3D 프린터 원리 의학적 활용

3D 프린터는의 원리로는 대표적으로 FDM ,SLS ,SLA 방식이 있다. 보급형으로 쓰이는 대부분 3D 프린터는 FDM 방식이다. SLS나 SLA는 대기업 또는 공장 국가기관에서 이용되고, 가격대가 높은 편이라 프린터 인쇄에 쓰이는 재료비용도 고가이다. 반면 FDM 방식은 가격대도 저렴하고 이용도 손쉽다. FDM은 Fused Deposition Modeling의 약자로, 필라멘트 형태의 열가소성 물질을 노즐 안에서 녹여내고 원하는 형태를 만드는데 필요한 부분에 녹인 물질을 밀어내어 굳히면서 밑에서부터 쌓아 올려 3D 프린팅하는 방법을 말한다. 노즐에서 녹여서 밀어내는 속도와 힘에 따라서 층의 크기와 디테일이 결정된다. 노즐로 물질을 녹여 밀어내기 위해선 노즐을 뜨겁게 온도를 높이는 과정이 필요하며 과정을 거치고 나온 필라멘트는 상온에서 굳으며 형태를 갖추게 된다. 특징으로는 강도가 강하고 습도에 강해 내구성이 뛰어나다는 점이 있다. 단점으로는 표면이 거칠고 제작 속도가 다른 방식에 비해 느리다는 것이고, 산업 분야에서 적용하기 위해서는 많은 발전이 필요하며, 현재로서는 오픈 소스를 이용하여 사용 가능한 개인용과 가정용에 주로 쓰이고 있다. SLA은 Stereolithography의 약자로, 광경화성 액체 수지가 담긴 수조에 레이저를 투사하여 레이저가 닿는 부분을 굳게 하여 쌓는 방식으로 3D 프린팅하는 방법을 말한다. 빌딩 플랫폼에서 프링팅 되는 물체와 그 물체를 받쳐주는 지지대가 만들어지고 한 층씩 쌓일 때마다 이 빌딩 플랫폼이 움직이며 다음 쌓는 부분을 지정해준다. 이 지정한 부분을 레이저로 굳히는 방식으로 3D 프린팅 작업이 완성된다. SLA 방식은 정밀도가 높아 표면을 매끄럽고 정교하게 만들 수 있어 대부분의 디테일이 중요한 미세한 형상 작업에서 사용된다. 하지만 제작 특성상 내구성과 내열성이 약하다는 점과 제작 단가가 다른 방식의 프린터에 비해 비싸다는 단점이 있다. SLS​은 SelectiveLaser Sintering의 약자로 대량의 작은 분말 형태의 플라스틱, 금속, 유리 덩어리를 레이저로 녹인 뒤 응고시키며 층을 쌓아 입체적으로 조형하는 방식이다. 레이저로 응고시킨 후 분말 덩어리를 잘 털어내면 응고된 부분이 남아 디자인한 형태의 조형물이 남게 된다. 분말이 덩어리 채로 존재하기에 SLA처럼 별도의 지지대가 필요하지 않으며 속도가 빠르고 사용하는 재료가 매우 광범위하기 때문에 재료의 한계성을 갖는 3D 프린터의 단점을 보완하는 큰 장점이 있다. 다만 분말 덩어리의 크기에 따라 제품의 생산 가능 크기가 제한된다는 점과 가격이 다른 방식에 비해 매우 비싸 일반 사용자들이 사용하기에는 큰 무리가 있다는 단점이 있다. 2014년에 특허가 만료되었기 때문에 앞으로 더 발전하여 대중화가 기대되는 방식이다. 3D 프린팅 기술을 수술 시뮬레이션 및 수술 임플란트 제작에 활용될 수 있다. 2015년 서울성모병원 의료진이 대동맥 질환 수술을 위해 3D 프린팅 기술을 활용한 사례가 보고되었다. 수술 전에 환자가 3차원 입체 CT검사로 촬영한 대동맥을 3D 프린터로 그대로 출력하고, 환자의 실제 대동맥과 같은 크기의 모형을 보며 몇 차례의 모의 수술계획을 세울 수 있다. 이로 인해, 스텐트 시술을 효과적으로 수행할 수 있었고 환자에게 치료계획을 쉽게 설명함으로써 환자에게 심적인 안정감을 높이는 결과를 보였다. 이는 대동맥류 환자의 수술이나 시술에 앞서 환자의 장기를 직접 만들어 치료계획에 처음으로 적용한 것에 의의가 있으며 앞으로 수술이나 시술이 필요한 대동맥류 환자에 확대 적용될 것으로 예상된다.
3D 프린터로 보형물을 제작하여 안면 조소술에 적용하는 기술이 개발되었다. 안면윤곽술이 뼈를 깎아내는 것이라면, 안면 조소술은 덧붙이는 시술을 말한다. 기존의 안면 조소술은 의사가 대략적인 보형물의 크기를 골라 수술을 하면서 이를 적당히 깎거나 변형해 덧대는 방식이다. 때문에 수술 후 얼굴이 울퉁불퉁해지거나 보형물이 살 속을 돌아다니는 부작용이 일어나기도 했다. 3D 프린팅은 이 같은 문제를 해결하면서 원래 뼈 모양과 유사한 보형물을 제작할 수 있다. 3D 프린터에 의해서 현재 가장 일반적으로 쓰이고 있는 의료 보조 기기 중 하나는 맞춤형 보청기이다. 현재 3D 프린터로 만들어진 보청기의 수는 약 100억 개에 달하고 있다. 3D 프린팅 기술을 이용한 맞춤형 보청기는 실리콘으로 귀 모양을 본뜬 후 3D 스캐너를 이용하여 귀 모양을 정확하게 인식하고, 그 모형에 따라 3D 프린터로 출력하면 맞춤형 보청기가 제작된다. 기존의 수작업과 달리 3D 프린팅 기술을 이용해 빠른 시간 내에 보청기를 제작할 수 있으며 대량생산이 가능해져 생산비용이 줄어들고 환자 귀 모양의 스캔 자료를 보관함으로써 보청기를 분실하더라도 똑같은 모양의 보청기를 손쉽게 제작할 수 있다. 3D 프린팅 기술은 팔이나 다리를 잃은 환자들이 착용하는 의족이나 의수의 덮개를 맞춤형으로 제작하는 데도 사용된다. 기존의 의족, 의수는 파이프 형태의 구조물을 그대로 보여주거나, 아니면 피부톤에 맞는 스펀지 등의 덮개로 표면을 감싸는 형태로 제작되었다. 이러한 기존의 의수, 의족은 기능적인 불편함뿐만 아니라 미관상의 문제로 인해 환자에게 심리적으로 위축감을 들 수 있게 한다. 하지만 3D 프린터를 활용하면 환자의 체형에 맞게 의수 및 의족을 ‘맞춤형’으로 제작할 수 있고 개인의 취향에 따라 보철 덮개를 만들 수 있다. 게다가 금속, 가죽 등 다양한 재질을 이용할 수 있고 기호에 따라 원하는 디자인의 덮개를 제작할 수 있기 때문에 개인의 개성도 표현할 수 있다. 샌프란시스코에 있는 베스포크 이노베이션(Bespoke Innovations)은 3D 프린팅 기술을 접목하여 환자의 체형을 그대로 본떠서 대칭되는 형태의 보철물 커버를 제작하고 있다. 다리나 팔을 잃은 환자의 의수, 의족을 만들기 위해 팔, 다리의 형태를 그대로 구현해 의수, 의족의 모양을 만들어 환자들에게 호평을 받고 있다.