3D 프린트된 패턴 임베딩을 이용한 대동맥벽의 기계적 특성 모방

Abstract

3D 프린팅 기술은 의료 전반에 걸쳐 사용이 확대되고 있다. 의료용 디지털 영상(Digital Imaging and Communications in Medicine, DICOM)을 기반으로 정확한 해부학적 구조를 반영하여 환자 맞춤형 가이드, 시뮬레이터, 보형물, 수술도구, 교육용 팬텀 등 다양한 어플리케이션이 개발되고 있다. 정해진 규격으로 대량 생산되어 공급되는 기존의 방식 대비, 3D 프린팅 기술은 개인 맞춤형, 소량 생산을 기반으로 의료기기를 제조, 공급하게 되며 의사와 환자 간 의사소통이나 공정 간소화, 수술 시간 단축 등에 이점이 있다. 하지만 3D 프린팅 기술은 재료나 소재의 다양성, 긴 출력 시간, 정확성 등 여러 한계점을 가지고 있다. 특히 시뮬레이터나 교육용 팬텀 제작에 있어 해부학적 구조를 조직의 특성화 함께 모방하기에는 재료의 한계점이 뚜렷하다. 본 연구에서는 3D 프린팅 의료기술의 재료의 한계를 극복하며 적용의 지평을 넓히기 위해서 복합 재료와 패턴 임베딩을 통해 대동맥벽의 기계적 특성을 모방하고자 하였다. 동맥은 혈관의 기능만이 아니라 기계적 특성을 통해 심혈관 전체의 압력과 흐름을 조절하는 역할을 한다. 많은 연구에서 동맥의 기계적 거동을 다음과 같이 여러 부분으로 나누어 설명했다. (1)낮은 변형에서 탄력판이 하중을 지지하고 (2)변형이 커질수록 콜라겐 섬유가 하중을 나누어 받다가, (3)높은 변형에서 콜라겐 섬유가 하중을 지지하고 항복점을 넘어서면 파열이 일어난다. Objet500 connex3 장비의 Agilus와 Dragonskin 30 실리콘이 기본 재료로, Objet500 connex3 장비의 VeroCyan과 Ultimaker3 장비의 TPU 94A가 패턴 재료로 선택되었고 각각 인장시험이 수행되었다. 이 데이터를 토대로 2D anisotropic 패턴 1 개(pattern A), orthotropic 패턴 2개(pattern B and C)가 설계되었다. 설계된 패턴을 박스 내부에 심어(embedding) 시편이 설계되었고 기본 재료의 인장 강도와 변형률 차이를 고려하여 Agilus-VeroCyan 시편의 박스 크기는 150 x 30 mm, 두께는 3 mm이며, Dragonskin 30-TPU 94A 시편의 박스 크기는 115 x 25 mm, 두께는 2.5 mm로 설계되었다. Anisotropic 패턴은 인장 방향과 장축, 단축을 각각 일치시켜 시편에 심어졌다. Orthotropic 패턴은 장, 단축 구분 없이 시편에 심어졌다. 설계된 시편을 토대로 인장시험이 수행되었다. 모든 Agilus-VeroCyan 시편은 한 번에 출력되었고 Dragonskin 30-TPU 94A 시편은 출력된 TPU 94A 패턴을 몰더 가운데 고정시키고 실리콘 몰딩하여 제작되었다. 그리고 패턴의 영향을 확인하기 위해 TPU 94A를 재료로 두께마다 각 패턴이 출력되어 인장시험이 수행되었다. 인장시험 결과에서 다항식 피팅 후 평균과 표준 편차가 도출되었다. 다항식 피팅의 차수는 4차로 통일시켰고 R-square의 전체 평균 및 표준 편차는 0.9988 ± 0.0011 이었다. 패턴 임베딩 시편 5 개의 인장시험 결과 중 인장강도, 파단 변형률의 평균이 알려진 대동맥의 인장강도와 파단 변형률과 비교되었다. (2.0~3.0 MPa, 2.0 ~2.3 mm/mm) 앞선 연구를 참고하여 피팅된 다항식의 기울기를 구하여 탄성계수를 구하고 변곡점을 찾았다. 결과 분석 및 그래프 작성에는 Matlab R2015a가 사용되었다. Agilus의 평균 인장강도 및 표준편차는 1.00 ± 0.05 MPa, VeroCyan의 평균 인장강도 및 표준편차는 34.08 ± 3.31 MPa, Dragonskin 30과 TPU 94A은 각각 2.03 ± 0.17 MPa, 36.71 ± 3.85 MPa였다. 그리고 재료 별 파단 변형률 평균과 표준편차는 Agilus, VeroCyan, Dragonskin 30, TPU 94A 순서대로 각각 3.96 ± 0.12 mm/mm, 0.38 ± 0.08 mm/mm, 5.82 ± 0.46 mm/mm, 9.55 ± 1.25 mm/mm였다. Dragonskin 30-TPU 94A 조합은 파단 변형률이 기준을 만족했지만 인장강도가 다소 모자랐다. Agilus-VeroCyan 조합은 모든 패턴에서 Dragonskin 30-TPU 94A 조합보다 파단 변형률이 낮았다. 인장강도의 경우 패턴의 직경을 증가시키면 함께 증가하지만 파단 변형률이 감소하며 강성이 증가했다. 실제 대동맥의 기계적 특성과 다소 다르지만 인체에 적용할 때는 파열되지 않는 것이 최우선으로 고려된다. 연구용 팬텀이 아닌 인체 삽입을 목적으로 할 경우에는 인장강도를 증가시키는 것으로 충분하다. 변곡점이 두 개이면서 그 간에 탄성계수가 증가하는 패턴은 0.7 mm Agilus-VeroCyan A-major, B-minor, 1.4 mm Dragonskin 30-TPU 94A B-minor였다. 이 중 인장강도 기준을 만족하는 패턴은 없었고 1.4 mm Dragonskin 30-TPU 94A B-minor 이 파단 변형률 기준을 만족했지만 탄성계수 변화량이 크지는 않았다. 일부 패턴에서는 변곡점이 없었다. TPU 94A의 stress-strain curve와 탄성계수 그래프에서 단일재료의 기계적 특성은 패턴 변화를 주어도 크게 바뀌지 않는 것이 확인 가능했다. 패턴마다 인장강도나 변형률에 차이는 보였지만 그래프 형태에는 큰 차이를 보이지 않았다. C 패턴을 제외하면 기계적 특성의 기준을 만족하지 못했지만, 실제 대동맥이 수축기에서 약 3 ~ 8 %의 변형률을 갖기 때문에 탄성계수 특성만 만족시키면 대동맥 거동 구현이 가능할 것이다. 본 연구에서는 단일 3D 프린팅 재료 대신, 다른 물성을 지닌 두 재료와 패턴 임베딩을 이용하여 대동맥벽의 기계적 특성을 모방하는 방법을 제시했다. 대동맥의 인장강도와 변형률을 모사할 수 있었으며 보다 사실적인 시뮬레이터 팬텀 구현 가능성을 확인했다. 다른 인체조직 모방에도 적용할 수 있는 잠재력이 있으며, 이를 위해서는 재료의 다양성 확보와 패턴 재설계, 패턴 임베딩 시편의 인장시험 방법 정립 및 검증 등의 추가 연구가 필요하다. |Use of 3D printing technology has been well-established in the medical field. Based on digital imaging and communication in Medicine (DICOM), various applications such as patient customized guides, simulators, implants, surgical tools, and educational phantoms can be developed to reflect accurate anatomical structures. Compared to the existing practice of mass-production and supply of standard materials, 3D printing technology allows for small-scale manufacture and supply of personalized medical devices. Other advantages include communication between doctors and patients, process simplification, and reduction of operation time. However, 3D printing technology has several limitations, such as lack of diversity of materials, long output time, and lack of accuracy. In particular, the limitations of materials refer to the need for imitation of the anatomical structure, combined with the characteristics of the organization in the production of simulators and educational phantoms. In this study, we tried to mimic the mechanical properties of aortic walls, by using composite materials and pattern embedding, in order to overcome the limitations 3D printing medical technology and to broaden the horizon of applications. Arteries are cardiovascular blood vessels and they control the pressure and flow through their mechanical characteristics. In many studies, the mechanical behavior of arteries has been described in several parts: (1) In low deformation, the elastic plate supports the load, (2) the more extensive the deformation, the more the collagen fiber load is divided, (3) the collagen fiber load is supported in high deformation, and the rupture occurs when the collagen fiber load is exceeded the yield point. Agilus of Objet500 connex3 equipment and Dragonskin30 silicone were selected as the basic materials, and VeroCyan of Objet500 connex3 equipment and TPU 94A of Ultimaker3 equipment were selected as the pattern materials. Tensile tests were performed in both basic and pattern materials. Based on tensile test results, one 2D anisotropic pattern (pattern A) and two orthotropic patterns (patterns B and C) were designed. These patterns were embedded into a rectangular box to design the specimen. Considering the difference in tensile strength and strain of the basic material, the Agilus-VeroCyan specimens were designed with a box size of 150 x 30 mm, and a thickness of 3 mm. The Dragonskin 30-TPU 94A specimen was designed with a box size of 115 x 25 mm and a thickness of 2.5 mm. The anisotropic pattern was incorporated on the specimen by matching the tensile direction, the longitudinal axis, and the shortening. Orthotropic patterns were incorporated in specimens without field or shortcut distinction. Tensile tests were performed based on the designed specimens. All Agilus-VeroCyan specimens were produced in one go, while Dragonskin 30-TPU 94A specimen was produced by fixing the printed TPU 94A pattern in the middle of the mold, and molding silicon around it. Moreover, to examine the effect of the patterns, each pattern was produced with TPU 94A material for thickness as 0.7 and 1.4 mm, and a tensile test was performed. The mean and standard deviation were derived using polynomial fitting, which was unified to the fourth-order, with the R-square value being more than 0.9950. The tensile strength and fracture strain of the aorta, which are known to be average of the tensile strength and fracture strain, were compared with the fracture strain of the five specimens with embedded pattern. The fitted polynomial slope was obtained by referring to a previous study (2.0~3.0 MPa, 2.0~2.3 mm/mm), and also the coefficient of elasticity and the inflection point were obtained. Matlab R2015a was used for analysis of results and production of graphs. The average tensile strength and standard deviation of Agilus were 1.00 ± 0.05MPa, for VeroCyan's were 34.08 ± 3.31 MPa, for Dragonskin 30 were 2.03 ± 0.17 MPa, and for TPU 94A were 36.71 ± 3.85 MPa. The mean and standard deviation of fracture strain by the material were 3.96 ± 0.12 mm/mm, 0.38 ± 0.08 mm/mm, 5.82 ± 0.46 mm/mm, 9.55 ± 1.25 mm/mm for Agilus, VeroCyan, Dragonskin 30, and TPU 94A respectively. The Dragonskin 30-TPU 94A combination met the criteria for fracture strain, but the tensile strength did not meet the standards. The Agilus-VeroCyan combination had lower fracture strain than the Dragonskin 30-TPU 94A combination for all examined patterns. Increasing the diameter of the pattern increased the tensile strength and stiffness, but the fracture strain decreased. The results of this study differed from the mechanical properties of the actual aorta, but rupture was considered a top priority when a synthetic aorta was considered for application to the human body. Since the focus was to use a synthetic aorta in the human body and not only as a research phantom, it was deemed necessary to increase the tensile strength. Patterns with two inflection points and increased elastic modulus between them were defined as 0.7 mmAgilus-VeroCyan A-major, B-minor, and 1.4 mm Dragonskin 30-TPU 94A B-minor. 1.4 mm Dragonskin 30-TPU 94A B-minor satisfied the fracture strain standard, but the elastic modulus did not change much. There was no pattern found to satisfy the tensile strength standard. In some patterns, there were no inflection points. The stress-strain curve and elastic modulus graph for TPU 94A confirmed that the mechanical properties of single materials did not change significantly, even when pattern changes were made. There were differences noticed in the tensile strength and strain for each pattern, but there was no significant difference observed in the graph shape. Except for the C orthotropic pattern, the standards for aorta’s mechanical characteristics were not satisfied. However, since the actual aorta shows a strain rate of about 3 ~ 8 % in the systolic phase, it would be possible to implement aortic behavior if the elastic modulus property was satisfied. In this study, we proposed a method to imitate the mechanical characteristics of the aortic wall. We used two materials with different physical properties and pattern embedding, instead of 3D printed materials of one nature. The tensile strength and strain of the aorta were imitated, and we saw the possibility of implementing a more realistic simulator phantom. Obtained results suggest potential of these materials to be able to imitate other types of human tissue. To this end, further research is needed, on ensuring diversity of materials, redesigning patterns, and establishing and verifying tensile test methods for specimens with embedded pattern.