의 산업 응용 분야는 무엇입니까? 최신 적층 제조?
3D 프린팅이라고도 하는 고관절 적층 제조는 산업 전반에 걸쳐 생산 혁신을 일으키고 있습니다. 적층 가공이 특히 유망한 분야 중 하나는 고관절 교체 분야입니다. 적층 제조는 맞춤형 제작, 물류 간소화, 혁신적인 형상 등 고관절 교체에 여러 가지 이점을 제공합니다. 그 결과 의료 기술 분야에서 적층 가공 고관절 교체가 주목받고 있습니다.
고관절 교체를 위한 적층 가공 소개
적층 제조는 금속, 플라스틱, 세라믹과 같은 재료를 사용하여 부품을 한 층씩 쌓아 올립니다. 따라서 금형, 금형 또는 특수 툴링 없이도 온디맨드 생산이 가능합니다. 주문에 따라 부품을 제작할 수 있어 물류가 간소화됩니다. 또한 적층 가공은 CNC 가공과 같은 감산 방식으로는 만들 수 없는 복잡한 형상을 구현할 수 있습니다.
고관절의 경우 첨가제는 새로운 가능성을 열어줍니다. 고관절은 수년간 사용하면서 주기적인 하중을 견뎌야 하는 까다로운 기계적 요건에 직면해 있습니다. 적층으로 생산된 고관절은 고급 설계를 통합하여 강도, 유연성 및 수명을 개선할 수 있습니다. 힙에 널리 사용되는 적층 기술로는 티타늄 합금의 레이저 분말 베드 용융(LPBF)과 코발트 크롬의 전자빔 용융(EBM)이 있습니다. 이러한 방법을 사용하면 복잡한 다공성 구조와 기능적으로 등급이 지정된 구성을 구현할 수 있습니다.
애디티브는 더 나은 성능과 더 오래 지속되는 고관절 치환술을 제공하고 있습니다. 도입을 주도하는 주요 산업 애플리케이션을 살펴보세요.
환자 해부학에 기반한 맞춤형 임플란트
적층 가공의 주요 이점 중 하나는 맞춤형 부품을 경제적으로 생산할 수 있다는 점입니다. 이는 환자마다 해부학적 구조가 조금씩 다르기 때문에 고관절에 이상적입니다. 맞춤형 임플란트는 환자의 뼈 윤곽에 더 잘 맞아서 장단기 고정력을 향상시킵니다.
LPBF는 일반적으로 환자 맞춤형 티타늄 고관절 임플란트를 만드는 데 사용됩니다. CT 스캔은 환자 관절의 정확한 모양을 캡처합니다. 이 데이터는 첨가제 시스템이 티타늄 분말을 개인에게 완벽하게 맞는 고관절에 융합하도록 안내합니다.
맞춤형 고관절은 수술 중 침습적인 면도 및 변경을 최소화합니다. 정밀한 맞춤으로 환자의 자연 뼈를 더 많이 보존할 수 있습니다. 또한 맞춤형 고관절은 자연스러운 관절 정렬을 회복하는 등 임상 결과가 더 좋은 경향이 있습니다.
짐머 바이오메트(Zimmer Biomet)와 스트라이커(Stryker)와 같은 대형 정형외과 기기 제조업체는 3D 프린팅으로 제작된 환자 맞춤형 고관절 교체 부품을 제공하기 시작했습니다. 병원에서 첨단 이미징 및 디자인 소프트웨어를 채택함에 따라 맞춤형 임플란트에 대한 수요는 증가할 것으로 예상됩니다.
기능적으로 등급이 매겨진 재료
첨가제의 또 다른 장점은 기능적으로 등급이 매겨진 재료(FGM)로 부품을 구성할 수 있다는 점입니다. FGM은 다공성 및 합금 구성과 같은 특성의 점진적인 변화를 사용합니다. 이를 통해 고관절은 충격 흡수, 강성 및 뼈 성장과 같은 다양한 구조적 요구 사항을 단일 부품에서 처리할 수 있습니다.
LPBF는 금속을 복잡한 FGM 구조에 혼합할 수 있습니다. 대퇴스템은 강성을 위해 목 부분을 단단히 포장한 다음 뼈 경계에서 다공성 폼으로 전환할 수 있습니다. 이는 하중을 분산하고 위험한 강성 변화를 방지하는 데 도움이 됩니다. 코발트 크롬의 EBM은 뼈를 모방한 유연성과 강도를 갖춘 FGM 고관절을 가능하게 했습니다.
FGM 고관절 임플란트는 자연 뼈의 성능을 더 잘 재현합니다. 기존 임플란트와 관련된 뼈 위축 및 허벅지 통증과 같은 문제를 방지하는 데 도움이 됩니다. 아카히와 같은 정형외과 회사들은 첨가제로 생산된 FGM 고관절을 시장에 출시하고 있습니다. 임상의들은 서로 다른 프린팅 금속을 결합하여 만든 적층형 FGM 구조도 실험하고 있습니다.
격자 구조 및 토폴로지 최적화
3D 프린팅은 다른 방법으로는 제조할 수 없는 근본적인 새로운 설계를 가능하게 합니다. 한 가지 예로 뼈와 같은 다공성을 가진 세포 격자 구조를 들 수 있습니다. 격자는 무게 대비 강도가 매우 뛰어나며 자연 조직의 강성과 비슷할 수 있습니다.
고관절의 경우 격자형 대퇴골 스템과 비구 컵은 생물학적 고정을 위해 뼈의 성장을 촉진합니다. LPBF는 대퇴골 순응도에 맞게 조정된 프린팅 티타늄 및 탄탈륨 폼 구조를 제작합니다. 또한 격자는 외과의가 수술 중 임플란트를 맞춤화할 수 있는 유연성을 제공합니다. 뼈 통합 영역을 유지하면서 여분의 재료를 제거할 수 있습니다.
토폴로지 최적화 소프트웨어는 고관절 설계를 더욱 개선할 수 있게 해줍니다. 알고리즘은 이상적인 기계적 특성을 찾기 위해 수천 개의 레이아웃을 반복합니다. 그 결과 환자의 힘과 뼈 구조에 맞춘 유기적이고 생체공학적인 모양이 만들어집니다. 현재 여러 회사에서 충격 흡수 격자가 있는 토폴로지 최적화 고관절 임플란트를 제공하고 있습니다.
더 나은 재고 관리를 위한 현장 제조
Additive는 공급망 및 재고 관리의 판도를 바꿀 수 있는 이점을 제공합니다. 기존 제조 방식에서는 디바이스 제조업체가 전 세계에 재고를 확보해야 하는 다양한 기성품 사이즈를 생산합니다. 이는 상당한 재고 비용으로 이어집니다.
애디티브는 병원 근처에서 적시 주문형 고관절 생산을 가능하게 합니다. 수술 일정에 맞춰 프린터를 현장에 설치하여 임플란트를 제작할 수 있습니다. 외과의는 크기 조정에 더 많은 유연성을 확보할 수 있습니다. 또한 병원은 사용하지 않은 임플란트 재고를 주문, 배송 및 폐기하는 데 드는 오버헤드를 줄일 수 있습니다.
환자 맞춤형 기기를 제공하기 위한 병원 기반 3D 프린팅 랩에 대한 관심이 급증하고 있습니다. 2021년 짐머 바이오메드는 전 세계적으로 현장 제조 서비스를 제공하는 Additive Orthopaedics를 인수했습니다. Jabil Health와 같은 다른 의료용 프린터는 병원을 위해 특별히 제작되었습니다. 로컬 프린팅 임플란트는 고관절 교체 수술을 혁신하는 데 도움을 주고 있습니다.
기구 및 수술 가이드의 적층 제조
고관절 구성 요소 자체 외에도 수술 전달을 개선하기 위해 첨가제가 적용되고 있습니다. LPBF는 환자의 해부학적 구조에 맞는 래스프와 리머와 같은 맞춤형 기구를 제작할 수 있습니다. 환자별 가이드는 스캔 데이터를 기반으로 설계된 슬롯과 개구부가 있는 나일론 분말로 프린트됩니다.
가이드는 뼈를 자르고 드릴 구멍을 뚫어야 하는 위치를 정확하게 보여주는 스텐실 역할을 합니다. 이를 통해 디지털 임플란트 계획을 수술실로 바로 전송하여 정확하게 실행할 수 있습니다. 가이드는 고관절 교체 정확도를 개선하고 수술 시간을 단축하는 것으로 입증되었습니다.
추가 기구 키트를 사용하면 외과의의 시술 유연성을 높일 수 있습니다. 가이드와 고유한 도구는 외과의가 좁은 관절 공간에서 임플란트를 적절히 배치하는 데 도움이 됩니다. 또한 3D 프린팅을 통해 병원에서는 주문형 기구를 비용 효율적으로 생산할 수 있습니다. 이러한 장점으로 인해 적층 가공은 고관절 수술의 필수 요소로 자리 잡고 있습니다.
새로운 코발트 크롬 합금
대부분의 고관절 치환물은 코발트 크롬 또는 티타늄 합금을 초고분자량 폴리에틸렌 플라스틱 컵에 결합하여 만듭니다. 엔지니어들은 첨가제 요구에 맞춘 새로운 첨단 CoCr 소재를 개발하고 있습니다.
그 선두주자는 카펜터의 BIOCOR 고관절 합금입니다. EBM에 최적화된 BIOCOR는 미세한 미세 구조와 높은 피로 강도를 특징으로 합니다. 따라서 20년 이상의 임플란트 수명을 유지하면서 얇은 벽과 격자와 같은 디자인 개선을 가능하게 합니다. BIOCOR는 강력한 임상적 성공과 FDA 승인을 받았습니다.
다른 기업들은 적층형 고관절 생산에 새로운 복합 소재를 도입하고 있습니다. 예를 들어, 니오븀이 포함된 지말로이 CoCr을 최적화하면 기존 합금보다 내마모성이 30% 향상됩니다. 첨가제를 사용하면 다른 방법으로는 어려운 농도로 이러한 맞춤형 요소를 경제적으로 통합할 수 있습니다.
관절 이동성 및 관절의 재구상
수십 년 앞을 내다보는 애디티브는 차세대 고관절 디자인에 대한 가능성을 열어줍니다. 발전된 기술을 통해 장기적으로 더 자연스럽고 건강한 관절 환경을 제공하는 임플란트가 등장할 수 있습니다.
한 가지 경로는 마이크로 모션이 있는 플루티드 모듈형 스템으로 뼈에 하중을 더 잘 전달할 수 있습니다. 규정을 준수하는 구조는 임플란트와 조직 사이의 바람직하지 않은 경직된 인터페이스를 분리합니다. 관절형 폼 힙 컵은 또한 천연 연골의 윤활액막을 재구성할 수 있습니다. 더 많은 재료와 시뮬레이션이 개발되면 실제 근골격계 기능을 모방한 관절을 구현할 수 있습니다.
아직 개념적인 수준이지만, 인공 고관절의 가능성을 재고하기 위해 필요한 제조 방법은 적층 가공입니다. 관절 복원의 새로운 패러다임이 곧 도래할 것입니다.
연구 개발 촉진
3D 프린팅의 가장 큰 장점은 디자인을 빠르게 반복하고 필요에 따라 프로토타입을 인쇄할 수 있다는 점입니다. 이는 정형외과 연구와 교육에 큰 도움이 됩니다. 엔지니어는 수십 가지의 고관절 개념을 테스트하고 외과의로부터 직접 피드백을 받을 수 있습니다.
LPBF 프린터는 임플란트 성능을 완벽하게 시뮬레이션하는 금속 테스트 형상을 효율적으로 출력합니다. 툴링에 투자하기 전에 시체 또는 폼 뼈 모델에서 프로토타입을 시험해 볼 수 있습니다. 학술 연구소의 경우, 애디티브는 저렴한 비용으로 탐색 연구를 진행할 수 있습니다.
애디티브의 민첩성은 고관절 임플란트의 발전을 가속화하고 있습니다. CAD와 CNC를 오가며 수개월이 걸리던 작업을 프린터 한 대로 며칠 만에 끝낼 수 있습니다. 고관절 수술의 3D 프린팅 혁신을 주도하기 위해 대학과 장치 제조업체 간의 연계가 증가하고 있습니다.
고관절 임플란트를 위한 적층 제조의 과제
애디티브는 유망하지만 고관절 수술에 완전히 도입하기에는 기술적 장애물에 직면해 있습니다:
- 정확도 향상 정형외과용 장치 표준을 충족하려면 첨가제의 치수 정확도와 표면 마감이 개선되어야 합니다. 때로는 더 엄격한 공정 제어와 후가공이 필요합니다.
- 재료-개발$ 보다 검증된 고관절 전용 합금을 도입해야 합니다. 이를 위해서는 적층 방식에 맞는 맞춤형 조성과 특성이 필요합니다.
- 규정 준수$ 첨가제 생산 임플란트는 엄격한 테스트 데이터와 임상 연구를 통해 규제 당국의 승인과 채택에 대한 신뢰를 얻어야 합니다.
- 디자인-전문$ 적층 가공의 이점을 극대화하려면 적층 가공 설계에 대한 경험이 필요합니다. 정형외과 기업에는 적층 가공 엔지니어와 분석가가 필요합니다.
고관절용 적층 제조의 미래
적층 가공은 고관절 치환 수술에서 중요한 역할을 꾸준히 개척해 나가고 있습니다. 모든 징후는 기술 개선이 계속됨에 따라 채택이 증가할 것임을 시사합니다. 반복성, 품질 및 재료의 개선으로 임플란트 설계, 재고 및 배송을 완전히 혁신할 수 있는 적층 가공이 가능해질 것입니다.
미래에는 대부분의 고관절 부품이 개인 맞춤형 3D 프린팅으로 주문 제작될 것입니다. 병원에서는 일반적으로 사내 임플란트 생산 실험실을 설치하고 모바일 프린트 시스템을 활용하기도 합니다. 3D 프린팅은 고관절에서 다른 관절 대체물과 척추 임플란트로 확대될 것입니다. 금속 3D 프린터가 더 크고 빠르게 성장함에 따라 처리량도 개선될 것입니다.
전반적으로 애디티브는 더 높은 성능, 더 오래 지속되고 더 쉽게 접근할 수 있는 고관절 교체에 대한 엄청난 잠재력을 제시합니다. 3D 프린팅은 자연스럽고 통증 없는 관절 기능 회복을 위한 차세대 혁신의 물결을 일으키고 있습니다. 고관절염과 관절 기능 악화로 고통받는 전 세계 수백만 명의 미래가 더 밝아 보입니다.
자주 묻는 질문
3D 프린팅 고관절 임플란트의 주요 이점은 무엇인가요?
고관절 임플란트용 적층 제조의 주요 이점은 다음과 같습니다:
- 환자 해부학 및 뼈 윤곽에 맞는 맞춤 설정
- 복잡한 격자 구조와 토폴로지를 만드는 기능
- 병원의 온디맨드, 분산형 제조
- 임플란트 사이즈의 과잉 재고 없이 재고 관리 개선
- 고급 신규 합금 및 재료 구성
- 신속한 프로토타이핑을 통한 디자인 반복 작업 속도 향상
적층 생산된 고관절 임플란트는 얼마나 정확합니까?
이제 프린트된 금속 고관절 임플란트의 치수 정확도는 기존 제조 방식과 비슷해졌습니다. CNC 가공과 같은 후처리는 공차와 마감을 더욱 개선합니다. 현재 30~50미크론의 프린터 해상도로 정형외과 표준을 충족하는 임플란트를 제작할 수 있습니다.
3D 프린팅 고관절 임플란트는 FDA 승인을 받았나요?
적층 가공으로 제조된 여러 고관절 교체 부품이 FDA 510(k) 승인을 받았습니다. 주목할 만한 예로는 Zimmer Biomet의 개인 맞춤형 Tritanium 고관절, Stryker의 Tritanium C 고관절 시스템, Adler Ortho의 Jazz 임플란트 등이 있습니다. 첨가제의 품질과 데이터가 계속 개선됨에 따라 더 많은 승인이 예상됩니다.
맞춤형 3D 프린팅 고관절에 보험이 적용되나요?
많은 보험 제공업체에서 금속 3D 프린팅으로 제작된 환자 맞춤형 고관절에 대해 보험 혜택을 제공합니다. 하지만 여전히 특수 임플란트로 간주되므로 공제액이 높은 플랜일수록 본인 부담금이 더 많이 발생할 수 있습니다. 채택이 증가함에 따라 기존의 기성품 고관절 부품처럼 보험 적용이 일상화될 것으로 예상됩니다.
하이브리드 금속/폴리머 3D 프린팅 엉덩이를 만들 수 있나요?
예, 선도적인 정형외과 기업들은 금속-플라스틱 고관절 임플란트를 만들기 위해 하이브리드 적층 공정을 적극적으로 개발하고 있습니다. 대퇴골 스템의 금속 직접 프린팅과 프린팅된 플라스틱 컵 라이너의 사출 성형이 결합된 방식입니다. 이를 통해 스템 쪽의 뼈 통합을 달성합니다. 하이브리드 제조는 기존의 고관절 제작 방식을 혁신하는 것을 목표로 합니다.
3D 프린팅 고관절 치환술 비용은 얼마인가요?
현재 3D 프린팅 고관절 치환술의 가격은 미국에서 평균 5000~7500달러입니다. 이는 기존 임플란트보다 15~20% 높은 가격입니다. 하지만 더 빠른 수술, 더 적은 수의 기구, 재고 낭비 없음과 같은 이점이 프리미엄을 상쇄하는 데 도움이 됩니다. 채택이 확대됨에 따라 프린트 임플란트 가격은 기존 방식과 동등한 수준에 도달할 것으로 예상됩니다.