연구보고서
컴퓨터 시뮬레이션과 3D 프린팅 기술을 활용한 다공성 및 복합재료 척추 케이지의 최적 설계
(Optimal Design of Porous and Composite Spinal Cage using Computer Simulation and 3D Printing Technology)
□ 연구개요
본 연구의 목표는 컴퓨터 시뮬레이션 (Computational simulation) 및 3D 프린팅 (3D printing) 기술을 활용해 척추유합술용 척추 케이지 (Spinal cage)의 최적 설계를 하는 것으로 척추 임플란트의 실패 및 환자의 합병증을 최소화하는 것이 주된 목적임. 연구에서는 척추 임플란트 중 하나인 척추케이지 (Spinal cage)에 3D 프린팅 기술의 발달로 제작이 가능해진 다공성티타늄케이지 (Porous Titanium cage), 다공성PEEK(Porous PEEK; Polyetheretherketone)와 전 산업 분야에서 각광받고 있는 복합재료를 사용한 티타늄 코팅 CFR-PEEK (Titanium coating carbon fiber reinforced-PEEK)를 적용하여 최적의 설계안를 도출 하고자 함. 각 척추 임플란트 케이지에 대한 공극률, 카본 섬유의 함량/배치 등의 변수들을 달리한 다양한 설계안을 작성하고, 이를 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 기계적 물성 (탄성계수, 강도 등) 및 골유합도의 우수성을 고려하여 최적의 설계안을 선정하고, 시제품의 제작 강도 시험을 통해 실효성을 검증함.
□ 연구 목표대비 연구결과
본 연구는 요추 케이지에 티타늄 다공성 및 복합재료 케이지의 최적설계를 위한 것으로써, 연구는 척추 임플란트에 대한 문제점을 분석하고, 관련 자료의 데이터베이스를 구축 및 척추의 3차원 유한요소모델을 구축 (1차년도)하며, 척추 구성 조직의 재료시험 수행/재료모델 구축 및 케이지의 골유합 시험 수행/골 성장 모델 구축 (2차년도)하고, 척추체에 임플란트를 삽입하여 시뮬레이션을 수행/최적 설계안 도출과 시제품제작/강도시험 (3차년도)를 수행하였음. 기존 계획 대비 전반적으로 성실하게 수행하였으며, 연구결과 역시도 충분한 신뢰성을 가지고, 관련 연구 및 산업에 중요한 자료로 활용될 수 있을 것으로 보여짐에 따라 본 연구개발에 대한 정성적 평가는 우수하다고 생각됨. 단, 코로나의 영향에 따른 다양한 문제에 의하여 기존 계획보다 더 높은 성과를 달성하고자 목표한 것에 대해서는 다소 부족한 면이 많으며, 3년이라는 연구기간 동안에 임상에 바로 적용하기 위한 설계 및 제품의 개발은 위험성이 있을 것으로 보여짐에 따라 과제 종료 이후에도 지속적인 연구를 수행하여 추후 임상에도 적용 가능하도록 하는 것을 목표로 하고 있음.
□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
본 연구책임자는 임상의로써, 과제 종료 이후에도 지속적인 관심과 연구를 통하여 연구과정에서 볼 수 없었던 특이 케이스 등에 대한 업데이트와 FE모델 및 유한요소기법 등에 대한 지속적인 수정 및 보완을 통하여 추후 임상에 적용할 수 있도록 할 예정이며, 이를 위하여 관련 업체와의 논의를 하고 있으며, 추후 지속적으로 협업을 할 예정임. 본 연구는 공학과 의학의 융합, 컴퓨터 시뮬레이션, 3D 프린팅 및 복합재료 모두를 포괄하는 연구로써, 선진국의 의공학 분야의 연구에 발맞추는 동시에 추후 관련 분야의 기술을 선두하기 위한 기초 자료로의 활용이 가능할 것으로 생각됨. 본 연구의 목표는 Spinal cage의 최적설계를 통한 척추임플란트의 실패 및 합병증 최소화가 주된 목적으로써, 상기의 사회적 문제의 해소와 환자의 삶의 질 향상을 위한 요구에 부합되며, 본 연구방법을 통한 지속적인 개발을 통해 신개념 의료기기의 상용화가 가능할 것임.본 연구는 공학과 의학의 융합, 컴퓨터 시뮬레이션, 3D 프린팅 및 복합재료 모두를 포괄하는 연구로써, 선진국의 의공학 분야의 연구에 발맞추는 동시에 추후 관련 분야의 기술을 선두하기 위한 기초 자료로의 활용이 가능할 것으로 생각됨.
(출처 : 연구결과 요약문 2p)
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