3D 프린팅이 의료 임플란트 및 기기를 사용자 정의하는 방법

의료용 임플란트와 수술 도구는 표준 크기로 제작되는 경우가 많지만, 이러한 접근 방식에는 두 환자가 완전히 똑같은 경우는 없다는 한계가 있습니다. 장치가 환자의 신체에 완벽하게 맞지 않으면 수술 시간이 길어지거나 합병증 위험이 높아질 수 있습니다. 3D 프린팅은 개인의 해부학적 구조에 맞춰 의료 기기를 제작할 수 있도록 하여 솔루션을 제공합니다.이 기사에서는 맞춤형 임플란트, 수술 도구, 해부학적 모델을 제작하는 데 이 기술이 어떻게 사용되어 의료 서비스를 개선하는지 설명합니다.

핵심 프로세스: 환자 스캔부터 물리적 솔루션까지

맞춤형 3D 프린팅 의료 기기를 만드는 데는 환자의 의료 스캔을 수술에 사용할 준비가 된 완제품으로 변환하는 간단한 과정이 포함됩니다.

1단계: 환자 스캔

고해상도 MRI 또는 ​​CT 스캔은 검사 과정의 첫 단계입니다. 이러한 스캔은 환자의 신체 사진을 수백 장 촬영하여 의사에게 뼈, 장기 또는 혈관의 정확한 크기를 알려줍니다. 이러한 세부적인 정보를 바탕으로 맞춤형 장치가 제작됩니다.

2단계: 3D 디자인 만들기

다음으로 의료 엔지니어는 Mimics 또는 3-matic과 같은 전문 CAD 소프트웨어를 사용하여 2D 스캔 이미지를 정확한 3D 디지털 모델로 변환합니다.수술팀과 함께 이 모델을 사용하여 맞춤형 임플란트나 수술 가이드가 환자의 신체에 1mm 이내로 맞는지 확인합니다.

3단계: 장치 인쇄

마지막 디자인 파일은 다음 위치로 전송됩니다. 의료용 3D 프린터, 한 번에 한 층씩 물체를 만듭니다. 용도에 따라 사용되는 재료가 결정됩니다. 고강도 티타늄 금속은 강하고 생체 적합성이 뛰어나 영구 임플란트 제작에 자주 사용됩니다. PEEK와 같은 폴리머는 뼈처럼 작용할 수 있기 때문에 사용될 수도 있습니다. 해부학적 모형과 수술 가이드는 종종 생체 적합성 수지로 제작됩니다. 재료가 금속인 경우, 인쇄 방식은 선택적 레이저 용융(SLM), 그리고 재료가 플라스틱이라면, 광조형(SLA).

4단계: 마무리 및 살균

이 장치는 인쇄 후 최종 가공 과정을 거칩니다. 여기에는 지지 구조를 제거하고, 표면을 매끄럽게 만들고, 때로는 열을 가하여 강도를 높이는 과정이 포함됩니다. 그런 다음 수술실에서 안전하게 사용할 수 있도록 감마선이나 오토클레이브를 사용하여 매우 조심스럽게 세척하고 살균합니다.

응용 분야 1: 맞춤형 의료 임플란트

가장 중요한 용도 중 하나 3D 프린팅 의학에서 가장 중요한 것은 환자에게 완벽하게 맞는 맞춤형 임플란트를 만드는 것인데, 이는 성공적인 장기적 결과를 위해 매우 중요합니다.

정형외과 임플란트

무릎, 고관절, 어깨용 표준 인공관절은 제한된 사이즈로 제공됩니다. 환자의 해부학적 구조가 이러한 표준 사이즈 중 하나와 일치하지 않으면 착용감이 완벽하지 않을 수 있습니다. 3D 프린팅 환자의 CT 스캔 데이터를 기반으로 임플란트를 제작하여 이 문제를 해결합니다. 이를 통해 임플란트가 뼈에 정확하게 맞아 안정성이 향상되고 주변 부위의 부담이 줄어듭니다. 또한, 설계자는 임플란트에 특수 다공성 구조를 삽입하여 시간이 지남에 따라 환자 본인의 뼈가 임플란트 안으로 자랄 수 있도록 할 수 있습니다. 골유착이라고 하는 이 과정은 더욱 강하고 영구적인 결합을 형성합니다.

맞춤형 정형외과 임플란트의 주요 이점은 다음과 같습니다.

• 뼈에 가해지는 스트레스를 최소화하는 정밀한 핏.
• 더 나은 장기적 성능을 위해 안정성이 향상되었습니다.
• 임플란트가 헐거워지거나 실패할 위험이 줄어듭니다.
• 다공성 표면으로 인해 골유합이 더 잘 됩니다.

두개악안면(CMF) 재건

이 기술은 부상이나 종양 제거 후 얼굴, 턱, 두개골을 복구하는 CMF 수술에서도 매우 유용합니다. 과거에는 외과의들이 수술 중 이러한 부위를 복구하기 위해 일반 금속판을 수동으로 구부리고 모양을 잡아야 했습니다. 이 작업에는 오랜 시간이 걸렸고, 결과도 항상 완벽하지는 않았습니다. 이제 앞서 설명한 프로세스를 사용하여 결함에 정확히 맞는 맞춤형 임플란트를 미리 인쇄할 수 있습니다.이렇게 하면 수술 시간이 단축될 뿐만 아니라 환자에게 기능적, 미적 측면에서도 훨씬 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다.

응용 프로그램 2: 맞춤형 수술 도구

임플란트 외에도 3D 프린팅은 맞춤형 도구를 만드는 데 사용됩니다. 외과의가 수술을 보다 안전하고 효과적으로 수행하는 데 도움이 됩니다.

환자 맞춤형 수술 가이드

이는 수술 중 환자의 뼈에 직접 장착되는 맞춤형 템플릿입니다. 가이드에는 외과의의 드릴이나 톱을 안내하는 슬롯이나 구멍이 있어 절단 및 나사 배치가 매우 정확하게 이루어집니다. 예를 들어, 무릎 인공관절 수술에서 가이드는 새로운 관절에 적합한 각도로 뼈를 절단하도록 합니다. 이를 통해 수술 시간이 단축되고 침습성이 줄어들며, 초기 스캔 및 설계 단계의 정확성을 통해 건강한 뼈를 최대한 보존할 수 있습니다.

맞춤형 수술 도구

외과의는 특정 작업이나 자신의 손에 맞게 설계된 겸자, 클램프, 메스 손잡이와 같은 도구를 인쇄할 수도 있습니다. 예를 들어, 외과의는 장시간 수술 중 피로를 줄이기 위해 맞춤형 그립이 있는 메스 손잡이를 디자인할 수 있습니다. 손이 닿기 어려운 부위의 종양을 제거하는 것과 같은 어려운 시술의 경우, 해당 작업에 맞춰 고유한 모양의 견인기를 디자인하고 인쇄할 수 있습니다. 이러한 맞춤 제작은 외과의의 편안함과 제어력을 향상시켜 더 나은 수술 결과를 가져옵니다.

응용 프로그램 3: 계획 및 훈련을 위한 해부학적 모델

환자의 해부학적 구조를 정확하게 복제한 모형을 인쇄하면 외과의, 학생, 환자가 복잡한 의료 상황을 더 잘 이해할 수 있습니다.

수술 계획 및 리허설

외과의는 복잡한 골절이나 종양의 1:1 크기 모형을 인쇄할 수 있습니다. 실제 모형을 들고 있으면 화면의 2D 이미지를 보는 것보다 환자의 해부학적 구조를 훨씬 더 명확하게 이해할 수 있습니다. 이를 통해 수술팀은 종양과 주변 혈관의 관계를 파악하고, 최적의 접근법을 계획하고, 수술의 어려운 부분을 미리 연습할 수도 있습니다. 이러한 준비 과정은 수술실에서 예상치 못한 상황을 줄이는 데 도움이 됩니다.

의학 교육

3D 프린팅 모델은 의대생들에게도 귀중한 학습 도구입니다.교과서에만 의존하는 대신, 학생들은 다양한 장기와 병리의 실제 모형을 직접 보고 살펴볼 수 있습니다. 이는 해부학을 더욱 직관적이고 효과적으로 배우는 실질적인 방법을 제공합니다. 이러한 모형은 복잡한 구조를 더 쉽게 이해하고 학생들이 실제 임상 실습을 준비하는 데 도움을 줍니다.

환자 커뮤니케이션

환자의 경우 진단이나 계획된 수술을 이해하는 것이 어려울 수 있습니다. 의사는 환자 자신의 신체 부위를 3D로 인쇄한 모델을 사용하여 문제와 치료 계획을 설명할 수 있습니다.모델을 보고 직접 만져보면 복잡한 의료 정보를 이해하기 쉽고, 환자가 더 나은 질문을 하고 자신의 결정에 더 자신감을 가질 수 있습니다.

의료용 3D 프린팅의 현재 과제

맞춤형 임플란트, 수술 도구, 해부학적 모델을 만드는 데는 상당한 이점이 있지만, 의학 분야에서 3D 프린팅을 광범위하게 사용하는 데는 몇 가지 실질적인 과제가 있습니다.

• 복잡한 규제 장벽: FDA와 같은 기관으로부터 환자 맞춤형 기기의 승인을 받는 것은 복잡하고 긴 과정입니다. 각 맞춤형 기기의 고유한 특성으로 인해 표준화가 어려워 새로운 애플리케이션을 시장에 신속하게 출시하는 데 상당한 장벽이 됩니다.
• 높은 비용과 불확실한 환불: 의료용 3D 프린터 특수 소프트웨어는 초기 투자 비용이 많이 듭니다. 더욱이, 맞춤형 인쇄 장비에 대한 보험사의 보상 정책이 아직 확립되지 않아 병원과 환자의 접근성이 재정적으로 어려움을 겪고 있습니다.
• 재료 제한: 이상적인 기계적 특성(강도 및 유연성 등)을 갖춘 생체적합성 소재의 범위는 여전히 제한적입니다. 더 다양한 재료특히 시간이 지나도 신체에 안전하게 흡수될 수 있는 고급 폴리머를 사용합니다.
• 전문성 격차: 의학, 공학, 디지털 디자인 분야에서 필요한 학제 간 역량을 갖춘 전문가가 부족합니다. 효과적인 팀을 구성하고 필요한 인재를 양성하기 위해서는 아직 널리 보급되지 않은 새로운 교육 프로그램이 필요합니다.

규제, 비용, 재료, 전문성과 관련된 이러한 문제는 더 광범위한 도입을 가로막는 주요 장애물입니다. 이러한 분야의 발전은 개인 맞춤형 의료 기기를 의료의 일상적이고 접근 가능한 부분으로 만드는 데 필수적입니다.

3D 프린팅을 통해 환자 치료를 개선하세요!

의학 분야에서 3D 프린팅은 단순히 새로운 제작 방식을 넘어, 개인 중심의 새로운 의료 표준을 구축하는 데 기여하고 있습니다.맞춤형 임플란트, 더욱 정확한 수술, 그리고 더 나은 준비를 가능하게 함으로써 이 기술은 환자 치료 결과 개선에 직접적으로 기여하고 있습니다. 이 분야의 지속적인 발전은 의료 서비스가 그 어느 때보다 정확하고 효과적이며 개인에게 맞춤화된 미래를 향해 나아가고 있습니다.

의료용 3D 프린팅에 대한 4가지 FAQ

질문 1: 3D로 인쇄한 장기가 거부될 수 있나요?

에이: 이론상으로는 아니오바이오프린팅의 주요 장점은 환자 본인의 세포를 사용하여 장기를 제작한다는 것입니다. 장기가 환자 본인의 생물학적 물질로 만들어지기 때문에 면역 체계가 이를 인식하고 거부 반응을 일으키지 않습니다. 따라서 기존 이식 수술에 필요한 면역 억제제가 필요 없게 됩니다.

질문 2: 장기를 생체인쇄하는 데 얼마나 걸리나요?

에이: 이 과정은 길고 장기의 복잡성에 따라 달라집니다. 스캐폴드의 초기 프린팅은 비교적 빠르지만, 가장 시간이 많이 걸리는 단계는 성숙 단계입니다. 프린팅된 구조물은 세포가 기능적인 조직으로 성장할 수 있도록 몇 주 또는 몇 달 동안 생물 반응기에서 보관해야 합니다.

Q3: 인간의 심장을 3D로 인쇄하는 것이 가능할까요?

에이: 아직 아님완전히 기능하고 이식 가능한 인간 심장은 아직 인쇄되지 않았지만, 연구자들은 살아 있고 박동하는 세포를 가진 소형 심장 모델을 개발했습니다. 이러한 모델은 현재 연구 및 약물 시험에 유용하지만, 이식 가능한 완전한 크기의 심장을 구현하기까지는 아직 오랜 시간이 걸릴 것입니다.

Q4: 어떤 장기가 3D로 성공적으로 인쇄되었나요?

에이: 성공은 주로 더 간단한 조직과 중공 구조에서 이루어졌습니다.과학자들은 수년 동안 피부와 연골을 프린팅해 왔습니다. 더욱 인상적인 것은, 맞춤형 3D 프린팅 방광과 기관(기관절개술)을 환자에게 성공적으로 이식했다는 것입니다. 그러나 신장이나 간과 같은 복잡한 고형 장기를 프린팅하는 것은 여전히 ​​큰 과제로 남아 있습니다.