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Nikkei X-TECH_2022.4.18

차세대 뼈재생 의료
열쇠를 쥐고 있는 위상기하학의 적용과 데이터 활용

뼈의 결손 부분을 재건하는 뼈재생 의료에서 데이터나 수학적 방법이 적용되고 있다. 메디컬 디바이스 개발업체인 넥스트21(도쿄)은 판매하는 체내 고정용 메시 플레이트와 3D프린터에 의한 인공뼈 설계에 위상기하학(토폴로지)의 적용을 추진하고 있다. 환자의 CT(컴퓨터단층촬영) 이미지 데이터를 바탕으로 맞춤형 인공뼈를 설계하는 과정을 매끄럽게 연결해, 차세대 뼈재생 의료의 확립을 목표한다.

넥스트21이 개발한 티타늄 메시 플레이트 ‘ULTRA FLEX MESH PLATE’의 약사 승인 내용의 일부 변경이, 가까운 시일 내에 인정될 전망이다. ULTRA FLEX MESH PLATE는 뼈의 결손 부분을 메우거나 이식한 뼈를 체내에서 고정시키는 데 사용되는 의료기기다. 승인 내용의 변경으로 넥스트21의 인공뼈 ‘CT-Bone’과 조합한 ‘Hybrid-Bone Matrix’로서 제공할 수 있게 되어, 지금까지 구강 외과 영역에 한정되었던 사용 가능 부위가 전신으로 확대되었다.

이 메시 플레이트의 구조 설계에서 활용하고 있는 것이 위상기하학이다. 위상기하학은 ‘부드러운’ 기하학이라고도 부른다. 부드러운 소재로 된 도형을 연속적으로 변형시켜 그 도형의 성질을 찾아내는 학문 분야다. 손잡이가 1개의 머그컵과 도넛을 위상기하학에서는 같은 것(동상(同相))으로 파악한다는 말을 들어본 적이 있을지도 모르겠다.

이 위상기하학을 어떻게 응용하고 있는가? 메시 플레이트는 그물코가 꽃 모양을 한 독자적인 ‘마거리트 메시 구조’를 취하고 있다. 평면의 플레이트를 이식 부위에 맞추어 입체로 하는 공정에서 이 꽃모양의 구조가 자유자재로 변형한다. 변형전과 변형후의 모양은 동상(同相)이며, 모서리가 생기기 어렵고 매끄러운 곡면을 재현할 수 있을 뿐만 아니라 응력(Stress)이 분산되기 때문에 파손되기 어려운 구조가 된다.

또한 메시 플레이트와 조합하는 CT-Bone의 구조설계에서도 위상기하학을 활용하고 있다. CT-Bone은 환자의 CT 이미지 데이터를 바탕으로 3D프린터로 조형하는 커스텀 메이드 인공뼈다. α형 제삼인산칼슘이라는 열처리가 불필요한 원료를 사용하기 때문에 자신의 뼈와 쉽게 붙고, 시간이 지나면서 자신의 뼈로 치환해 나가는 성질이 있다.

그러나 넥스트21의 스즈키(鈴木) 사장은 “인공뼈의 외형을 아무리 정확하게 재현해도 가스나 수도가 작동하지 않는 건물과 같은 것이어서 실용성이 없다”라고 지적한다. 중요한 것은 인체의 라이프라인인 혈관이 지나가는 뼈 내부의 스폰지 모양을 재현하는 것이라고 한다. 인공뼈의 내부까지 혈관이나 세포가 들어가면, 생리적인 활성을 유지할 수 있어 자기 뼈로 치환되는 것이 쉽다.

CT-Bone의 내부에는 스펀지를 형성하는 트라베큘라라고 불리는 구조를 본뜬 구멍이 존재한다. 이 설계에는 미국 nTopology가 개발한 토폴로지 최적화 기술을 사용하고 있다. 부품의 경량화 등에 사용되는 기술로, 이것을 인공뼈에 응용함으로써 최적의 강도를 유지하면서 스폰지 모양 구조를 만드는 것이 가능해졌다.

또한 혈관 성장 인자인 섬유아세포 성장인자(Fibroblast Growth Factor, FGF)를 인공뼈를 성형할 때 혼합하는 기법도 개발 중이다. 인공뼈 안에 FGF를 3 차원 배치함으로써 혈관을 효율적으로 유도할 수 있어, 자기 뼈로 치환하는 속도가 가속될 가능성이 있다고 한다.

-- '데이터를 축으로 한 치료를 가능하게' --
메시 플레이트와 CT-Bone은 지금까지 별개의 제품으로서 판매해 왔으나 승인 변경에 의해 이들을 조합한 Hybrid-Bone Matrix로서 전개할 수 있게 되었다. 결손 부분을 CT-Bone으로 메우고, 외측을 메시 플레이트로 덮어 자기 뼈와 고정하고, 자기 뼈와 아물어 붙은 후에 플레이트를 적출하는 방법을 상정한다.

넥스트21은 Hybrid-Bone Matrix와 병행하여 보다 미세한 뼈 결손 부분을 메우는 사출성형품 인공뼈 'CIM-Bone'이나, 이식에 이용하는 골수 세포를 적은 부담으로 채취할 수 있는 의료기기 'GryGry' 등의 개발도 추진하고 있다. 넥스트21이 목표는 Hybrid-Bone Matrix를 핵심으로 하여 이들 각 기술을 조합한, 데이터 활용을 통한 차세대 뼈재생 의료를 확립하는 것이다.

스즈키 사장은 환자의 CT 이미지 데이터를 출발점으로, 소프트웨어상에서 외형이나 내부 구조를 설계하고 환자의 상태에 맞춘 커스텀 메이드 인공뼈를 제공한다. 장기적으로는 수술 지원 로봇과 데이터의 연계가 가능해지면, 치료 계획 입안부터 인공뼈의 제작, 실제 수술까지를 데이터를 축으로 하여 진행하게 될 것이다”라고 설명한다.

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