제１절 개발 개요
１. 목적
본 연구개발의 목적은 크게 2 가지로 나뉜다. 첫 번째 목표는 환자맞춤형 세라믹 골 이식재의 3D 프린팅을 위한 광경화성 레진 소재 기술 개발이다. DLP 3D 프린팅 방법을 사용하여 세라믹 소재를 3D 프린팅 하기 위해서는 광원에 적합한 광경화성 레진 소재를 개발하는 것이 필수적이다. 따라서 개발된 소재가 3D 프린팅 및 소결 이후에 적합한 압축 강도를 가지는지 확인하는 것을 목표로 한다. 두 번째 목표는 DLP 기반 의료용 세라믹 3D 프린터의 하드웨어 및 소프트웨어 기술 개발이다. 개발 된 소재를 적용하여 3D 프린팅을 할 수 있는 하드웨어 및 환자맞춤형 골 이식재를 제작할 수 있는 소프트웨어 개발을 목표로 한다.
２. 필요성
임플란트 수술에 있어 골질이 불량한 경우, 골이식재를 사용하여 충분한 골질을 형성시킨 후 임플란트 수술을 실시한다. 기존의 골이식재는 입자형 골이식재가 대 부분으로 수술 전 혈액 등으로 뭉쳐서 이식하게 된다. 골이식재의 적용 부위가 socket 형태일 겨우 입자형 골이식재를 사용하는 것이 무리가 없으나, 대부분이 경 우 ridge 형태가 많으며 이 경우에는 골이식 후, 차폐막 등을 사용하여 골이식재가 흘러내리지 않도록 하는 후처리가 필요하다. 또한 넓은 부분에 골이식재를 사용하 는 수술의 경우 복잡한 수술 과정으로 인해 수술에 소요되는 시간이 늘어나 의사 및 환자의 불편함이 증가하는 단점이 발생한다. 그리고 입자형 골이식재는 골형성
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과정 중 수축으로 인해 골폭이 줄어들게 되는데, 이러한 현상을 방지하기 위해 더 많은 양의 골이식재를 사용하게 되며, 이는 수술 부위를 크게 만드는 단점이 된다.
그림 4-1. 기존 사용되는 입자형 골이식재
이러한 불편함을 해소하기 위해 3D 프린터랄 이용한 환자 맞춤형 골이식재의 제 작이 가능한 3D 프린터 및 소재의 개발이 필요하다. 특히 3D 프린터를 이용하면 외 부의 형태는 물론 내부의 기공 크기까지 다양하게 조절이 가능한 골 이식재를 제작 할 수 있는 장점이 있다. 또한 환자 맞춤형으로 제작할 경우 입자형 골이식재를 사 용하는 것에 비해 골 이식이 필요한 부분을 미리 디자인하여 수술 시 별도의 과정 없이 바로 적용하여 사용하는 것이 가능하므로 수술 시간이 대폭 감소할 것으로 예 상된다.
현재 관련 분야에 대한 시장의 요구사항이 점차 증가하는 추세이고 milling 에 의 한 환자 맞춤형 골 이식재는 시장에 소개되고 있으나, 원소재의 소모가 많은 단점 이 있고 복잡한 형태의 가공이 어려워 3D 프린터를 이용한 골이식재의 개발 및 사 업화가 필요한 상황이다. 세라믹 골이식재 소재를 광중합형 3D 프린터에 적용하게 되면, 레진 소재의 광 민감성 저하 및 광 산란 문제가 발생할 수 있다. 따라서 광 경화성 3D 프린팅에 적합한 세라믹이 함유된 레진 소재 개발이 필수적이다.
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그림 4-2. 환자 맞춤형 골이식재 (milling type)
그림 4-3. 광중합형 3D 프린팅 세라믹 레진 소재의 광산란 특성
３. 연구개발 동향
가. 세라믹 3D 프린팅 연구개발 동향
산업화 수준의 기술개발 및 보급이 가속화되고 있는 3D 프린팅 기술은 고분자와 금속 재료용으로는 많은 발전이 되어왔으나, 세라믹 재료를 적용한 3D 프린팅은 상대적으로 발전이 느린 상태이다. 높은 녹는점, 탈지 및 소결 과정의 필요성 등이 세라믹 3D 프린팅 기술 발전을 더디게 해 왔던 주된 요인이나, 최근 이를 극복하려는 시도가 시작되고 있다. 아래 표는 3D 프린팅의 7가지 방식을 나타낸 것이며, 재료 분사 방식을 제외한 나머지 방식은 모두 세라믹 재료를 활용하여 3D 프린팅을 한 보고가 있다.
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표 4-1. ASTM F7292-12a 및 ISO TC261의 3D 프린팅 방식 분류
세라믹 소재와 금속 및 고분자를 이용한 3D 프린팅 제조의 가장 큰 차이점은 대부분의 경우 3차원 조형 후 세라믹 소재는 탈지, 소결 그리고 치밀화를 포함한 후공정을 반드시 필요로 한다는 것이다. 3D 프린팅 기술의 장점을 최대한 살리기 위해서는 출발 원료 선택부터 소결 조건까지 전 공정에서 열처리에 의한 3차원 구조체의 부피 수축 및 변형 제어가 가능하여야 한다. 이러한 세라믹 소재의 난 성형성을 극복할 수 있는 해법으로 3D 프린팅 기술이 부각되기 시작하였으며 현재는 구조 세라믹, 전자 세라믹, 에너지 세라믹, 환경 세라믹 그리고 바이오 세라믹 등 세라믹 전 분야에 대해 적용이 연구되고 있다. 아래의 표는 세라믹 소재의 3D 프린팅 기술 적용의 예를 분류하였다.
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표 4-2. 세라믹 소재의 3D 프린팅 기술 적용 예
아래 표에 세라믹 3D 프린팅 상용화 제조사와 적용 방법을 분류하였다. 영국의 Argilsys와 벨기에의 Unfold 사는 각각 BJ 및 ME 방식을 이용하여 생활도자기를 주문 판매하는 사업을 진행하고 있다. 일본의 NEXT21은 BJ 방식, 프랑스의 Prodway는 PP 방식을 사용하여 3D 프린팅으로 제조된 개인맞춤형 골이식재 및 인공뼈를 생산중에 있다. 기계부품용 세라믹 3D 프린팅 기술도 활발히 연구 개발이 진행되고 있으며, 오스트리아의 Lithoz 사는 PP 방식으로 굴곡강도 600MPa급 지르코니아 세라믹 구조체를 제조할 수 있는 3D 프린터 및 세라믹 소재를 판매하고 있다. 그리고 미국의 ExOne사는 최종 제품이 세라믹인 제품 뿐만 아니라 금속용 세라믹 금형 제작이 가능한 3D 프린터 및 원료를 판매하고 있다.
그림 4-4. 영국의 Argilasys사(좌)와 벨기에 Unfold사(우)에서 판매중인 3D 프린팅 으로 제작된 생활 도자기
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그림 4-5. 일본 NEXT21사(좌)와 프랑스 Prodways사(우)에서 판매중인 3D 프린팅으 로 제작된 인체 이식용 바이오 세라믹스 임플란트
그림 4-6. 오스트리아 Lithoz사(좌)에서 제작한 지르코니아 부품 및 미국 ExOne사 (우)에서 제작한 세라믹 부품
나. 세라믹 3D 프린팅 특허 동향
30여년 전부터 발전을 거듭해온 고분자나 금속 등의 3D 프린팅 산업분야에 비해 세라믹 기반 3D 프린팅 산업은 연구 규모나 다양성이 크게 뒤쳐져있다. 아래의 그림은 3D 프린팅 소재 특허 현황을 나타낸 그림으로 세라믹 소재가 타 소재에 비해 현재 형성되어 있는 시장 규모와 기술력의 차이를 분명하게 알 수 있다.
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그림 4-7. 3D 프린팅 소재 특허 현황 [일본 경제산업체 보고서, 2014]
아래 표는 세라믹 3D 프린팅과 관련된 특허 동향이다. 현재 세라믹 3D 프린터는 하드웨어 개발이 지속적으로 진행되고 있으나, 큰 틀에서 FDM과 DLP 의 형태에서 벗어나지는 못하고 있는 것으로 보이며, 고점도의 특성상 분산과 관련한 기술 개발이 시도되고 있다. 또한 대부분의 특허는 소재과 관련한 연구가 다수를 이루고 있으며, 이와 관련한 적용분야에 대한 연구가 주를 이룬다.
표 4-3. 세라믹 소재의 3D 프린팅 특허
세라믹 3D 프린팅 특허
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세라믹 3차원 프린팅 장치 및 3차원 프린팅 방법 (10-2017-0010290) - 한국기계연구원
∙ 세라믹 소재를 투명한 필름위에 도포하고 광경화를 진행하고, 이를 적층 하여 출력물을 제작하는 방식으로 DLP의 형태이며, 유사한 장비로는 캐리 마에서 판매하고 있는 것과 유사한 방식의 3D프린터
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그림 4-8. 추진체계 및 역할
５. 개발 범위
환자맞춤형/생체이식형 3D 프린팅을 위한 출발 원료 소재 합성은 메가젠임플란트 에서 社에서 보유하고 있는 소재 합성 기술에 기반하여 개발을 진행한다. 환자맞춤 형 세라믹 레진 소재 출력을 위한 DLP 기반 의료용 프린터를 도입 하고 프린터 제 어를 위한 프로그램을 개발함으로써, 골이식재의 3D 프린팅을 가능하게 한다. 자체 적으로 화학적, 물리적 물성 평가를 진행한다. 광경화성 레진은 405 nm 의 파장대 에서 개시가 되도록 설정하며 이를 기반으로 하여 레진과 세라믹 시스템을 구축한 다.
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