한국생산기술연구원

생기원, 3D프린팅으로 세계 최대 규모 인공 흉곽 제작

- 9월19일 중앙대학교병원 흉부외과 박병준 교수팀 수술 성공

- 인체에 무해한 순수 티타늄 소재 적용, 인체 하중 견디는 高강도 구현

□ 한국생산기술연구원(원장 이성일, 이하 생기원)이 3D프린팅 기술을 활용해 순수 티타늄 소재의 인공 흉곽을 만들고, 중앙대학교병원이 이를 실제 환자의 가슴뼈에 이식하는 수술을 성공적으로 진행했다.

ㅇ 환자는 가슴뼈에 악성종양인 육종이 발생한 55세 남성으로, 병변 부위가 광범위해 흉곽 절제가 필요했지만 기존 수술법으로는 재건이 불가능한 상태였다.

ㅇ 골 시멘트나 티타늄 막대 등을 이용한 재건 수술로는 환자에게 꼭 맞는 모양을 만들기 어려운데다 소재가 무거워 수술 후 흉부 불편감과 호흡곤란, 세균 감염을 일으킬 위험성이 있었기 때문이다.

□ 생기원 강원지역본부 적층성형가공그룹 김건희 그룹장이 이끄는 연구팀은 이를 위해 3D프린팅 공정기술을 활용, 인체에 무해하면서도 가벼운 ‘순수 티타늄’을 소재로 가로 286㎜, 세로 172㎜ 크기의 맞춤형 인공 흉곽을 제작해 냈다.

ㅇ 이는 인공 흉곽으로는 세계 최대 규모로, 생기원의 기술 이전을 받은 3D프린팅 의료기기 전문기업 벤타쓰리디㈜도 설계에서부터 제작에 이르는 전 과정에 참여했다.

□ 중앙대학교병원 흉부외과 박병준 교수팀은 환자의 종양이 급격히 커져 기대수명이 6개월 이하로 줄어들자 지난 9월19일 환자의 흉골과 늑골 10개를 절제한 뒤 제작된 인공 흉곽을 이식하는 데 성공했다.

ㅇ 3D프린팅 인공 흉곽으로는 세계 6번째* 재건 수술이며, 수술을 마친 환자는 빠르게 회복되어 다음 주 퇴원을 앞두고 있다.

* 스페인, 이탈리아, 미국, 영국, 중국 순

□ 인공 흉곽 제작의 핵심은 순수 티타늄 소재의 기계적 강도를 기존의 2배 이상인 700MPa(강도계수)로 높인 생기원의 독자적인 금속 3D프린팅 공정기술에 있다.

ㅇ 순수 티타늄 소재의 경우 자체 강도만으로는 인체의 하중을 견디지 못해 알루미늄-바나듐-티타늄 합금이 사용돼 왔는데, 인체에 유해한 합금원소 사용으로 논란이 제기돼 왔다.

ㅇ 김건희 그룹장 팀은 무독성 순수 티타늄 분말을 3D프린팅 공정제어를 통해 10㎚ 직경의 금속간 화합물로 만들어 거미줄처럼 연결함으로써 기존 합금에 준하는 강도를 구현해 냈다.

□ 완성된 인공 흉곽은 컴퓨터 단층촬영을 통해 환부를 정확히 측정한 뒤 환자 체형에 맞는 정밀한 디자인으로 설계됐으며, 무게가 190g에 불과해 삽입 부작용을 줄이고 환자의 회복력을 크게 높였다.

ㅇ 또한 적층구조가 뼈와 유사한 다공(多孔)성으로 이루어져 흉부 압박을 가해도 부러지지 않는 10~15GPa(탄성계수) 수준의 탄력성까지 지니고 있다.

ㅇ 아울러 3D프린팅 과정에서 전자빔 방식을 적용, 금속 3D프린팅의 최대 난점으로 지적돼 온 열에 의한 변형을 막아 세계 최대 크기의 형상을 정밀하게 구현할 수 있었다.

□ 김건희 그룹장은 “3D프린팅 두개골에 이어 흉곽 이식 수술 성공으로 부작용 우려 없는 맞춤용 인체 삽입물 시대를 열게 됐다.”고 밝히며 “앞으로 고관절, 무릎관절 등 개인 체형에 따라 달라지는 다양한 인체 삽입물을 제작해 수혜 환자의 폭을 넓히겠다.”고 말했다.

ㅇ 한편, 이번 수술은 식약처가 지정한 생물학적 안정성 시험과 강도 및 인장도 시험을 거쳐 중앙대학교병원 IRB(연구자 임상시험) 승인까지 확보한 상태에서 진행했다.