3D 프린팅기술로 이루는 의료혁신

 

단단하고 빛나는

치과용 세라믹 보철물,

이제는 3D프린터로 만든다

 

오늘날 치과에서 사용하는 치과 보철물은 주로 CAD/CAM을 이용해 절삭 가공하는 방식

으로 제작되고 있다. 또한 치과 보철물에 사용되는 소재 중 가장 많이 상용화되는 재료는

‘레진’이라 불리는 폴리머 소재로, 심미성은 우수하지만 비교적 강도가 낮고 음식물에 의해

색상이 변하는 등의 단점이 있다. 반면 세라믹은 한 번 시술하면 10년 정도 사용할 수 있고

착색이나 변색을 막을 수 있다. 위 연구회는 세라믹 보철물을 3D 프린터로 제작

하는 데 사용하는 재료와 3D프린터를 개발하고 있다. 세라믹 치과 보철물에서 강도는 중요

한 요소인 만큼 위 연구회는 이 문제를 해결해야만 상용화에 한 발 더 다가갈 수 있

었다. 마침 구독하고 있던 중소벤처기업연구원의 기업마당 뉴스레터와 산기협의 1379 문

자서비스를 통해 고경력 과학기술인 활용 지원사업을 접하게 되었고, 포항산업과학연구원

등 반도체·세라믹 공정 분야에서 25년간 근무한 장 전문위원과의 만남이 이뤄졌다.

 

실험실의 세라믹

보철물 기술을

3D 프린터에 담다

 

위 연구회는 세라믹 치과 보철물을 제작하는 데 사용하는

세라믹 잉크와 3D프린터를 개발하는 벤처기업이다. 이 대표는

치과재료 기업에서 근무하다가 연세대학교 재료공학과와 경희대학교 치의학

전문대학원에서 석·박사과정을 졸업하고 서울대학교 치의학대학원 치

과생체재료과학교실에서 연구하던 중 2018년 11월에 위

연구회를 창업했다. 치과 보철물용 세라믹 소재의 상용화를 위해 단

계적으로 기술을 축적해온 위 연구회는 2020년 3D프린팅

용 세라믹 잉크로 초기창업패키지사업을 참여한 후 치과 보철물 제

작 도구의 주류인 절삭 가공기를 대체할 3D프린팅 기술을 상용화하

고 있다.

 

치과 보철이란 손상된 치아를 인공적으로 보완해주는 것을 말하며,

흔히 알려진 바와 같이 임플란트와 크라운 브릿지, 의치(틀니) 등의

종류가 있다. 이러한 치과 보철물은 개개인의 치아구조를 반영한 맞

춤형으로 빈틈없는 정밀함이 필요하다. 위 연구회는 고강도

재료로 위·아래턱의 치아를 안정적으로 잘 맞물리게 해 시술 후에도

불편 없이 사용할 수 있는 치과 보철물용 세라믹 소재와 3D프린터

를 개발하고 있다.

 

 

 

세라믹 소재에

숨은 기포와 크랙을

줄여 강도를 높여라

 

세라믹파우더는 405nm의 빛을 받아 액체에서 고체로 바뀌는 폴리

머(플라스틱)와 혼합되면 프린팅이 가능하다. 이때 세라믹의 양이

많으면 강도는 세지만 프린팅이 안 되고, 폴리머의 양이 높으면 프린

팅은 잘 되지만 강도가 약해지는 단점이 있다. 고체와 액체의 혼합물

또는 미세한 고체입자가 물속에 현탁된 현탁액을 슬러리(slurry)라

고 하는데, 위 연구회는 개발한 세라믹 잉크(지르코니아 슬

러리)는 세라믹의 함유량이 85% 이상 첨가되어 3D프린터에서 프린

팅한 후 소결할 때 다른 제품보다 수축이 적다는 장점이 있다.

분말체를 적당한 형상으로 가압 성형한 것을 가열하면 서로 단단

히 밀착하여 고결하는 현상을 ‘소결(sintering)’이라 하는데, 3D프

린터로 제작된 치과 보철물은 세라믹과 플라스틱이 혼합되어 있

어 일시적으로는 사용할 수 있지만, 반영구적으로 사용하기에는

1400~1600℃ 사이에서 전기로에서 소결이 이루어진다. 이때 폴리

머의 함량에 따라 20% 이상의 소결 수축이 발생한다. 위 연구회

제품은 세라믹 함유량이 커 소결 수축이 적고 정확한 보철물을

제작할 수 있어서 보철물의 수명과 이차 우식률을 낮출 수 있는 장

점이 있다.

 

3D프린터를 사용하면 필요한 부위만 적층해 보철물을 제작할 수 있

어서 소재의 소모도 줄이고, 절삭가공기보다 저렴해 보철물의 제작

단가도 낮출 수 있다. 그러나 세라믹의 주원료인 지르코니아(ZrO2)

가 폴리머 액체 속에 완전히 퍼지지 않고 알갱이로 남아 있는 상태

에서 슬러리를 소결하면 강도가 약해지고 균열이 발생하는 문제점

이 있었다. 이 문제는 장 전문위원과의 만남으로 해결의 실마리

를 찾을 수 있었다.

 

개선을 위한 의견

제시와 실험의 반복

 

3D프린팅용 지르코니아(ZrO₂) 슬러리를 안정적인 치과 보철물로

사용하려면 3D프린팅을 거친 지르코니아 소결체가 500MPa 이상

의 파괴강도를 갖춰야 했다. 장 전문위원은 위 연구회

가 축적해온 연구개발 자료와 3D프린팅 공정을 직접 관찰하며 검토

한 결과, 분산·프린팅 조건, 탈지 조건 각각에서 강도를 낮추는 요인

이 유입되거나 생성된다고 판단했다. 그리하여 각 단계마다 조건을

달리하여 3D프린팅 실험을 하고, 그 결과 만들어진 성형체의 절단

면을 분석해서 해결되지 않은 문제점을 확인하고 개선 방향을 협의

했다. 이렇게 ‘실험-결과 분석-의견 제시-조건 변경 및 재실험’의 과

정을 10주 동안 반복한 결과 성형체에 기포와 선결함, 균열이 발생

하는 원인을 찾아냈다. 문제를 해결하기 위해 슬러리를 혼합하는 방

법과 시간을 변경하거나 노광시간을 늘렸으며 3D프린팅에 사용하

는 기타 부품을 교체하기도 했다.

조건을 다르게 만들어가며 실험을 반복할수록 크랙과 기포가 점차

줄어들었고, 각 단위공정에 대한 개선을 통해 소결체의 파괴강도 개

선을 상당폭 달성하였다.

제한된 자문기간과 횟수로 인해 더욱 완전한 성과를 도출하기에는

다소 아쉬운 점도 있었지만, 연구회와 장 전문위원

은 제품개선과 상용화를 위해 실험과 결과 분석, 대안 도출의 반복적

인 과정을 거쳐 제품명 케라모스3(keramos3)인 치과 보철물용 지르

코니아 슬러리의 상용화를 위한 식약처 인허가를 2022년 11월 완

료했다.

 

국내를 넘어

세계에서도 통할

혁신기업을 꿈꾸며

 

위 연구회는 앞으로 제시된 공정 개선 방안을 활용해 고강

도 지르코니아 소재의 제조법을 확립하고, 3D프린팅의 장점인 복

잡한 형상의 제품을 경제적으로 제조할 수 있는 기술을 개발해나갈

것이다. 또한 치과 보철물 외에 맞춤형 골이식재 출력 해외시장 진

출이다.

 

위 연구회는 지르코니아 슬러리와 3D프린터를 제품으로 출

시하면 국내 치과 병원에 먼저 선보이고, 고객의 사용 데이터를 축적

하며 개선해 나갈 예정이다. 현재 국내 치과 보철물 제조업체들이 주

로 사용하는 절삭 가공기를 교체할 시기를 기다리는 가운데, 우선은

KOTRA나 중소벤처기업부, 그리고 회사 주주가 제공하는 인적 네트

워크의 도움을 받아 베트남과 카자흐스탄, 중국, 그리고 미국과 중앙

아메리카 등으로의 수출에 주력할 계획이다.