료 분야에서의 3D 프린팅 기술

미국 식품의약국(FDA)은 3D 프린터 자체가 아닌 3D 프린팅으로 제작된 제품을 규제합니다. 규제 범위는 다양한 재료(그림 3 참조)를 사용하여 인쇄되는 제품의 종류, 용도 및 관련 안전 위험에 따라 달라집니다.

3D 프린팅은 의료용 임플란트 와 같은 맞춤형 제품을 조직이나 개인이 분산적으로 제조하기 때문에 감독에 어려움을 초래합니다. 이러한 제조 주체들이 FDA 규정에 대한 지식이 부족할 수 있기 때문입니다. FDA는 제조업체가 윤리적인 제조 관행을 준수하고 제품이 안전 기준을 충족하도록 보장하기 위해 노력하고 있습니다. 그러나 의료 현장에서 3D 프린팅이 이루어지는 경우, 감독이 더욱 어려워질 수 있습니다.

상환 관련 어려움

미국 식품의약국(FDA) 승인을 받은 3D 프린팅 척추 임플란트는 보험 적용 대상이 될 수 있지만, 수술 전에 환자의 해부학적 구조를 3D 프린팅한 모형은 보험 적용 대상이 아닐 수 있습니다. 이러한 보험 적용 불가 문제는 3D 프린팅 연구실 설립을 계획하는 병원들에게 큰 걸림돌이 될 수 있습니다. 다행히 의료 기관들은 이러한 상황을 바꾸기 위해 노력하고 있습니다. 미국 의사협회(AMA)는 최근 3D 프린팅 해부학 모형과 개인 맞춤형 3D 프린팅 절삭 또는 드릴링 도구에 대한 보험 적용을 규정한 4개의 CPT(Category III Current Procedural Terminology) 코드를 승인했습니다.

3D 프린팅의 글로벌 전망

의료 분야의 기술

전 세계적으로 임플란트 및 보철물에 대한 수요 증가와 의료 서비스 제공업체의 의료 서비스 비용 절감 요구가 커짐에 따라 의료 시장에서 3D 프린팅의 성장이 촉진될 것으로 예상됩니다(그림 4 참조). 개발자들이 수요에 맞춰 제품을 생산함에 따라 재고 수준이 크게 감소할 것입니다. 예를 들어, 미국 병원에서는 매년 220만 톤 이상의 의료 폐기물이 발생합니다. 이 '폐기물'의 상당 부분은 사용되지 않은 의료 용품 및 장비입니다. 때로는 멀쩡하게 사용할 수 있는 의료 제품이 새 제품으로 교체되기 전에 포장조차 뜯지 않은 채로 버려지기도 합니다.

아시아 태평양 지역은 3D 프린팅 시장에서 눈부신 성장을 보이고 있습니다. 향후 몇 년 안에 3D 프린팅에 35억 달러 이상을 투자할 것으로 예상되며, 북미와 유럽을 능가하는 18.5%의 가장 높은 성장률을 기록할 것으로 전망됩니다. 최근까지 이 지역은 3D 프린팅 기술 도입에 소극적이었지만, 제조 기업들의 관심 증가와 각국 정부의 전략 및 정책 추진으로 인해 여러 국가들이 3D 프린팅 산업 성장에 유리한 환경을 조성하고 있습니다.

중국은 아시아 국가 중 3D 프린팅 분야를 선도하고 있으며, 2018년 시장 규모는 17억 5천만 달러에 달했습니다. 중국 외에도 한국은 3D 프린팅의 거대한 시장으로 주목받고 있습니다. 아시아 태평양 지역에는 3D 프린팅의 대규모 도입 및 성장을 위한 잠재력이 여전히 크게 남아 있습니다.

3D 프린팅과 관련된 다양한 시장의 연평균 성장률(CAGR)

2023년부터 2035년까지의 의료 서비스 전망

3D 프린팅의 미래

의료 분야의 기술

데스크톱 스테레오리소그래피는 의료 전문가들이 전 세계적으로 공평한 의료 서비스를 제공하기 위한 새롭고 정밀하며 경제적인 기기와 제품을 개발할 수 있도록 해줄 것으로 기대됩니다.

3D 프린팅 기술의 발전과 다양한 종류의 3D 프린팅 재료의 등장으로 더욱 개인화되고 정교한 의료 서비스가 가능해질 것입니다. 3D 프린팅은 의료 분야에 혁신의 기회를 열어주지만, 이 기술의 이점을 최대한 활용하기 위해서는 보험 적용, 규제, 안전과 관련된 과제들을 해결해야 합니다.

3D 프린팅은 장기적으로 현재의 의료 시스템을 흥미롭고도 가치 있는 방식으로 변화시킬 핵심 기술 중 하나가 될 것입니다.