3D 프린팅 기술의 발전과 의료 및 치과 산업에서의 혁신적인 활용 및 시장 전망 doc_id CNTS-00118875832_2

우리의 삶을 바꿔나가고 있는 4차 산업혁명의 물결 속에 3D 프린팅 기술이 있다. 3D 프린팅은 “적층방식으로 입체 모형을 직접 인쇄하는 기술”로, 기존의 생산방식과는 비교도 안될 만큼 신속·정확하게 개인에게 맞춤화된 제품을 생산할 수 있어 개인맞춤 의료기기 분야를 빠르게 발전시키고 있다. 3D 프린팅은 복잡한 제품의 자동화된 생산을 위하여 적층의 자유형상 제조 기술에 기반을 두고 있고, 적층제조 공정은 다음과 같이 정의한다. 3D 프린팅은 재료에 따라 사용되는 프린팅 기술, 장점이 다르기에 그 특성을 고려하여 다양한 분야로 응용될 수 있다. 그렇기에 3D 프린팅 산업의 핵심기술이자 기초기술은 재료기술이다. 또한, 적층을 위한 광원의 종류, 적층방식 등에 따라서도 프린팅 기술이 다양하게 분류되며, ISO TC261(Additive Manufacturing)에서는 3D 프린팅 관련 기술을 아래와 같이 크게 7가지로 구분하여 정의하고 있다. 3D 프린팅 기술로 제조된 산업 전체 2016년 시장규모는 전년보다 17.4% 증가한 61억 달러로 연평균 27.6%씩 증가되어 2022년 262억 달러로 고성장이 전망되며, 시장점유율은 원천기술 확보, 산업용 장비 및 부품생산 등이 가장 활발한 미국이 39.3%로 1위이고, 독일이 9.2% 2위, 한국은 1.8%로 11위 수준이다. 주요 활용분야는 산업용 기계, 항공우주, 소비재/전자부품, 자동차, 의료산업분야 등이다. 의료/치과 분야는 전체 시장의 11% 정도로 2016년 6.7억 달로 규모이며, 2022년 28.8억 달러 성장이 예상된다. 미국, 유럽, 중국 등 주요국은 3D 프린터의 기능(제작속도, 정밀도 향상 등)개선, 티타늄 등의 다양한 신소재 개발, 바이오와의 결합 등의 연구에 지속적 집중이 예상되며, 활용되는 적용영역이 확대될 것으로 기대된다. 현재 3D 프린팅 기술의 급격한 발전으로 3D 프린팅 기술은 기존 산업과의 융·복합 되어 성장 중이며, 기존 단순 시제품(Prototype)제작에서 수요자의 니즈에 맞는 맞춤형 디자인 형상 및 복합 소재 구현 등 기존의 기술이 융·복합되어 새로운 제조 기술로 발전 중이다. 특히, 3D 프린팅 기술은 다품종 소량생산에 적합하고 환자 맞춤형 제작이 가능하기 때문에 의료분야에서의 활용성이 매우 크다. 3D 프린터의 FDM(Fused Deposition Modeling) 기술로 열가소성 생체적합 고분자를 이용한 의료용 지지체의 직접 제작이 가능하게 되면서 생체·의공학 분야에서 본격적으로 활용되기 시작했다. 3D 프린터를 활용하여 보청기, 틀니, 의족, 의수 등 개인 맞춤형 의료 보형물 제작에 활용되고 있고, 환자의 해부용 가상 신체를 제작하여 수술 시뮬레이션용으로 활용함으로써 수술로 인한 의료사고를 사전에 예방하거나, 수술시간의 단축과 수술의 성공률 향상에 기여할 수 있게 되었으며, 의료분야 종사자의 교육에도 활용하고 있다. 최근 장기 기증자와 장기 수혜자 간의 수급 불균형을 근본적으로 해결하기 위한 방안으로 신체 조직 및 장기의 재생 등 생체조직공학에 대한 연구가 진행되고 있다. 특히, 조직/장기를 생체 적합성 소재로 직접 프린팅 하는 기술이 실험실 수준에서 많이 연구되고 있다. 앞서 언급했듯이 인공피부, 연골같이 비교적 단순한 신체기관은 동물시험의 완성단계로 상용화에 근접해 있고, 보다 복잡한 인공 간, 신장 같은 신체기관은 아직 실험 단계이지만, 중장기적인 연구를 통해 기능대체 및 안정성 확립을 통해 제품화 되어 갈 것으로 기대된다. 이처럼 3D 프린팅 기술은 맞춤형 보형물, 인공지지체의 출력은 물론, 인공 간과 신장, 심장, 몸 안의 장기 등 바이오 장기를 출력할 수 있는 기술까지 발전할 것으로 전망된다. 또한 3D 프린팅 의안과 같이, 3D 프린팅 기술을 통해 큰 비용이나 시간 절감 등의 경제적인 효과창출이 예상되는 틈새시장으로의 적용도 기대된다. 현재의 글로벌 의료기기산업은 대형 의료기기 업체 중심의 시장구조로 신기술 및 개발주기가 짧고 다양한 대표 제품을 보유하기 어려운 중소형 의료기기 제조업체는 시장참여, 제품경쟁력 확보가 어려운 실정이다. 치과용임플란트는 치아가 결손된 부위에 주변 치아를 손상하지 않고 특수금속으로 만든 인공치근을 치조골에 이식하여 본래 자기 치아와 같은 기능을 수행하는 이식체로, 최근 인구 고령화 및 치과 심미치료 시장 활성화로 인해 높은 시장성을 갖으며 국내 임플란트 제작 기술 및 시술방법은 세계적 수준으로 추후 성장이 더욱 기대되는 품목이다. 오늘날 치과용임플란트 재료로는 생체친화성 및 구강 내 저작력을 견디어 낼 수 있는 적절한 기계적 성질을 갖고 있는 티타늄(Titanum)이나 티타늄합금이 주로 사용되고 있고, 최근에는 심미적 이유로 치아색과 크게 차이가 나지 않으며 기계적 강도가 높은 생체세라믹 지르코니아를 이용한 제품개발이 증가되고 있다. 제작된 임플란트 자체는 뼈와 직접 결합할 수 없어 이식성공률 향상 및 치료시간 단축을 위한 강한 골유착(osteointergration)을 촉진하는 임플란트 표면 개질(modification) 방법으로 제품이 개발되어 왔다. GBI research에 의하면, 치과 임플란트 분야가 높은 수준의 기회, 낮은 수준의 위험도를 갖는 발전 가능성이 가장 큰 분야로 분석하였다. 이는 인구 고령화에 따른 임플란트 수요 및 심미치료 요구가 증가되었고, 임플란트 시스템 기술 발전으로 수술의 간소화, 치료기간 단축 등 진보적인 기술 혁신을 이루었으며, 타 치과분야에 비해 지속적인 연구개발이 이루어지고 있기에 다양한 기회요소들이 위험요소를 압도하여 높은 시장 가치를 갖는 품목으로 선정한 것이다. 또한 기존 틀니나 보철방식에서 발생했던 주변 치아 손상 문제를 개선한 탁월한 치료효과를 나타내는 임플란트 시술이 급속도로 증가, 시술 비용 하락으로 임플란트 치료가 보편화되었고, 고령자를 대상으로 보험급여가 확대 실시되었기에 임플란트 수요가 더욱 확대되어 갈 것으로 예상된다. 최근에는 고령자 뿐 아니라 골다공증, 당뇨 등의 질환을 앓고 있는 환자들에서도 조기 골유착 및 기계적 안정성이 높은 임플란트 요구가 증가하고 있어 생체활성물질을 탑재한 조직재생물질 분야 및 심미적인 치과재료의 이용 빈도 증가에 따른 지르코니아 및 하이브리드 세라믹 시장의 확대가 예상된다.