3D 프린팅과 의료 기술의 결합
Additive manufacturing comes to life
AM과 의료장비: 천생연분
의학기술산업은 ‘3D 프린팅’으로도 알려진 적층제조(Additive Manufacturing·AM) 방식을 선도적으로 활용해 왔다. 2012년 기준 AM 시장의 전체 시스템 관련 매출 가운데 16.4%가 의료 분야에서 발생했다. 이러한 현상의 주요 이유는 의료장비가 필요로 하는 요건과 AM 기술이 제공하는 역량이 일치했기 때문이다. 예를 들어 보청기, 인공 치관(齒冠·dental crown), 외과용 임플란트와 같은 의료장비는 상대적으로 소형이어서 일반적인 AM 시스템을 통한 생산에 적합하다. 그리고 크기에 비해 가격이 비싸다는 점과 환자 개개인에 대한 높은 수준의 맞춤화를 필요로 하는 점도 AM 기술과 잘 어울리는 특성이다.
미국의 경우 의학기술산업에 대한 투자가 풍족한 점도 AM과 같은 신기술에 대한 투자를 가능하게 하는 요인이다. 이러한 점을 고려해 볼때 AM 기술이 의료 분야에서 상당한 시장 침투를 이룬 것은 자연스러워 보인다. 여기에서는 의료장비 분야에서 AM 기술이 어떤 방식으로 영향을 미칠 수 있는지를 좀 더 자세히 살펴보고자 한다.
4가지 경로별 AM 활용
앞의 ‘이제는 최종사용제품의 생산도 3D 프린팅으로’에서 소개된 딜로이트의 AM 프레임워크에 따라 의료장비 기업들의 AM 활용 현황을 다음과 같이 정리했다.
경로 1: 안정 상태
이 경로에 속한 기업들은 제품 품질 개선, 비용 절감, 시장 출시 시간 단축 등의 용도로 AM을 사용했다. 이러한 목표를 추구하는 데는 기업의 기존 공급망이나 제품에 대한 변경이 크게 필요 없어 큰 리스크 없이 AM 기술의 적용을 시도할 수 있다.
카블루에 디자인(Kablooe Design)이란 회사는 제품 아이디어를 구체화하는 데 도움을 주는 디자인 및 엔지니어링 업체다. 이 회사는 의료 분야에 특화된 업체로 개발한 제품의 약 75%가 의료장비였다. 한 번은 전립선 비대증 치료 기기의 개발을 진행했는데, 기존의 치료 기기들은 외과적인 치료를 필요로 하고 수술, 출혈, 상처를 동반하는 경우가 대부분이었다. 카블루에사는 이를 개선해 외과적인 치료 과정을 줄일 수 있는 기기를 개발하기로 결정했고, 그 제품을 완전한 형태로 개발하는 데 10번의 반복 제작이 필요할 것으로 추정했다.
그러나 제품 개념을 구체화하는 과정에서 AM의 빠른 시제품 제작 역량을 이용해 25만 달러의 비용 절감과 개발 기간(12주) 단축을 이루어낼 수 있었다. 이에 더해, 짧은 제작 기간을 이용해 현직 의사들로부터 피드백을 받아 디자인을 보완할 수 있었다.
대부분의 의료장비 제조업체들은 현재 AM을 이와 같은 기초적인 응용에만 사용하고 있다. 이러한 저위험 접근법은 공격적인 전략을 채택할 필요 없이 기술의 도입을 가능하게 해준다.
경로 2: 공급망 진화
경로 2 활동은 기업 공급망의 변환을 통한 실적 개선에 집중한다. 이를 통한 잠재적인 이득은 필요 운전 자본 감소와 최소효율규모1) 축소에서 발생한다. AM을 활용한 의료장비 분야의 공급망 진화는 공급망의 효율화와 재고 감축 두 분야에 중점을 두고 진행되어 왔다.
AM의 공급망 효율성 증대
AM 기술을 통한 제품 공급망 간소화는 제조 비용 절감, 제품 출시 기간 단축, 제조 공정의 단순화를 이룰 수 있다. 일례로, 맞춤형 보청기 제조에 있어 AM은 아래 그림 1과 같이 10단계였던 전통적인 제조 과정을 4단계로 축소(그림 2)하며 맞춤형 보청기 제조 공정을 크게 바꾸어 놓았다.
디지털 이미징과 AM을 이용해 제조한 보청기는 기존 보청기보다 편안하고 신뢰도가 높은 것으로 나타났다. 또한 제조 과정도 단순화되고, 맞춤화 정도를 개선하기 위해 주형을 여러 번 수정, 제작할 필요도 없게 되었다. 이에 세계 최대의 보청기 제조업체이기도 한 독일 지멘스(Siemens)사는 보청기 제조를 완전히 AM 방식으로 전환 중이다
AM은 재고 규모에 영향을 미친다
재고는 제품의 제작 소요 시간이 길 때 수요의 불확실성에 대한 완충 역할을 해준다. 이제 기업들은 AM을 이용해 제조 공정을 단축하고 재고를 감축할 수 있고, 제품 제조에 필요한 부품 수를 줄일 수 있다. 그리고 최종제품의 사용 시점에 근접한 제품을 제조함으로써 비용 면에서 보다 효과적인 공급망을 구축할 수 있다.
라틴아메리카의 임플란트 수술용 가이드 제작사인 프로테이코(Protaico)사는 AM을 이용해 구강 수술용 가이드 제작을 전량 자체 생산으로 전환시킬 수 있었다. 프로테이코사는 증가하는 수요로 인해 주문을 거절하거나 생산 과정에서 아웃소싱 확대가 필요한 상황이었다. 그러나 AM을 활용해 빠르게 고객의 주문을 처리할 수 있게 되었다. 그 결과 공급망을 축소하고 필요 재고량을 감소시킬 수 있었으며, 이에 더해 빠른 납기와 가격경쟁력도 확보할 수 있게 되었다.
경로 3: 제품 진화
경로 3은 AM 기술 없이는 구현하기 어렵거나 불가능한 혁신적인 제품을 개발해 매출 신장을 이루려는 활동이다.
AM은 제품의 적합도를 개선할 수 있고 최종제품의 형태를 쉽게 변경할 수 있기 때문에, 현재 의료장비 제조에서는 주로 맞춤화의 개선에 사용이 집중되고 있다. 이러한 사례를 수술 절차의 시각화 향상, 임플란트와 기타 장비들의 임상적 효능 증대에서 찾아 볼 수 있다.
수술 절차의 시각화 향상을 위한 맞춤화
수술의 위험을 낮추기 위해서는 외과의들의 충분한 연습이 필요한데, 이를 실제 환자와 유사한 모델에 실습함으로써 이룰 수 있다. 따라서 많은 의사들이 수술 절차를 시각화하기 위해 환자별 맞춤 가이드 제작을 위한 AM 활용에 관심을 보이고 있다. 수술용 가이드(surgical guide)는 의사들이 수술 중에 접할 수 있는 핵심 해부학적 구조의 속성을 이해하는 데 도움을 준다. AM 기술을 이용해 만든 수술용 가이드에는 간, 신장, 체강(body cavity), 뼈 등이 있다.
예를 들어, 실제 환자의 컴퓨터단층촬영(CT)이나 자기공명영상(MRI) 촬영 결과에 근거해 아크릴 수지로 된 반투명한 신장이나 간을 제작할 수 있다. 외과의들이 이를 통해 실제 환자의 종양 위치나 혈관의 경로를 보다 분명하게 파악할 수 있다. 그리고 실제 수술 전에 다양한 수술 방식을 고려하는 데 도움을 줄 수 있다. 전통적인 방식으로 제조한 수술용 가이드는 환자의 상태를 정확하게 복제하는 데 한계가 있었다.
영국 러프버러대 연구팀은 사람의 부비동3)의 외양과 물리적 형태를 AM을 사용해 정교하게 복제한 수술용 가이드를 제작했다. 개개인의 부비동은 고유의 형태가 있고, 부드러운 조직과 단단한 조직의 범위와 정도도 다르다. 이러한 실제 부비동을 보다 정교하게 복제한 수술용 가이드는 수술 시 많은 복잡한 시나리오에 대비하는 데 의사들에게 도움을 줄 수 있다. 2013년에만 7만 개 이상의 수술용 가이드가 제작되었다.
임상적 효능 증대를 위한 맞춤화
의료장비의 맞춤화 강화 트렌드로 인해 AM으로 제작한 임플란트에 대한 수요가 증가하고 있다. 예를 들어 미국 미시간대 연구진은 빈번한 폐허탈(肺虛脫·collapse of lung) 증세가 일어나는 드문 장애를 가진 소년의 치료를 위해 맞춤화된 기관(氣管·tracheal) 임플란트가 필요하다는 진단을 내렸다.
이들은 AM을 이용해 생체 흡수성을 가진 맞춤화된 부목(副木)을 제작했다. 이 부목은 소년의 성장에 맞춰 늘어날 수 있을 정도로 유연성을 가지고 있다. 연구진은 CT 스캔을 통해 부목의 디지털 모형을 만든 후 이를 ‘인쇄’했다. 소년은 이식 수술 후 몇 주 만에 산소 호흡기의 도움을 받지 않을 정도로 증세가 호전되었다.
생명을 유지하는 데 필요한 고도로 맞춤화된 소량의 의료장비에 대한 수요는 AM 기술과 의료 분야 간의 강한 유대관계 형성에 영향을 미치고 있다. 아직 AM을 이용한 제품 진화를 깊이 있게 추구하는 기업은 극소수이지만, 기술이 실적을 쌓아갈수록 더 많은 기업들이 제품 개발과 미래 응용에 대한 AM의 잠재력을 인식하게 될 것이다.
경로 4: 사업 모델의 진화
경로 4는 경로 2의 공급망 변화와 경로 3의 제품 진화가 결합되어 진행된다. 경로 4를 따르는 기업들은 사업 모델의 혁신, 성장 기회의 증가, 새로운 시장 진출, 경쟁자의 경쟁력 약화를 위한 새로운 방안을 추구한다. 이 경로의 주요 주제로는 대규모 맞춤화, 맞춤장비의 현장 즉시 생산, 바이오 프린팅이 있다.
대규모 맞춤 제작을 통한 비용 절감 및 제품 적합성 개선
대규모 맞춤 제작은 대량 생산으로 인한 낮은 단가와 개별 제품의 유연한 맞춤 제작을 동시에 가능하게 한다. 의료장비 분야에서 AM의 보다 새로운 활용 중 하나는 발의 통증 완화와 자세 교정을 위한 맞춤형 깔창의 제조다. 전통적인 깔창 제조 공정에서는 환자 발의 본을 뜬 후 검사를 위해 이를 실험실로 보내는데, 사람의 손길이 닿는 과정이 많아 오류 발생 가능성이 높았다.
맞춤형 깔창 제조사인 솔스(Sols)사는 AM을 이용해 전체 공정을 단순화해 오류 발생 여지를 줄이고, 독특한 맞춤 제작 기회를 제공하는 새로운 제품을 개발했다. 이 제조 공정은 스마트폰 앱으로 환자의 발을 스캔해 고객 데이터베이스(DB)로 업로드하는 절차로 시작한다. 스캔 결과를 검증한 후, 이미지를 AM 장비로 전송해 개인 맞춤화된 깔창을 프린팅한다. 그 후 고객이 선택한 색상으로 땀과 악취를 막아주는 항균물질을 깔창에 입혀 마무리한다. 솔스사는 2014년에 이 제품을 출시했으며, 단순화된 공정이 효율적인 대규모 맞춤 제작을 가능하게 할 것으로 보고 있다.
현장 맞춤 제작을 통한 재고 감축 및 성능 개선
맞춤형 제품을 즉시 생산함으로써 필요 재고 규모가 축소되고 필요한 운전 자본량도 줄일 수 있다. 이에 대한 사례로 무릎 인공관절 제조를 들 수 있다. 오늘날 ‘규격화된’ 무릎 인공관절을 대체 수술에 사용하는 외과의는 한정된 규격에서 적합한 관절을 선택해야 하고, 실제 수술 중에 관절의 적합 여부를 판정하고 최종 조정을 수행해야 한다. 표준화된 인공관절은 각 환자의 특성을 반영하지 못하기에 외과의들이 적합도에 대해 타협할 수밖에 없는 경우가 많았다. 그 결과 관절과 뼈의 완벽한 연결이 이뤄지지 못해 수술 후 통증을 유발하는 경우가 종종 발생했다.
미래에는 환자를 스캔해 거의 완벽한 관절을 현장에서 제조하는 AM 기술을 통해 필요 재고를 줄이고 수술 시간을 단축할 수 있을지도 모른다. 화상 데이터를 형상화하는 데 집중하고 있는 컨포미스(Conformis)사는 무릎 인공관절 제조 시스템을 제공하고 있다. 이 시스템은 환자의 무릎관절을 3D로 스캔한 후 뼈의 돌출부, 골낭포(骨囊胞)4) 등과 연관된 관절의 불완전성을 교정하는 모델을 만든다. 최종적으로 AM을 이용해 디자인을 프린트해 수술 당일 불과 며칠 전에 의사에게 전달한다. 그 덕분에 병원은 재고를 오랜 기간 보관할 필요가 없어졌다.
아직 컨포미스사는 수술 현장에서의 인공관절 프린팅 능력까지는 제공하고 있지 못하지만, 많은 기업들이 AM의 재고 축소 역량을 이용해 잠재적인 재고 비용 절감 방안을 탐색하고 있다.
바이오 프린팅이 가능해질 것
인간 세포를 연속적으로 층층이 쌓아 올려 살아 있는 인간 세포조직을 구성할 수 있는 바이오 프린터에 대한 연구와 투자가 증가하고 있다. AM 기술은 자연 세포조직에서 찾아 볼 수 없는 조직 고정을 위한 생체 적합 물질이나 골격의 삽입 없이 세포 배양체를 구성할 수 있다. 바이오 프린팅 기술의 진보는 피부 조직이나 연구용 장기와 같은 새로운 제품의 개발을 예고하고 있다.
현재 대부분의 바이오 프린터는 개발 초기 단계지만, 기술이 현실화되면 의학기술산업의 혁명이 일어날 것이다. 몇 가지 사례가 바이오 프린팅의 초기 발전상을 보여주고 있다. 예를 들어, 오르가노보(Organovo)사는 성공적으로 인간 장기의 형태와 기능을 모방하는 살아 있는 인간 세포조직을 만들 수 있었다. 이 회사의 가장 성공적인 사례는 실제 생체구조 패턴과 유사하게 인간 세포를 배열해 구성한 세계 최초의 3차원 간(liver) 조직이다. 오르가노보의 다음 목표는 보다 긴 시간 동안 실험실 환경에서 유지가 가능한 살아 있는 다세포 간 조직의 개발이다. 이 회사는 언젠가는 기능적으로 완전한 장기 제조가 가능할 것이라 기대하고 있다.
경로 4를 따르기 위해서는 공급망과 제품 포트폴리오 전체의 변환이 필요하다. 이로 인해 아직까지 소수의 의료장비 기업만이 경로 4를 추구하고 있다. 그러나 AM 기술이 발전할수록 AM을 이용하는 기업은 비용 절감, 공급망 단순화, 보다 진보된 제품의 혜택을 누릴 수 있을 것이다.
Looking Forward
AM이 의학기술산업에 상당한 영향을 미칠 것으로 전망되고 있는데 특히 의료장비 분야에 있어서는 더욱 그러하다. 보다 많은 기업들이 공급망과 제품에 대한 AM의 잠재력을 인식함에 따라 AM 기술의 도입도 증가할 것이다. AM의 도입에 있어 어떤 경로를 선택할 것인지는 기업의 가치 동인과 전략적 목표에 근거해 결정할 문제다.
산업 참여자들은 AM의 도입에 따른 비즈니스 모델의 진화를 주의 깊게 모니터링해야만 한다. 보청기나 인공 치관 같은 의료장비 시장에서 일어난 빠른 변화가 다른 분야에서도 일어날 수 있다. 또한 의료장비 기업들은 AM에 대한 장기 전략을 세울 필요가 있다. 모든 기업이 지금 이 시점에 AM에 대한 장기 전략적 투자를 원하지는 않겠지만, 경영진은 전체 산업과 세부 시장이 어디로 향하는지에 관심을 기울일 필요가 있다. 경우에 따라 ‘관망’하는 전략이 적절할 수도 있다.
전통적인 공급망과 제조 방법에 대한 AM의 경쟁 우위가 보다 분명해 질수록, 의료장비 기업들은 더욱더 AM에 대해 전향적인 태도를 취할 것이다. 의료장비 기업의 지속적인 혁신과 성장의 필요성이 AM을 탐구하고 도입할 추진력으로 작용할 것이다
출처 : 딜로이트 안진(Deloitte Anjin),January 2015 No.4
