3D 프린팅 다공성 추간체유합보형재: 새로운 요추 유합 솔루션의 등장
3D 프린팅 다공성 추간체유합보형재: 새로운 요추 유합 솔루션의 등장
키워드: 요추 추간체유합술, 다공성 케이지, 3D 프린팅, 기계적 성능 시험, PEEK vs Titanium cage, 추간체 침강, 인공디스크, 생체역학적 안정성
doi:10.9718/JBER.2020.41.1.14
1. 서론: 왜 다공성 추간체유합보형재가 필요한가?
요추부 퇴행성 질환은 고령화 사회에서 급속히 증가하는 척추 질환으로, 증상이 보존적 치료에 반응하지 않을 경우 수술이 불가피합니다. 특히 추간체유합술(Interbody Fusion)은 불안정한 디스크를 제거하고 인공 보형물로 유합을 유도하여 통증을 완화시키는 핵심 치료법입니다.
이때 사용되는 추간체유합보형재(cage)는 척추체 간의 공간을 유지하며, 골유합을 도와주는 구조물입니다. 기존에는 주로 PEEK 소재나 티타늄 소재가 사용되었지만, 각각의 단점을 보완한 3D 프린팅 기반 다공성 구조의 티타늄 케이지가 최근 주목받고 있습니다.
2. 연구 배경과 목적
해당 연구는 3D 프린팅 기술(additive manufacturing)을 활용하여 다공성 구조의 요추부 추간체유합보형재를 제작하고, 기계적 성능을 평가하여 기존의 PEEK 제품과 비교한 것입니다.
기존 케이지의 문제점은 다음과 같습니다:
-
Ti 케이지: 고강도지만 탄성 계수가 뼈보다 높아 응력차이로 인한 침강(subsidence) 위험
-
PEEK 케이지: 탄성은 적절하지만 **골유착(bone integration)**이 떨어짐
이러한 문제를 해결하기 위해 다공성 구조를 적용한 케이지가 개발된 것입니다.
3. 보형재 설계 및 제작
[그림 1] 단위 격자 구조의 형상 및 설계 변수
 |
| Fig. 1. The shape and design factors of each unit cell |
자체 개발한 허니콤(honeycomb) 격자 구조 사용
-
단위 격자 크기와 두께 조절로 다양한 기공율 설계 (58~66%)
[그림 2] 추간체유합보형재의 치수 사양
 |
| Fig. 2. Dimensional specifications of the PLIF cage |
-
국내외 인허가 기준에 맞춘 외형 설계
[그림 3] 침강 시험 성능 향상을 위한 디자인 변화
 |
| Fig. 3. Design changes to reduce subsidence: graft area & volume |
접촉면을 확장하여 침강 저항성 증가
-
타원형 기공 패턴으로 골 내증식 유도
4. 기계적 성능 시험
3가지 시험이 ASTM 표준에 따라 진행되었습니다.
[그림 4] 기계적 성능 시험:
 |
| Fig. 4. Mechanical performance test of the lumbar porous cages (A) 정적 압축 시험, (B) 정적 압축-전단 시험, (C) 침강 시험 |
(1) 정적 압축 시험
강성도, 항복강도, 최대강도를 측정한 결과:
-
격자 두께 증가 → 강성도 증가
-
Porous_S3 모델: PEEK와 유사한 강성도 (P > 0.05)
[그림 5] 정적 압축 시험 결과
 |
| Fig.5. Static compression test results |
(2) 정적 압축-전단 시험
-
격자 크기 상관없이 격자 두께에 따라 성능 증가
-
대부분의 다공성 모델은 PEEK보다 높은 항복 및 최대강도를 보임
[그림 6] 정적 압축-전단 시험 결과
 |
| Fig. 6. Static compression-shear test results |
(3) 정적 침강 시험
-
Porous_S2, Porous_L2 모델이 PEEK 대비 KP값 57~59% 향상
-
접촉 면적 증가가 핵심 요인
[그림 7] 침강 시험 결과
 |
| Fig.7. Static subsidence test results |
5. 고찰: 왜 다공성 케이지가 유리한가?
장점
-
해면골과 유사한 구조로 골유착에 유리
-
침강 위험 감소 (기공 설계로 압력 분산)
-
3D 프린팅으로 맞춤형 제작 가능
주의점
-
기공율이 너무 높으면 강성도 감소
-
제작 과정(소결 온도, 후가공 등)이 기계적 성능에 영향을 미침
-
피로 하중 시험 및 임상적 안정성에 대한 추가 연구 필요
6. 임상 적용 가능성 및 시장 가치
해당 연구의 결과는 다공성 케이지가 기존 FDA 510(k) 등록 제품과 유사한 성능을 가지며, 특히 침강 저항성에서 뛰어남을 보여주었습니다.
이러한 연구는 고령화 사회에서 척추 임플란트 시장의 고부가가치 창출에 중요한 기술로 자리 잡을 수 있습니다.
7. 결론 및 전망
-
3D 프린팅 기반의 다공성 요추 추간체유합보형재는 기계적으로 안전하며, PEEK 케이지의 단점을 보완한 대안이 될 수 있습니다.
-
향후에는 생체적합성 실험, 피로 시험, 동물 및 인체 적용 시험 등을 통해 임상 실용성을 더욱 입증해야 합니다.
-
이 기술은 맞춤형 척추 임플란트의 미래를 여는 핵심 기술로 주목받고 있습니다.
참고문헌
[1] Lee NY, et al., “Posterior lumbar interbody fusion versus 360° fixation in degenerative lumbar disease,” J Korean Neurosurg Soc., vol. 30, pp. 1193–1199, 2001.
[5] Zhang Z, et al., “Finite element model predicts biomechanical performance of TLIF,” Comput. Biol. Med., vol. 95, pp. 167–174, 2018.
[6] Dijk MV, et al., “Effect of cage stiffness on lumbar fusion,” Spine, vol. 27, no. 7, pp. 682–688, 2002.
[9] Jurtz SM, et al., “PEEK biomaterial in spinal implants,” Biomaterials, vol. 28, no. 32, pp. 4845–4869, 2007.
[11] Olivares-Navarrete R, et al., “Osteoblast response on Ti alloy vs PEEK,” Spine J., vol. 12, no. 3, pp. 265–272, 2012.
[24] Tsai PI, et al., “Biomechanical investigation of porous cages,” Comput. Biol. Med., vol. 76, pp. 14–23, 2016.
[33] Peck JH, et al., “Mechanical performance of PLIF devices: FDA 510(k) review,” J Biomech., vol. 78, pp. 87–93, 2018.
댓글
댓글 쓰기