세라믹 뼈 지지체 3D프린팅에서 기공과 강도를 함께 설계하는 이유

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뼈 재생용 지지체에는 새 조직이 들어올 빈 공간이 필요하다. 하지만 세라믹 지지체의 기공을 늘릴수록 강성과 강도는 낮아진다.

세라믹 재료와 의료 응용을 다룬 동료 심사 전 사전 공개 논문은 이 관계를 개념적으로 검토했다. 시험 조건이 다른 연구들을 합쳐 성능 순위를 매긴 결과는 아니다.

AI 개념 이미지: 연결된 기공을 가진 세라믹 뼈 지지체의 구조를 보여준다. 실제 제품이나 장비를 촬영한 사진은 아니다.

세라믹 3D프린팅은 기공에 무엇을 더하나

뼈 지지체의 기공은 세포의 이동과 영양분 운반, 혈관 형성, 조직 성장에 필요한 공간이다. 이때 전체 기공률, 곧 부피 중 빈 공간의 비율만으로는 충분하지 않다. 고립된 기공은 혈관과 조직이 자라 들어가는 데 거의 기여하지 않는다.

적층제조는 디지털 모델에서 기공의 배치를 정할 수 있다. 제조 중 우연히 생긴 빈틈에 맡기는 방식과 달리, 어디를 비우고 어떻게 이어 줄지를 형상으로 그리는 것이다. 연결된 경로가 중요하다는 점에서 이 차이가 눈에 띈다.

기공을 더 만들면 표면적과 체액이 침투할 공간, 세포가 접근할 공간이 늘어난다. 동시에 하중을 버티는 강성과 강도는 떨어지고, 분해 속도도 흔히 빨라진다. 지지체에 필요한 공간과 기계적 기능을 한 설계 안에서 맞춰야 하는 이유다.

많은 치밀한 세라믹은 압축에는 강하지만, 잡아당기는 힘과 이미 생긴 결함에는 민감하다. 기공을 설계할 때 강도 수치뿐 아니라 부품에 어떤 힘이 걸리는지도 살펴야 한다.

세라믹 프린터에서 꺼낸 형상은 보통 완성품이 아니다. 결합재가 들어 있는 성형체에서 그 재료를 제거하고, 열로 세라믹 입자들을 이어 붙이는 소결을 거친다. 따라서 디지털 모델의 치수만으로 완성된 기공을 판단할 수 없다.

결합재가 분해될 때 생긴 휘발성 물질이 밖으로 빠져나가는 속도보다 분해가 빠르면 내부 압력이 오른다. 이 압력은 부풀음, 균열, 층간 박리나 변형을 만들 수 있다. 같은 기공 도면이라도 제조 중 생긴 결함을 살펴야 하는 까닭이다.

소결에서는 입자 사이의 연결부가 커지고 성형체가 수축할 수 있다. 연결부가 자라는 변화와 전체 크기가 줄어드는 변화는 구분해야 한다. 수축이 방향에 따라 다를 수도 있으므로 CAD 도면에서 미리 치수를 보정해야 할 수 있다.

완성품의 밀도가 비슷해도 결함의 분포나 재료 내부의 상이 다르면 신뢰성은 크게 달라질 수 있다. 따라서 같은 기공률로 만든 지지체라도 밀도만으로 성능이 같다고 판단하기는 어렵다.

수산화인회석과 인산삼칼슘은 뼈 무기질과 화학적 친화성이 있지만, 각각을 단일 재료로 써서 하중을 지탱하는 데에는 기계적 한계가 있다. 인산삼칼슘은 일반적으로 더 잘 녹아 체내 흡수성이 더 필요한 경우에 유용하다.

흡수되는 세라믹 지지체는 새 조직이 자라며 분해될 수 있어야 한다. 그동안 필요한 기계적 기능도 유지해야 한다. 아이컨택은 이런 부품이라면 연결된 기공의 형상, 소결 뒤 수축과 결함, 기능을 유지할 기간을 함께 놓고 설계를 판단할 만하다고 본다.