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의료 분야 활용 사례

3D 프린팅으로 인명 구조

힘겨운 당뇨병부터 작은 소녀 Emma의 “마법의 팔”에 이르기까지, 3D 프린팅으로 의료 전문가는 생명을 구하고 의료 분야를 개선합니다.

3D 프린팅을 통해 주요 보건 서비스 공급자가 더욱 신속하게 혁신을 주도하고 장애물을 제거하며 적은 투자로 결과를 최대화하는 방법을 알아보십시오.

Objet 3D, Biorep 당뇨병 치료 연구의 동반자가 되다.

신속한 사내 시제품 제작으로 의료 장비 개발 시간이 절반으로 줄었고 시장 출시 시기가 앞당겨 졌습니다.

Biorep Technologies는 의료 산업의 주문자 상표 부착 생산업체로서 당뇨병 치료용 기기 개발에 주력하고 있습니다. Biorep은 세계적으로 유명한 마이애미 당뇨 연구소의 계열사로, 최대한 많은 연구소가 이 기술을 이용할 수 있도록 합리적 가격으로 섬 격리 장비를 제공한다는 목표를 갖고 있습니다.

엔지니어링 책임자 Felipe Echeverri와 R&D 엔지니어 Andres Bernal이 Biorep의 설계 팀을 이끌고 있습니다. 이 회사는 1995년 설립 이후 기계 공장에 시제품 제작을 맡겼습니다. Biorep은 경우에 따라 서비스 업체와의 협력을 통해 소형 부품의 신속 시제품을 제작하고 설계를 평가했습니다.

신속 시제품 제작 프로젝트의 물량이 늘어나면서 사내 3D 프린터를 물색하게 되었습니다.

Biorep의 장비가 더욱 소형화되고 정교해지면서 2007년 즈음에는 소형 부품의 RP 시제품을 외주 제작해야 하는 빈도가 점점 늘었고 물량은 시제품 제작 기술을 내부에 도입하는 것이 사업상 유리할 정도의 수준에 달했습니다.

Echeverri는 “당시에 Biorep은 경제적인 방식으로 RP를 제작하는 방법을 알지 못했습니다.”라고 회상합니다. “3D 프린팅 모델을 외주할 당시 내부에서 기계 가공하는 비용보다 높은 경우가 많았고 속도도 크게 빠르지 않았습니다. 사무실에서 하룻밤 사이에 부품을 프린팅할 수 있다면 설계 생산성을 크게 높일 수 있을 것이라고 생각했습니다. 이런 이유로 3D 프린팅 시스템 평가를 시작하게 되었습니다.”

사용 편이성과 마감 품질의 우수성으로 선택된 Objet Eden250

Biorep이 사내 3D 프린팅 시스템을 선택하는 기준은 정확성, 사용 편이성, 유지 관리 요구 사항, 표면 마감 및 가격이었습니다. Echeverri는 “당사는 사출 성형을 위한 툴링을 시작하기 전에 콘셉트를 입증하고 적합성, 형태 및 기능을 확인하기 위해 신속 시제품 제작을 자주 사용합니다. 그래서 정확도가 매우 중요했습니다.”라고 말합니다. “또한 내부에서 처리할 경우 시제품 제작량을 두 배는 늘릴 수 있다고 추정했었고 팀 규모가 작았기 때문에 사용 편이성과 신뢰성 또한 중요했습니다.”

Biorep은 최종적으로 Objet’ Eden 250 3D 프린터를 결정했습니다. 더 작은 크기의 이 프린터는 고품질 고속 시제품 제작의 첫걸음으로 완벽한 시스템으로서 Objet의 특허 받은 PolyJet™ 기술이 지닌 시장 선도적인 장점을 거의 모든 설계 또는 제조 활동에 제공할 수 있습니다. Eden250은 어느 기하학적 구조라도 쉽고 빠르고 깔끔하며 효과적으로 정확하게 구현해내는 완벽한 솔루션을 제공합니다.– Eden250에서 제작된 모델은 부드럽고 내구적이며 디테일이 세부적이며 표면 마감도 뛰어납니다. 차지하는 공간도 자고 비용 효율적이며 공정도 깔끔하기 때문에 일반 사무실 환경에도 이상적입니다. 다른 3D 프린팅 시스템과 달리 일반 복도에도 잘 맞아 설치가 간편하고 빠릅니다.

Echeverri은 “Eden250은 회사의 필요 사항과도 잘 맞았습니다.”라고 말합니다. “사무실 친화적이고 깔끔하며, 사용과 유지 관리가 쉽고, 표면 마감이 뛰어난 정확한 부품을 제작합니다.”

사내에서 신속하게 시제품을 제작하는 능력으로 신제품 개발 기간 6개월 단축

Echeverri에 따르면 Eden250은 팀이 향상된 설계를 제작하고 신제품 출시 시간을 단축하는 데 도움이 되었습니다.

특허 등록을 앞두고 있는 Biorep Pinch Manifold는 이 같은 두 가지 이점을 전형적으로 보여주는 최근 프로젝트입니다. Bernal에 따르면, 이전에는 유체를 평가하는 의학 연구소에서 전통적으로 핀치 밸브라는 장치를 사용하여 실리콘 튜브 속의 유체가 장비와 접촉하지 못하도록 했습니다. 핀치 밸브는 글자 그대로 튜브를 핀치하여 유체를 제어하는 것입니다. 그러나, 핀치 밸브는 과열되기 쉽고 튜브의 압력으로 작동합니다. 또한 신뢰도가 그다지 높지 않고 매우 비쌉니다. 정전이 발생할 경우 핀치 밸브가 예상치 못하게 개방되므로 내부 유체가 방출됩니다.

Biorep의 핵심 장치는 신뢰할 수 있는 32개의 비접촉식 핀치 밸브를 필요로 합니다. 기성 핀치 밸브는 성능 수준이 좋지 않기 때문에 Biorep팀은 고유한 핀치 밸브를 설계하기로 결정했습니다.

그 결과물인 Biorep의 Pinch Manifold는 일련의 캠과 모터를 사용하여, 기존 핀치 밸브의 필수 비접촉 기능을 통해 여러 채널 속의 유체를 제어합니다. Bernal은 “당사의 Pinch Manifold는 밸브 부품에 전혀 접촉하지 않고 유체를 인덱싱하는 새로운 수단입니다.”라며 “유체는 일회용 실리콘 튜브와만 접촉합니다. 멸균된 실험실 환경에서는, 취급하는 유체– 혈액, 박테리아 등 –로 인한 장비 오염을 반드시 피해야 하므로 비접촉 밸브가 매우 중요합니다.”

Bernal은 또한 “이 시스템은 채널을 원하는 만큼 확장할 수 있으므로 일반적으로 한 채널만 처리할 수 있는 기존 핀치 밸브 시스템보다 효율성이 매우 뛰어납니다. 전자기식이 아니라 기계식이기 때문에 장애 발생 시에도 안전합니다. 즉, 정전이 발생해도 현재 상태가 유지됩니다.”

Bernal은 설계 시험을 시작하고 모두 Eden250으로 시제품을 제작했습니다. “무언가 대단한 일이 벌어졌음을 금새 알 수 있었습니다.”라고 Echeverri는 말합니다. “Objet 시제품을 사용하여 경영진에게 프로젝트를 제출했으며 이는 콘셉트를 납득시키는 데 큰 도움이 되었습니다. 우리는 곧바로 계속 진행하라는 허가를 받았습니다.”

Bernal은 “시제품을 사내에서 신속하게 제작하는 능력이 이 프로젝트의 성패를 좌우했습니다.”라고 말합니다. “먼저 기계 가공의 한계에 상관없이 부품을 설계할 수 있었기 때문에 생각이 매우 자유로워졌습니다. 아이디어가 떠오르면 즉시 설계 및 프린팅하고 테스트할 수 있었습니다. 두 번째로, 매우 낮은 비용으로 매우 신속하게 여러 시제품을 제작할 수 있었기 때문에 테스트를 많이 수행했습니다. 그 덕분에, 늦게까지 발견하지 못했다면 프로젝트에 큰 차질을 야기했을 수 있는 기능상의 문제점을 초기에 발견하여 수정할 수 있었습니다.”

Pinch Manifold는 모터 이외에 약 열 개 정도의 부품을 포함하는데, 모두 Eden250에서 개별적으로 시제품이 제작되고 조립되었습니다. 일부 초기 콘셉트는 기하학적 구조 때문에 기계 가공이 불가능했습니다. “모두 다섯 개의 완벽한 시제품을 제작하고, 수십 개의 개별 부품도 만들었습니다.”라고 Echeverri는 회상합니다. “밤사이에 부품을 프린팅하도록 설정하면 다음 날 아침에 새로운 콘셉트를 바로 테스트할 수 있었습니다.

Eden250을 통해 프로젝트 기간이 6개월 단축되었으며 이를 통해 Pinch Manifold의 시장 출시도 훨씬 빨라졌습니다.”

3D 시제품, 혁신적인 페트리 접시 설계의 NIH 자금을 확보하는 데 도움

Eden250으로 구현된 또 다른 최근 Biorep 프로젝트는 Biorep이 “산소 샌드위치“라고 부르는 실리콘 멤브레인 페트리 접시입니다. 일반 플라스틱 페트리 접시는 위에서만 산소를 받아들입니다. 당뇨 연구소(DRI)의 과학자들은 산소가 위와 아래에서 모두 공급되면 접시의 세포가 숨을 더 잘 쉬어 생존력이 더 높아질 수 있다는 가설을 제기했습니다.

Echeverri는 “실리콘은 산소 침투가 가능하므로 실리콘 멤브레인 페트리 접시를 만들어 보기로 결정했습니다.”라고 말합니다. “DRI 과학자는 산소 침투성을 높이는 독점적 실리콘 혼합물을 개발했습니다. 우리는 이 설계를 산소 샌드위치라고 불렀는데 위와 아래에서 산소로 셀을 감쌌기 때문입니다.”

DRI 과학자가 멤브레인을 제작한 후 Biorep은 이 멤브레인에 일반 페트리 접시의 형태와 기능을 유지하는 수단을 설계해야 했습니다.

Echeverr의 팀은 Eden250으로 최초 설계를 시제품 제작한 후 제작 능력과 적절한 조립을 보장하기 위해 다양한 접근법을 실험했습니다. “멤브레인의 최종 설계는 두께가 300마이크론에 불과하지만 손상됨 없이 실험실에서 이용할 수 있을 만큼 강하며, 탄성도 좋아 늘어지지 않습니다. 다양한 구성으로 여러 시제품을 작성한 끝에 그런 결론에 도달한 것입니다.”라고 Echeverri는 말합니다.

이 팀은 또한 설계의 대량 생산을 실현하는 데에도 시제품 제작을 사용했습니다. 연습 과정에서 만든 시제품을 사용하여 최근 국립보건원(NIH)에 제품의 지속적 개발에 필요한 자금을 신청한 것입니다. Echeverri는 “Eden250으로 제작된 사실적인 시제품 덕분에 콘셉트를 입증하고 NIH 자금을 확보할 수 있었습니다.”라고 말합니다. “CAD 도면은 전혀 새로운 설계를 제출할 때 그렇게 효과적이지 못합니다.”

Biorep의 실리콘 멤브레인 페트리 접시가 제도판 설계부터 수많은 실험실에서 현장 테스트를 수행하는 현재 상태에 이르기까지 불과 6개월이 걸렸습니다. Echeverri는 “의료 기기를 현장 테스트에 도입하기까지 걸린 6개월이라는 시간은 놀라울 만큼 짧은 시간입니다.”라고 말합니다. “시제품을 사내에서 신속하게 제작할 수 있기 때문에 개발 기간이 절반으로 줄었습니다.”

초기 현장 테스트 결과는 고무적입니다. DRI 과학자들에 따르면 세포가 더 건강하고, 더 많은 인슐린을 생성한다고 합니다. 이는 당뇨 연구의 발전에 매우 중요한 사항입니다. Biorep은 또한 당뇨 연구를 넘어 줄기 세포 같은 분야에서도 제품의 상업화 가능성을 매우 낙관적으로 보고 있습니다.

Biorep, 3D 프린터를 통해 기계 가공의 제한을 극복하고 설계자의 시야 확장

Biorep R&D 엔지니어 Bernal는 Eden250의 사내 도입이 Biorep 설계의 전체적인 품질 향상에 도움이 되었다는 Echeverri의 평가에 전적으로 동의합니다. “시제품을 사내에서 신속하게 제작할 수 있으므로 틀에서 벗어난 설계를 사고할 수 있게 되었습니다.” “3D 프린팅 덕분에 설계 시 제작을 고려할 필요 없이 혁신적인 콘셉트를 신속하게 테스트할 수 있습니다. Objet 프린터를 통해 설계 의도의 우선순위를 정하고 조립 통합을 활용하여 콘셉트를 검증할 수 있습니다.”

Echeverri는 사내에 3D 프린팅 역량을 확보한 후 Biorep의 제품군과 수입도 더 다양해졌다고 말합니다. “이제는 보다 광범위한 프로젝트를 설계하고 시제품을 제작할 수 있습니다.”라고 그는 말합니다. “예를 들어, 당사는 지금 안과 연구부터 수술 기구용 콘셉트까지 다양한 프로젝트를 진행하고 있습니다. 과거에는 그럴 시간도 리소스도 없었습니다.

다양한 설계 콘셉트를 동시에 제조할 수 있기 때문에 제품 개발 주기도 단축됐습니다. 부품을 밤사이에 감독자 없이 프린팅할 수 있는 능력은 큰 도움이 되고 있으며, 이를 통해 과거 기계 가공 작업과 관련된 여러 가지 설치 비용과 지연을 피할 수 있습니다.”

실제로, Bishop은 Eden250의 가치에 크게 매료되어 다양한 재료를 사용하여 작동 가능 부품을 프린팅할 수 있는 3D 프린터 한 대를 더 추가하는 방안을 검토하고 있습니다.

Echeverri는 Objet 프린터가 Biorep에 제공하는 금전적 가치만 해도 그 비용을 상쇄하고도 남지만, 진정한 가치는 시제품으로 완벽하게 제작하는 장치가 사람들의 삶을 변화시키는 데 도움이 된다는 사실이라고 말합니다. Echeverri는 “이것이 바로 우리가 이 일을 하는 이유입니다.”라고 말합니다. “이 모든 것이 치료법을 찾아내는 과정입니다.”

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