생체의료 3D 프린팅의 트렌드와 혁신
우리는 3D 프린팅 혁명의 한가운데에 있습니다. 과거에는 주요 연구 대학과 포춘 500대 기업만 사용할 수 있었던 3D 프린팅 기술이 이제는 대중화되었습니다. 2021년에는 220만 대의 3D 프린터가 출하되었습니다. 이 수치는 2030년까지 2,150만 대로 증가하여 신속한 프로토타이핑 기술이 대중에게 보급될 전망입니다.
항공우주 분야부터 건설 분야에 이르기까지 거의 모든 주요 산업이 신속하고 비용 효율적인 제조를 위해 3D 프린팅 기술을 활용하고 있습니다. 3D 프린팅의 힘을 받아들이는 모든 산업 중에서도 생체의료 공학은 가장 큰 응용 잠재력을 지니고 있습니다. 본 기사에서는 의료 및 보건 분야에서 3D 프린팅이 어떻게 부상하고 있는지 살펴보겠습니다.
모든 것의 시작 — 3D 프린팅의 역사
1981년 일본의 발명가 고다마 히데오가 최초의 “ 신속 프로토타이핑 장치 ” 특허를 출원했을 때, 그는 이듬해 특허 비용 지원을 포기하면서 이 개념은 실패하는 듯 보였습니다. 그러나 이 아이디어는 향후 혁신을 위한 촉매제가 되었습니다. 1984년 찰스 헐이 오늘날 널리 사용되는 3D 프린팅 기술인 광경화 적층 방식(SLA)에 대한 특허를 출원했습니다. 1988년에는 이 혁신적인 SLA 기술을 기반으로 한 최초의 상용 3D 프린터가 출시되었습니다.
곧이어 다른 핵심 3D 프린팅 기술들이 등장했습니다. 1980년대 후반까지 용융 적층 모델링(FDM)과 선택적 레이저 소결(SLS)이라는 두 가지 적층 제조 장치에 대한 특허가 출원되었습니다. FDM은 압출 방식을 사용하는데, 노즐이 가열된 재료를 층층이 쌓아 3D 제품을 만드는 방식입니다. SLS 는 다소 다른 방식으로 작동합니다. 분말 형태의 재료를 빌드 플랫폼 위에 얇게 펴 바른 뒤, 각 층을 빠르게 고형화(소결)하여 3D 프린팅 제품을 완성합니다. 이후 “제팅(jetting)” (2D 잉크젯 프린팅 기술의 변형)과 광중합 방식이 뒤따랐습니다.
초기에는 이러한 기술들이 특허 보유자에게만 국한되었습니다. 그러나 특허 만료와 RepRap 오픈 소스 개념의 발명으로 이제 새로운 기업들이 이 흥미로운 분야에서 이름을 알릴 수 있게 되었습니다. 가장 큰 돌파구 중 다수는 생체의료 분야에서 이루어졌으며, 그중에는 이식 수술을 위한 최초의 3D 프린팅 장기 인 방광 개발도 포함됩니다.
오늘날 생체의료 분야의 3D 프린팅은 급성장하고 있습니다. 2021년 전 세계 생체의료 3D 프린팅 시장 규모는 14억 5천만 달러로 추산되었으며, 2030년에는 약 62억 1천만 달러까지 성장할 것으로 예상됩니다. 생체의료 3D 프린팅의 주요 트렌드를 파악하기 위해 우리는 CAS Content Collection™ 데이터를 분석했습니다. 이는 인간이 직접 큐레이션한 과학 지식 데이터베이스 중 가장 방대한 규모를 자랑합니다.
3D 프린팅의 기술 및 재료
3D 프린팅은 분말 적층 용융, 제팅, 압출, 광중합이라는 네 가지 범주로 나뉩니다. 응용 분야가 워낙 다양하기 때문에 모든 상황에 맞는 ‘만능’ 3D 프린팅 기술은 존재하지 않습니다. 하지만 FDM과 같은 압출 기반 기술은 여전히 생체의료 3D 프린팅에서 가장 널리 사용되는 방식입니다 (그림 1).
플라스틱과 금속부터 천연 물질에 이르기까지 생체의료 3D 프린팅에는 매우 다양한 재료가 사용될 수 있습니다. 폴리카프로락톤 및 폴리락트산과 같은 합성 고분자는 (그림 2)와 같이 가장 흔히 사용되는 3D 프린팅 재료에 속하며, 미세유체 및 의료용 임플란트 분야에 활용됩니다. 가장 널리 사용되는 무기 물질은 하이드록시아파타이트로, 치과 재료 및 뼈 복원용 충전재로 사용됩니다. 알지네이트와 히알루론산 같은 다양한 천연 고분자 역시 바이오 프린팅 분야에서 인기를 얻고 있습니다.
생체의료 3D 프린팅의 부상
생체의료 3D 프린팅 응용 분야의 학술지 및 특허 출판 연간 추세를 보면 이 분야의 혁신이 급성장하고 있음을 알 수 있습니다. 다만 학술지 논문 수(약 15,000건)가 특허 출판 수(약 5,700건)보다 현저히 많았습니다(그림 3). 이러한 추세는 최근 해당 기술의 상용화가 증가하고 있음을 반영할 수 있습니다.
약 90개국에서 생체의료 3D 프린팅 응용에 관한 논문을 발표했으며, 이는 해당 기술에 대한 광범위한 관심을 시사합니다. 이 중 미국과 중국이 학술지 및 특허 출판물 모두에서 가장 많은 실적을 보이며 선두를 달리고 있습니다(그림 4 및 5).
생체의료 3D 프린팅 특허 양수인을 분석해 보면, 대부분의 특허가 미국 기업인 3M에 할당되었음을 알 수 있습니다. 특허 출판이 활발한 다른 국가로는 한국, 리히텐슈타인, 프랑스, 중국 등이 있습니다(그림 6).
생체의료 3D 프린팅의 혁신적 응용
이미 생체의료 3D 프린팅의 주요 응용 분야를 살펴보았지만, 가능성은 무궁무진합니다. 의료용 임플란트 개발부터 의료 장비 제조에 이르기까지 혁신이 빠르게 진행되고 있습니다. 조직 및 장기 공학은 3D 프린팅의 주요 응용 분야로, 연골, 근육, 및 피부 와 같은 복잡한 구조물의 제작이 연구되고 있습니다. CAS 콘텐츠 컬렉션을 분석한 결과, "조직 공학", "조직 지지체", "바이오프린팅"과 같은 개념이 조직 및 장기 관련 생체의료 3D 프린팅 출판물에 자주 등장하며, 이는 해당 분야가 핵심 연구 영역임을 보여줍니다 (그림 7).
3D 프린팅 기술은 맞춤형 의학이라는 난제를 해결하기 위해 제약 분야에서도 여러 잠재적 응용 가능성을 지니고 있습니다. 생체의료 3D 프린팅을 활용하면 의약품의 용량, 형태, 크기 및 방출 특성을 수정하고 미세 조정하는 것이 가능할 수 있습니다.
생체의료 3D 프린팅 기술은 보철물 및 임플란트 제작 분야에서도 새로운 역량을 열어주었으며, 환자의 해부학적 구조, 색상, 형태 및 크기에 맞춘 개인 맞춤형 보철물 제작이 가능해졌습니다. 유연한 소재는 신체 부위와 기능에 더 많은 선택지를 제공하며, 티타늄 합금과 같은 금속은 골 재건에 활용될 수 있습니다. CAS 콘텐츠 컬렉션 분석에 따르면 정형외과 및 보철 관련 3D 프린팅 출판물에서 "보철 임플란트", "보철 재료", "치과 임플란트"와 같은 개념이 자주 등장합니다 (그림 8). 조직 및 장기 분야에 비해 출판물 수는 현저히 적지만, 여전히 역동적이고 빠르게 성장하는 분야입니다.
생체의료 3D 프린팅의 과제
생체의료 3D 프린팅 분야에서 많은 흥미로운 진전이 있었지만, 여전히 많은 영역에서 초기 단계에 머물러 있습니다. 예를 들어, 연구진이 혈관화된 심장 패치를 바이오프린팅하는 데 성공했지만, 견고한 심장 판막(완전한 장기는 말할 것도 없고)을 제작하는 것은 아직 현실화되기까지 갈 길이 멉니다. 현재 3D 프린터는 실제 조직의 생체 역학 및 기능을 갖춘 조직을 제작할 수 없습니다. 바이오 잉크의 발전과 배지 및 줄기세포의 활용은 향후 이러한 방법의 최적화에 기여할 것입니다.
생체의료 3D 프린팅의 미래
현재의 연구 추세를 볼 때, 생체의료 3D 프린팅에 대한 지속적인 대규모 투자와 혁신을 기대할 수 있습니다. 우리는 이 기술이 더욱 보편화될 것이며, 약국에서 3D 프린터를 사용하는 개념이 곧 현실이 될 것으로 예측합니다. 생체의료 3D 프린팅은 병원에 상당한 재정적 투자를 요구하지만, 적절한 계획이 뒷받침된다면 그 혜택은 비용을 훨씬 상회할 수 있습니다. 기술이 성장함에 따라 표준화된 용어가 필요하며, 미국 식품의약국(FDA)은 생체의료 3D 프린팅 제품의 안전성과 유효성을 보장하는 새로운 규제 프레임워크를 정의해야 합니다.
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