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3D 프린팅 인공 흉곽 "이식 성공"환자 회복세 빨라
함예솔  |  cherish0820@scientist.town
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승인 2018.10.08  10:20:00
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3D프린팅 기술을 활용해 순수 티타늄 소재의 인공 흉곽을 만들고, 실제 환자의 가슴뼈에 이식하는 수술이 성공적으로 진행됐다고 합니다.

 

한국생산기술연구원 강원지역본부 적층성형가공그룹 김건희 그룹장이 이끄는 연구팀은 3D프린팅 공정 기술을 활용해 인체에 무해하면서도 가벼운 '순수 티타늄'을 소재로 한 가로 286mm, 세로 172mm 크기의 맞춤형 인공 흉곽을 제작해냈습니다. 이는 인공 흉곽으로는 세계 최대 규모라고 합니다.

 

3D프린팅으로 제작된 순수 티타늄 소재 인공 흉곽 사진. 출처: 한국생산기술연구원
3D프린팅으로 제작된 순수 티타늄 소재 인공 흉곽 사진. 출처: 한국생산기술연구원

인공 흉곽 제작의 핵심은 순수 티타늄 소재의 기계적 강도를 기존의 2배 이상인 700MPa(강도계수)로 높인 독자적인 금속 3D프린팅 공정 기술에 있습니다. 순수 티타늄 소재의 경우 자체 강도만으로는 인체의 하중을 견디지 못해 알루미늄-바나듐-티타늄 합금이 사용돼 왔는데요. 유해한 합금원소 사용으로 논란이 제기돼왔습니다.

 

김건희 그룹장 팀은 무독성 순수 티타늄 분말을 3D 프린팅 공정 제어를 통해 10nm 직경의 금속 간 화합물로 만들어 거미줄처럼 연결해 기존 합금에 준하는 강도를 구현해냈습니다. 

 

3D프린팅 인공 흉곽이 인체 모형에 부착된 모습. 출처: 한국생산기술연구원
3D프린팅 인공 흉곽이 인체 모형에 부착된 모습. 출처: 한국생산기술연구원

완성된 인공 흉곽은 컴퓨터 단층 촬영을 통해 환부를 정확히 측정한 뒤 환자 체형에 맞는 정밀한 디자인으로 설계됐습니다. 무게가 190g에 불과해 삽입 부작용을 줄이고 환자의 회복력을 크게 높였습니다.

 

또한 적층구조가 뼈와 유사한 다공성으로 이뤄져 흉부 압박을 가해도 부러지지 않는 10~15GPa(탄성계수) 수준의 탄력성까지 지니고 있습니다. 아울러 3D 프린팅 과정에서 전자빔 방식을 적용해 금속 3D 프린팅의 최대 난점으로 지적돼 온 열에 의한 변형을 막아 세계 최대 크기의 형상을 정밀하게 구현할 수 있었습니다. 

 

중앙대학교병원 흉부외과 박병준 교수팀의 인공 흉곽 이식 수술 장면. 출처: 한국생산기술연구원
중앙대학교병원 흉부외과 박병준 교수팀의 인공 흉곽 이식 수술 장면. 출처: 한국생산기술연구원

중앙대학교병원 흉부외과 박병준 교수팀은 완성된 인공 흉곽을 실제 환자의 가슴뼈에 성공적으로 이식했습니다. 이 환자는 가슴뼈에 악성종양인 육종이 발생한 55세 남성으로 병변 부위가 광범위해 흉곽 절제가 필요했지만, 기존 수술법으로는 재건이 불가능한 상태였다고 합니다. 골 시멘트나 티타늄 막대 등을 이용한 재건 수술로는 환자에게 꼭 맞는 모양을 만들기 어려운데다 소재가 무거워 수술 후 흉부 불편감과 호흡 곤란, 세균 감염을 일으킬 위험성이 있었기 때문입니다. 

 

박병준 교수팀은 환자의 종양이 급격히 커져 기대수명이 6개월 이하로 줄어들자 환자의 흉골과 늑골 10개를 절제한 뒤 제작된 인공 흉곽을 이식하는데 성공했습니다. 이는 3D 프린팅 인공 흉곽으로는 세계 6번째 재건 수술이며 수술을 마친 환자는 빠른 회복세를 보였습니다.

 

인공 흉곽을 개발한 김건희 그룹장은 "3D 프린팅 두개골에 이어 흉곽 이식 수술 성공으로 부작용 우려 없는 맞춤용 인체 삽입물 시대를 열게 됐다"며 "앞으로 고관절, 무릎관절 등 개인 체형에 따라 달라지는 다양한 인체 삽입물을 제작해 수혜환자의 폭을 넓힐 것"이라고 전했습니다. 

 
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