3D 프린팅을 이용한 합성 심근의 가능성

생체의학 실험을 통해 Stratasys J750 Digital Anatomy 프린터를 이용한 합성 심근의 3D 프린팅 가능성이 확인되었다.

서론

3D 프린팅으로 제작된 환자 맞춤형 모델(PSM)의 심장 분야 적용 분야로는 수술 훈련, 복잡한 시술 계획 수립, 심장 기기의 개발 및 개선 등이 있습니다. 구조적 심장 중재술이 점점 더 복잡해짐에 따라, 환자 맞춤형 기하학적 구조를 효과적으로 모델링하고, 해당 기하학적 구조 내부 및 주변에서 의료 기기와 상호작용하는 방식을 재현하는 능력은 수술적 중재술을 발전시키는 데 있어 그 가치가 더욱 커지고 있습니다. 지금까지 PolyJet™ 3D 프린팅 기술 및 기타 전통적인 해부학적 모델링 방법은 정밀한 외부 해부학적 기하학적 구조와 외관을 구현하는 데 중점을 두어 왔습니다. 3D 프린팅 PSM 분야의 다음 단계는 인체 조직의 생체역학적 특성을 시뮬레이션하는 것입니다.

Perfecting surgical skills with Tissue Matrix

목적

혈관벽, 심실벽, 판막 엽을 포함한 생체 심장 조직의 생리적 반응을 재현하기 위해, Stratasys는 의료기기 제조업체, 세계적 수준의 연구 기관, 병원 및 의료진과 협력하여 각 구조물의 기계적 거동을 연구했습니다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 해당 특성을 시뮬레이션할 수 있는 소프트웨어와 소재를 개발했습니다. 의료기기 제조 분야의 글로벌 리더인 메드트로닉(Medtronic)의 과학자 및 엔지니어들은 디지털 아나토미(Digital Anatomy) 심근 소재와 돼지 심장 조직을 대상으로 독립적인 제3자 비교 평가를 수행했습니다. 다음은 그 결과를 요약하고, 향후 소재 개발 연구에 대한 시사점을 제시합니다.

방법

돼지 심근의 기계적 특성을 광범위한 3D 프린팅 심근 소재 혼합물의 기계적 특성과 비교하였다(표 1). 돼지 심근은 인간 조직과의 유사성, 입수 용이성, 그리고 심장 기기 전임상 시험에서 사용된 선례가 있다는 점을 고려하여 비교의 기준선으로 선정되었다. 모든 시편은 Stratasys J750™ Digital Anatomy™ 3D 프린터를 사용하여 출력되었다.

Table 1 - Digital Anatomy Myocardium Material Properties

주요 결과: 탄성계수

Digital Anatomy 소재의 물성은 돼지 심근과 동일한 순응도 범위 내에 있거나 더 단단한 것으로 나타났습니다. 해부학적으로 유의미한 두께에서, 프린팅된 Digital Anatomy 시편의 강성 값은 돼지 심장의 대부분의 심실에 해당했습니다(그림 1).

순응도의 변동성

돼지 심근은 심실 간 및 각 심실 내에서 상당한 순응도 변동성을 보였습니다(그림 2). 반면, Digital Anatomy 샘플은 매우 일관된 결과를 나타냈습니다(그림 3).

Small Pin - Load vs. Extension Porcine Myocardium

Large Pin - Load vs. Extension for Printed Material

탄성

각 인쇄 시료에 대해 탄성을 측정하여 각 재료의 굽힘

및 인장 거동을 파악하기 위해 측정되었다. 인쇄된 재료의 탄성 계수는 0.262~0.536 MPa 범위를 보였으며, 디지털 심근 재료 혼합물과 비교했을 때 Agilus가 가장 유연성이 낮았다. 또한, 시험된 각 재료 유형의 표준 편차는 작았으며, 이는 프린팅된 시편이 매번 동일한 거동을 보일 것이라는 높은 신뢰도를 제공했다(표 2).

Table 2 - Analogue of Young's Modulus Values for Printed Materials

천공 시험

Digital Anatomy 시편과 돼지 심근 시편 모두 유사한 파단 메커니즘을 보였습니다. 두 시편 모두 첫 번째 견고한 층이 천공될 때 초기 최대 하중이 관측되었는데, 조직 시편의 경우 심내막이, Digital Anatomy 시편의 경우 첫 번째 Agilus 층이 이에 해당했습니다.

봉합사 시험

봉합사는 돼지 조직보다 인쇄된 재료를 더 쉽게 절단했습니다. 그러나 이는

인쇄된 시료의 초기 파열을 방지하기 위해 사용된 특정 봉합 설정 때문이기도 합니다. 표준 봉합 기법을 사용했다면 시험 전에 인쇄된 재료가 파손되었을 것입니다. 그럼에도 불구하고, 조직과 인쇄된 심근 모두 파손 전에 박리 현상을 보였습니다.

결론

Digital Anatomy 3D 프린팅 소재는 성별, 연령, 인종 및 기타 생리적·병리적 특성에 따른 정확한 기계적 특성을 지닌 환자 맞춤형 심근을 제작하는 데 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 본 연구 결과는 Stratasys J750 디지털 해부학 프린터, 소프트웨어 및 소재를 활용하면 기하학적 및 기계적 정확도를 모두 갖춘 환자 맞춤형 조직 모방 심장 모델의 제작이 가능함을 시사한다. 특히, 디지털 아나토미 소재는 돼지 조직의 순응도를 최소한의 편차로 일관되게 재현할 수 있는 능력을 보여 주어 유망합니다. 이는 심장의 동일한 부위에서 채취한 샘플에서도 돼지 조직의 순응도가 매우 다양하게 나타나는 점을 고려할 때 큰 장점입니다.

새로운 기기를 개발하고 그 기능을 이해할 때, 혼동 변수를 최소화하기 위해서는 시료 간

및 테스트 시점 간의 재현성은 혼란 변수를 최소화하는 데 매우 중요합니다. Digital Anatomy

으로 출력된 심근은 동일한 시료를 여러 번 테스트했을 때뿐만 아니라 시료 간에도 높은 강성 값 재현성을 보여줍니다. 이는 변동성을 최소화하면서 신뢰할 수 있고 일관된 결과를 도출할 수 있는 벤치 테스트 모델을 찾는 의료기기 제조업체에게 상당한 이점을 제공합니다. 따라서 재현성과 신뢰성이 가장 중요한 제품 개발 분야에 적합합니다.

Table 3 - Summary of Printed Myocardium Comparison to Porcine Tissue

향후 연구는 디지털 해부학 소재 혼합물의 봉합 및 절단 특성을 개선하여 생체 조직의 순응도에 더 가깝게 맞추는 데 중점을 둘 것입니다. 스트라타시스(Stratasys)는 선도적인 의료기기 기업, 병원 및 연구 기관과 지속적으로 협력하여 디지털 해부학 소재를 생체 조직 및 뼈와 비교할 예정입니다. 이러한 기관들로부터 수집된 데이터는 건강한 상태와 병적 상태의 인체 해부학적 구조가 지닌 생체역학적 특성에 더욱 근접한 새로운 해부학적 응용 기술을 완성하는 데 활용될 것입니다. 궁극적인 목표는 시신 및 동물 모델에 대한 의존도를 없애거나 최소한 최소화하는 것입니다.

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3D 프린팅을 이용한 합성 심근 제작의 가능성.

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