의료현장 패러다임 변화…연간 20% 이상 성장 전망
지난 20년 동안 3-D 프린팅은 틈새 기술에서 수십억 달러 산업으로 성장했다.
제조 과정은 축소 모형의 소량을 생산하는 방법으로 1980년대에 개발됐지만 이후 의료기기와 수술 임플란트의 제조와 임상 사용 등으로 확대됐다.
첨삭가공으로 알려진 과정은 플라스틱, 폴리머, 금속과 층의 분말 등 물질을 프린팅하는 3차원 물체를 구축하기 위해 컴퓨터 모델을 사용한다.메드트로닉(Medtronic), 카라마주(Kalamazoo), 스트라이커(Stryker) 등 기업들은 혁신적 정형외과와 심혈관 제품을 개발하기 위해 투자하고 있다.
반면 오가노보(Organovo) 등 다른 기업들은 임플란트와 임상시험에 사용될 수 있는 3-D 프린터 장기와 조직을 생산하고 있다.임플란트와 장기는 의료 진단과 약물 시험의 분야에서 큰 잠재력이 있는 바이오프린팅(bioprinting)으로서 3-D 프린팅 등식의 유일한 부분이다.
올해 초 미국과 중국 연구팀은 연구 목적을 위해 암성 종양의 사실적 3-D 모델을 만들었고 하버드의 와이스 연구소(Wyss Institute)약물 실험을 위해 골수 온어칩(bone-marrow-on-a-chip)을 공개했다.기업들은 발전에 중요한 비용과 규제 장벽에 직면했지만 많은 의료기기 업체와 연구자들은 3-D 프린팅에 이미 중요한 발전을 기록하고 있다.
3D 프린팅 응용
의료기기 회사들이 포화된 정형외과 시장에서 가장 혁신적인 제품을 위해 경쟁하고 있어 3-D 프린트 임플란트는 수술실과 수술 과정에서 더 일반화될 수 있다.이 분야에 혁신은 Newcastle Upon Tyne Hospitals NHS Trust에서 한 자문 정형외과 전문의가 노인 암 환자에게 티타늄 분말로부터 고관절 대체를 만들기 위해 병원의 3-D 프린터를 사용했을 때 올해 초 보고됐다.
Craig Gerrand 박사는 레이저와 임플란트를 융합했고 새로운 뼈가 성장할 수 있는 미네랄로 기기의 외부를 코팅했다.
그는 지팡이의 도움으로 환자가 걷도록 하는 표준 고관절 대체술을 이용해 골반을 임플란트했다.3-D 프린트 임플란트는 수술실에서 거의 새로운 현상은 아니다.
BBC 뉴스에 따르면 2012년에 벨기에 정형외과 전문의는 전체 아래턱의 세계 첫 환자 특이 임플란트를 만들기 위해 3-D 프린팅 기업과 손을 잡았다.작년 5월에 미시간 대학의 의사들은 3D프린터로 만든 생분해성 기도 부목(Bioresorbable Airway Splint Created with a Three-Dimensional Printer)'이라는 연구 데이터를 뉴잉글랜드의학저널에 게재했다.
다른 혁신은 지난 3월 네덜란드 위트레흐트 대학병원의 의사들이 3-D 프린트 임플란트로 환자의 두개골의 상부를 성공적으로 대체했다고 발표했을 때이다.
호주 3-D 프린팅 연구인 해부학(Anatomics)은 의료기기 업체에게 도움이 되고 임플란트는 환자 시력과 운동력을 회복했다.수술 분야 이외 연구자들은 특이한 스포츠 부상을 치료할 수 있는 주문 디자인 뼈 임플란트를 개발하고 있다.
워싱턴주립대학의 연구자인 Susmita Bose와 Amit Bandyopadhyay는 인체에 통합되고 뼈 성장을 촉진하는 임플란트를 만들기 위해 LENS(laser engineered net shaping) 기술을 사용하고 있다.
3-D 프린트 임플란트가 환자에게 다가가고 있는 반면 3-D 프린트 장기는 산업 추세가 진행 중에 있다.
미국 오가노보 홀딩스(Organovo Holdings)는 장기 이식과 시험 목적으로 살아있는 조직을 개발하기 위해 3-D 프린팅 기술을 실행하고 있다.지난 2월 회사측은 연구자들이 다른 세포형으로 많은 샘플을 빠르게 테스트하고 장기, 혈관과 피부를 만드는데 도움이 되는 조직을 생산하기 위해 3-D 프린터를 사용한다고 밝혔다.
오가노보는 결함 장기에 패치로 사용할 수 있는 스트립(strips)이나 세포의 튜브를 탐구하고 있지만 스트립은 임상시험에서 5~6년 멀어져 있다고 말했다.
오가노보는 3-D 바이오프린팅 기술로 만든 인공 간 제품을 공개했다.
간은 자연적 조직의 형태를 복제했고 제약사들이 간 독성을 보다 정확하게 예측하는데 도움을 주기 위해 디자인됐다.보스턴의 BWH(Brigham and Women's Hospital)도 3-D 프린팅 기술을 이용해 합성 혈관을 5월 만들었다.
과학자들은 아가로스 섬유소( agarose fiber)로 혈관의 틀을 만들었고 젤리 같은 물질인 히드로겔(hydrogel)로 구축물을 덮었다.연구팀은 작용하는 관을 만들기 위해 표면 형판을 제거했다.
조립 관에 형성된 층은 인체 외부에서 이식된 조직을 개발과 약물 시험을 위해 긍정적인 영향을 가질 수 있다.
3D 프린팅과 바이오프린팅
약물 시험과 진단학을 위해 3-D 프린팅은 유망한 잠재력을 제공할 수 있다.
4월에 미국과 중국 연구팀은 암성 종양의 모델을 만들기 위해 3-D 프린팅 기술을 사용했다.
모델은 넓이와 길이를 10nm까지 측정했고 전임상 연구 동안 약물 개발자들이 새로운 물질 시험에 도움이 될 수 있다.3-D 프린트 모델은 2-D 프린트 버전보다 종양 환경을 더 정확히 나타내고 더 확장형이다.
5월에 하버드의 WIBIE(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) 연구진은 ‘bone marrow-on-a-chip’이란 약물 시험을 위한 새로운 툴을 발표했다.기기는 골수의 구조, 기능, 세포 구성을 모방했고 세포 사멸을 반전시키기 위해 미래 치료제 개발에 사용될 수 있다.
조작된 골수는 대부분의 골수가 현재 살아있는 동물에 온전하다는 것으로 연구하고 있어 동물 시험에 더 정확한 대안을 제공할 수 있다.이것은 장기 온어칩에 WI(Wyss Institute)의 첫 시도가 아니다.
WI 연구진은 장기 기능의 중요 부분을 모방한 폐, 심장, 신장, 내장 칩을 이미 만들었다.조작 골수를 만들기 위해 과학자들은 복잡한 바이오프린팅 과정을 사용했다.
연구진은 둥근 모양의 주형에 뼈 가루를 채웠고 쥐의 척추 피부 밑에 디스크를 임플란트했다.8주 후 주형을 제거했고 CT 스캐너를 했다.
스캔은 실제 골수와 동일하게 보이는 구조를 나타냈다.미국 노티스(Nortis)사도 3-D 칩 기술을 추진하고 있다.
최근 차세대 미세유동 칩(microfluidic chip) 개발에 뛰어들었다.회사는 신장, 내장, 간 등 실험 목적으로 미세유동 칩에 대한 많은 오르가노이드(organoids)를 개발하고 있다.
제약사들은 임플란트와 장기 이외에 3-D 프린팅을 다른 목적으로 탐색하고 있다.덴마크의 룩세셀(LUXeXcel)은 개별적 광택 렌즈를 장착한 3-D 프린트 독서 안경을 개발하기 위해 기술을 이용하고 있다.
국내 적용 사례
국내 의료계의 3D프린터 활용도 활발하다.
서울성모병원 의료진은 최근 3-D프린터로 만든 인공 얼굴뼈 보형물을 이식하는 데 성공했다.
생분해성 재료로 만든 그물 형태 구조물로, 함몰 부위를 지지하는 인공뼈 역할을 하다가 환자 뼈가 재생되면 체내에서 분해된다.이 병원 심뇌혈관센터는 지난 8월 고난이도 대동맥질환 수술 계획 수립에 3D프린터로 만든 대동맥 모형을 활용했다.
작년에는 3D프린터로 만든 인공 기도 지지대를 환자에 이식에 성공하기도 했다.세브란스병원은 두개골 결손 환자 수술에 타이타늄 소재 3차원 출력물을 활용했다
지난해 삼성서울병원 의료진은 부비동암 수술 후 발생할 수 있는 안면부 함몰 및 비대칭 부작용 가능성을 최소화를 위해 3-D프린터를 이용했다.순천향대병원의 의료진은 3D프린팅 기술을 사용해 내시경 기구를 직접 제작, 소화기점막하종양을 제거했다.
3-D 프린팅 시장 전망
기업들은 제조를 용이하게 하고 제품 포트폴리오를 발전시키기 위해 3-D 프린팅을 찾고 있다.
의료기기 메이커인 스트리커(Stryker)는 무시멘트, 트라이슬론 트라이타니움(triathlon tritanium) 무릎 시스템을 만들기 위해 3-D 프린팅을 사용하고 있고 메드트로닉은 기술을 활용하기를 희망하고 있다.
많은 3-D 프린트 기기들이 지난 수년간 510(k) 허가를 받았지만 새로운 규제 사안은 시장에 제품을 출시하기 위해 기업을 더 어렵게 만들 수 있다.미국 FDA는 주문 제작한 기기들이 헬스케어 시설에서 프린트될 수 있는지 등 3-D 프린팅과 관련된 이슈를 분석하고 있다.
최근 FDA는 화제를 논의를 위해 추가 제조 워킹 그룹을 만들었고 3-D 프린팅을 통한 제조하는 기기에 대한 잠재적 도전과 해결을 가늠하기 위해 전문가에게 자문하고 있다.3-D 프린팅이 향후 기기를 제조하는 방법에 어떤 영향이 있는지를 조사하기 위해 2개 실험실도 운영하고 있다.
기술은 아직 의료보험 적용이 되지 않고 현재 기술의 대부분은 협력에 의존하고 있어 비용도 3-D 프린팅에 중요한 장애로 남아있다.고해상도 프린터는 4만 달러에서 100만 달러 이상이다.
의료 혁신은 표적적으로 지속되고 있고 기술은 임상 현장에서 더 많은 적용이 발견되고 있어 3-D 프린팅은 앞으로 수년 내에 급격한 성장을 보일 수 있다.3-D 프린팅은 디지털 파일과 다양한 프린팅 재료를 사용해 제조업자에게 물체 개발을 허용한다.
3-D 프린팅에 사용된 재료는 다양한 유형의 폴리머, 금속, 세라믹 등이다.리서치 업체인 AMR(Allied Market Research)에 따르면 글로벌 3-D 프린팅 시장은 발전 단계에 있으며 2013년 23억 달러에서 2020년 86억 달러 규모로 연평균 20.6% 성장할 전망이다.
3-D 프린팅 시장을 견인하는 요인은 고도의 정확성, 원재료의 효율적 이용, 맞춤 제품을 구축하는 능력, 프린팅을 위한 다양한 재료의 동시 사용, 생산 시간과 자금의 효율적 이용, 전통적 기술에 대한 역량 등이다.반면 개인 사용자의 높은 생산비, 고가 3-D 프린팅 소프트웨어, 채널 파트너 지원 부족, 숙련공 부족, 대량생산 불능 등은 3-D 프린팅 시장의 일부 걸림돌이 되고 있다.
컨설팅업체인 리서치&마케트에 따르면 한국의 3D 프린터 시장은 2013~2018년까지 연간 29.7% 성장이 예상된다.