첨가 제조가 의료 진단 기술을 개선할 수 있을까?

첨가 제조는 다양한 산업에서 폭넓게 활용되며, 항공 엔진용 연료 노즐 제작부터 가스 터빈 연소기 헤드 수리까지 아우릅니다. 내구성, 경량성, 기하학적 최적화 능력, 그리고 수리 시간 감소 등 여러 경쟁력을 갖추고 있습니다.

의료 분야에서도 큰 존재감을 확보하고 있습니다. 특히, 첨가 제조, 즉 3D 프린팅의 역사는 수십 년 동안 의료 과학과 얽혀 왔습니다.

하지만 의료 진단 기술에서 첨가 제조의 잠재력을 깊이 탐구하기 전에, 먼저 첨가 제조에 대한 간략한 개요를 살펴보겠습니다. 정의를 탐구하고 의료 과학의 발전에서 중요한 역할을 이해해 보겠습니다.

첨가 제조와 의료 과학의 역사

ASTM Society(이전의 American Society for Testing and Materials)는 첨가 제조를 “3D 모델 데이터에서 물체를 만들기 위해 재료를 결합하는 과정으로, 일반적으로 층층이 쌓아 올리는 방식이며, 절삭 제조 방식과는 다릅니다”라고 정의합니다.

의료 과학 분야는 1990년대 후반과 2000년대 초부터 3D 프린팅을 활용해 왔습니다. 이는 치과 임플란트와 맞춤형 보철물을 생산하는 데 도움을 주었습니다. 이러한 제품은 환자 맞춤형 커스터마이징이 필요하고 대량 생산이 어려웠으며, 3D 프린팅이 이러한 요구를 충족시켰습니다.

3D 프린팅은 정형외과 분야에서도 정형외과 의사들이 환자의 생리적 특성에 정확히 맞고 모방하는 구조물을 만들 수 있도록 도왔습니다. 이전에는 이러한 환자들이 ‘원 사이즈 모두에 맞는’ 임플란트 외에 선택지가 없었습니다. 임플란트와 보철물에서 다음 단계로 3D 프린팅은 유기 모방 장치 개발로 나아갔습니다.

2000년대 초, 보스턴 어린이 병원의 연구팀은 콜라겐과 합성 폴리머로 대체 방광을 손으로 구축하는 ‘스캐폴딩’ 방식을 활용했습니다. 그러나 이 방법은 시간이 많이 소요되고 재현이 어려우며, 장기 제작에 비용이 많이 들었습니다. 결국 첨가 제조가 등장해 이 문제를 해결하기 시작했습니다.

Wake Forest 재생 의학 연구소의 연구원들은 임상 시험을 위해 장기와 조직을 지속적으로 프린팅할 수 있는 기계를 개발했습니다. 이 발전에 이어 브라질 연구팀은 성공적으로 오가노이드를 바이오프린팅하여 인간 간의 모든 기능—단백질 합성, 비타민 저장, 담즙 분비—을 수행할 수 있게 했습니다. 그러나 이러한 미니어처 간은 아직 실제 인간 간을 대체할 이식 가능한 수준은 아니었습니다.

이 시점에서 첨가 제조 또는 3D 프린팅은 적용 의료 과학 분야에서 가치를 찾았지만, 그 활용은 주로 임상 시험과 실험실 기반 테스트에 국한되었습니다.

자연스럽게 연구자와 의사들은 전 세계적으로 큰 시장 규모를 차지하는 의료 진단 기술을 개선하기 위해 첨가 제조를 활용하는 방안을 고민하게 되었습니다.

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의료 진단 기술의 글로벌 시장

의료 진단 기술 시장은 확장 단계에 있습니다. 이 성장세는 Deloitte가 수행한 최근 연구와 설문 조사에 의해 뒷받침되며, 2018년부터 2022년까지 다양한 목적을 위해 진단 기술을 사용하는 미국 의료 소비자 수가 크게 증가했음을 보여줍니다.

구체적으로, 웨어러블, 앱, 디지털 어시스턴트 및 스마트 기기를 사용해 피트니스 및 건강 개선 목표를 측정하는 소비자 비율은 2018년 42%에서 2022년 49%로 상승했습니다. 또한 이러한 기술을 활용해 건강 문제를 모니터링하는 사람들의 비율도 2018년 27%에서 2022년 34%로 증가했습니다.

채택 수치가 급증했을 뿐만 아니라, 의료 진단 기술에 대한 소비자 만족도도 크게 향상되었습니다. 이 기기를 사용하는 사람들 중 78%는 행동에 긍정적인 영향을 받았다고 인식했으며, 전체적으로 85%의 소비자는 자신의 건강 및 건강 위험을 평가하기 위해 진단 테스트를 사용하는 데 편안함을 느꼈습니다.

고객 만족도 향상의 결과로 투자자와 업계의 의료 진단 기술에 대한 관심이 긍정적으로 증가했습니다. 2021년 상반기에 투자자들은 372건의 디지털 헬스케어 거래에 거의 150억 달러를 투입했으며, 이는 10년 전 100건 미만의 거래와 11억 달러 투자에 비해 크게 증가한 수치입니다.

의료 진단 기술에 대한 이러한 긍정적인 산업 관심과 맞물려, 첨가 제조 응용 분야에서도 눈에 띄는 발전이 있었습니다. 대표적인 사례가 맥길 대학교 연구진이 개발한 현장 3D 프린팅 테스트입니다.

칩 기반 실험실: 의료 진단 기술의 3D 프린팅 혁신

맥길 대학교 연구진은 게임 체인저가 될 수 있는 ‘칩 기반 실험실’ 진단 기술을 발명했습니다. 이 칩은 3D 프린팅으로 30분 안에 제작할 수 있습니다.

맥길 대학교 생물의공학과 교수이자 연구 책임자인 David Juncker 교수는 이 기술이 “개인, 연구자, 그리고 산업이 보다 비용 효율적이고 사용하기 쉬운 방식으로 새로운 가능성과 응용을 탐구하는 데 도움이 될 것”이라고 말했습니다.

이 혁신적인 적용 형태는 의료 전문가에게 현장에서 바로 특정 요구에 맞는 맞춤형 솔루션을 만들 수 있는 범위와 능력을 제공함으로써 진단 테스트를 확대하고 신속하게 진행하도록 도울 수 있습니다.

칩 기반 실험실은 어떻게 작동하나요?

연구진은 미니어처 실험실 역할을 할 수 있는 모세관 칩을 개발했습니다. 컴퓨터 마이크로프로세서와 달리 이 모세관 칩은 일회용이며 외부 전원 없이 작동합니다. 이 과정은 종이 타월이 주방 테이블 위의 액체를 흡수하는 것과 유사하게 모세관 작용을 이용하는 간단한 종이 스트립으로 촉진됩니다.

이 방법에서는 전통적인 진단에서와 같이 주변 장치가 필요하지 않습니다. 이 방법에 사용되는 모세관 칩은 3D 프린팅이 가능하며, COVID-19 항체 정량화 등 다양한 테스트에 활용될 수 있습니다.

비용 효율적인 질병 탐지를 위한 3D 프린팅

MIT 연구진은 저비용이면서 정확한 질병 탐지 도구를 만들기 위한 또 다른 첨가 제조, 즉 3D 프린팅 기반 솔루션을 고안했습니다. 이 경우 연구진은 3D 프린팅을 활용해 자체 가열 마이크로플루이딕 장치를 생산합니다.

마이크로플루이딕스는 유체를 조작하고 화학 반응을 촉진할 수 있는 미니어처 기계를 사용하는 것을 의미합니다. 이 기술은 소량의 혈액이나 체액 샘플에서 질병을 감지할 수 있어 잠재적인 게임 체인저로 여겨집니다.

마이크로플루이딕스는 이미 진단 분야에서 사용되고 있습니다. 그러나 이들은 종종 복잡하고 비용이 많이 드는 제조 공정을 필요로 하며, 규모 확대가 어렵습니다.

MIT 팀의 솔루션은 다중 재료 3D 프린팅을 활용해 자체 가열 마이크로플루이딕 장치를 제작합니다. 이 장치들은 내장된 가열 요소를 포함하고 있습니다.

이 과정은 단일하고 저렴한 제조 공정을 필요로 합니다. 또한 저비용 제조 공정으로 약 2달러 정도의 재료만으로 바로 사용할 수 있는 마이크로플루이딕을 만들 수 있어 기술이 매우 맞춤형입니다.

이 분야에 대한 지속적인 연구가 진행되는 가운데, 많은 기업들이 첨가 제조를 실험실 범위를 넘어 대규모 활용이 가능하도록 만들기로 결정했습니다. 이제 이러한 기업들과 그들의 솔루션을 살펴보겠습니다.

1. Allevi

Allevi는 3D 조직 공학, 칩 기반 장기 연구, 약물 테스트, 바이오머티리얼 개발 및 재생 의학 분야에서 바이오프린팅 솔루션으로 알려진 기업으로, 전 세계 수백 개의 연구실에 서비스를 제공한다고 주장합니다. 이 외에도 의료 및 진단 분야를 강화하는 다양한 첨가 제조 제품을 제공하며, 제품군에는 바이오프린팅 소프트웨어, 바이오잉크, 첨가제, 세포, 시약 및 소모품이 포함됩니다.

특히 Allevi는 가장 기술적으로 진보된 바이오프린터 중 일부를 생산합니다. Allevi 3 바이오프린터는 조직 공학, 재료 과학, 재생 의학, 질병 모델링, 3D 배양, 미세생리학 시스템, 약물 전달 등 다양한 분야의 연구를 위해 특별히 설계·최적화되었습니다. 또한 이 회사는 세포가 없는 스캐폴드, 칩 기반 장기, 혈관 프린트, 다중 재료 프린트 등 다양한 프로젝트를 위한 맞춤형 바이오프린트 서비스를 제공합니다.

Allevi는 현재 3D Systems Corporation (DDD ) (NYSE:DDD)의 일부입니다. 2022년 회사는 연간 매출 538,031,000달러를 보고했으며, 이는 2021년 매출 615,639,000달러 대비 12.6% 감소한 수치입니다. 또한 2022년 순손실 122,711,000달러를 기록했으며, 이는 주당 희석 손실 0.96달러, 비GAAP 희석 손실 0.23달러에 해당합니다.

2. EOS

EOS는 맞춤형 및 최적화된 생산 방식을 모두 지원하는 의료 기술용 3D 프린팅 솔루션을 다양하게 제공합니다. 정형외과용 보조기와 보철물을 위한 회사의 산업용 3D 프린팅 솔루션은 제조업체가 엄격한 품질 및 인증 기준을 준수하면서 개별 설계 자유를 유지하고 비용을 관리하도록 돕습니다.

치과 기술 분야에서 EOS의 3D 프린팅 솔루션은 실험실 및 서비스 제공업체가 일관되게 높은 품질의 제품을 제공하도록 지원합니다. 또한 EOS의 3D 프린팅 기술은 다양한 표면 구조를 만드는 데 능숙합니다. 이 기능은 살아있는 골 조직과 골 임플란트 표면 간의 통합을 촉진하는 골융합 과정에 특히 유용합니다. EOS의 3D 프린팅 기술은 실험실 장비 및 진단 영상 장치 부품을 최적화하는 데에도 중요한 역할을 합니다.

이 솔루션은 도구 없이 생산할 수 있어 조립 비용을 절감하는 이점을 서비스 제공업체에 제공합니다. 또한 유연한 설계와 기능 통합 특성을 갖추고 있으며, 개발 주기를 가속화하고 시장 출시 시간을 단축합니다.

Transworld Systems가 EOS를 인수했습니다

3. GE Additive 

GE Additive는 제품 기반 솔루션과 3D 프린팅 기계를 통해 의료 과학 분야에 첨가 제조를 적용하도록 돕습니다. 그들의 EBM 공정은 전통적인 코팅을 3차원 격자 구조로 대체하여 초기 고정력을 향상시키고 더 빠른 융합 및 골 성장(뼈 내 성장)을 가능하게 합니다.

이 격자 구조는 임상적으로 최적화된 650마이크론 구멍 크기로 설계되었습니다. GE Additive는 또한 높은 구형도, 낮은 다공성, 최소한의 위성 입자 함량, 최고 수준의 흐름성 및 포장 밀도를 갖춘 인증된 고성능 파우더를 정형외과 산업을 위해 생산합니다.

GE는 또한 첨가 제조 기계를 공급합니다. Arcam EBM Q10 plus는 정형외과 임플란트의 연속 생산에 최적화되어 있습니다. Concept Laser M2 Series 5는 일관성을 유지하고 대규모로 반복 가능한 고품질 부품을 생산하도록 돕습니다. Concept Laser Mlab 제품군은 고표면 품질 부품을 빠르고 효율적으로 생산하는 데 적합합니다.

2023년 3분기 GE는 173억 달러의 매출을 보고했습니다.

첨가 제조의 의료 진단 분야 미래

전 세계 최고 대학들의 연구자들이 이미 첨가 제조 혁신에 매진하고 있음을 확인했습니다. 이러한 혁신은 의료 진단을 보다 접근 가능하고, 주변 장치 및 소모품 의존도를 낮추며, 빠르고 손쉽게 배포할 수 있게 만들 것입니다. 앞서 언급한 기업 외에도 많은 혁신적인 기업들이 헬스테크와 메드테크 분야에서 3D 프린팅 솔루션을 확대하기 위해 노력하고 있습니다.

예를 들어, 벨기에에 기반을 둔 3D 프린팅 기업 Materialise는 연구자와 외과의를 위한 3D 프린팅 소프트웨어, 맞춤형 수술 가이드 및 기타 현장 도구를 제공하며, 어깨, 골반(acetabular) 고관절 및 두경부-안면 임플란트를 포함한 맞춤형 정형외과 솔루션도 판매합니다.

미네소타에 본사를 둔 Stratasys는 수술 계획 모델, 의료 전문가 교육 및 훈련, 의료 기기 프로토타이핑, 치과 임플란트를 위한 3D 프린팅 기능을 제공합니다.

연구자, 학술 기관, 의사, 외과의 및 제조 기업 간의 시너지 협업은 의료 진단에 대한 혜택을 확대하기 위해 첨가 제조 또는 3D 프린팅을 더욱 활용하는 데 도움이 될 것입니다.

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