페루자 대학교, Artec Micro II로 새로운 치과용 3D 프린팅 소재 검증

Micro II로 임플란트를 3D 스캐닝하고 있는 페루자 대학교 학생. 이미지 제공: 페루자 대학교

치과 업계에서 3D 프린팅이 급증하고 있으며, 전 세계 치과에서 이 기술을 통해 맞춤형 임플란트를 빠르게 제작하는 치과 의사가 점점 더 많아지고 있습니다.

치관, 부분 의치, 가이드, 교정기와 같은 임플란트를 맞춤형으로 제작할 때 3D 프린팅은 기존의 치과 인상 제작보다 빠르고 정확하며 장기적으로는 비용도 저렴합니다. 그러나 단점도 있는데, 특히 재료 호환성과 관련된 것입니다.

3D 프린팅 재료는 특정 기술로 작업할 수 있는 적합성을 검증받아야 할 뿐만 아니라 내구성, 미관, 수축성 및 인체 안전성에 대한 테스트도 거쳐야 합니다. 현재로서는 이러한 문제로 인해 다양성이 제한되고 숙련된 치과의사에게는 오래되고 검증된 방법이 매력적입니다.

이러한 치과의사들에게 새로운 레진을 제공하려면 많은 연구가 필요합니다. 이 경우 형상 정확도 분석에 중점을 두는 경우가 많지만, 출력물 크기와 속도도 심각한 문제가 될 수 있습니다. 그렇다면 3D로 프린트된 작은 임플란트를 어떻게 빠르고 반복적으로 디지털화하고 테스트할 수 있을까요?

이 문제를 해결하기 위해 이탈리아에서는 토리노 대학교 치과대학, 토리노 폴리테크닉, 카타니아 대학교 및 페루자 대학교가 참여하는 전국적인 공동 연구 계획을 세웠습니다. 대학교 내 스마트 제조 연구소(Smart Manufacturing Laboratory)에서 계측을 자동화하는 새로운 방법을 찾고 있던 페루자 대학교는 Artec Micro II 데스크톱 3D 스캐너를 도입했습니다. 결과적으로 이 프로젝트는 치과 임플란트 제조업체가 만든 실제 제품에 대한 자사의 아이디어를 테스트할 수 있는 완벽한 기회를 제공함으로써 3D 프린팅의 폭넓은 채택과 환자 경험을 개선하는 데 도움이 될 수 있었습니다.

검사용 치과 임플란트 디지털화

페루자 대학교의 스마트 제조 연구소는 몇 년 전에 문을 열었습니다. 최근 계측 부서를 개설한 연구소장 Nicola Senin 부교수는 연구소의 주요 목표 중 하나가 로봇 자동화, AI 통합, 자체 소프트웨어 개발을 통해 “측정 시스템을 지능화하는 것”이라고 말하며, Micro II에 투자함으로써 광학 측정으로 더 확장할 수 있게 되었다고 밝혔습니다.

Artec Micro II로 캡처한 치아의 3D 스캔. 이미지 제공: 페루자 대학교

이 팀은 가장 권위 있는 3D 프린팅 브랜드의 공인 리셀러이자 Artec 3D의 오랜 파트너인 3DZ,로부터 3D 스캐너를 구매했습니다. 유럽 전역에 15개 사무소를 두고 있는 3DZ는 신뢰할 수 있는 컨설턴트로서 기업이 자사의 특정 요구 사항에 가장 적합한 3D 기술을 찾을 수 있도록 지원합니다. 페루자 대학교의 요구 사항을 면밀히 분석한 후, 3DZ는 탁월한 정밀도와 사용 편의성을 갖춘 Artec Micro II를 추천했습니다.

처음에 연구소 팀은 이 기술을 사용하여 임플란트를 위한 복잡한 3D 프린팅 형상을 측정했습니다. Micro II를 통해 정확도를 확인하고 출력물의 변형되거나 뒤틀리거나 휘었는지 확인할 수 있었습니다. 이러한 결함은 균열로 이어지고 균열은 파손을 유발하기 때문에 임플란트를 제작하는 데 있어 매우 중요한 문제입니다. 연구개발이 진행됨에 따라 연구소 팀은 더욱 실용적인 활용 사례를 모색하기 시작했고, 이는 치과용 세라믹 수복물 3D 프린팅 및 디지털 트윈 제작 프로젝트에서 절정에 달했습니다.

이탈리아 대학 및 연구부(Italian Ministry of University & Research)의 지원을 받는 '3DCer4Dent' 계획은 페루자 대학교가 주도하고 있으며, 특히 Elisabetta Zanetti 부교수(산업 생명공학)와 Giulia Pascoletti 연구원(설계 방법론)이 이끌고 있습니다. 이 대학교의 스마트 제조 연구소 연구진은 치과 임플란트 제조업체가 설계한 치관을 실제로 사용하기 위해 3D 스캐닝을 시작했으며, Micro II는 이 작업에 적합하다는 것이 입증되었습니다.

Micro II 3D 스캐닝을 위해 클램프에 장착된 치아. 이미지 제공: 페루자 대학교

각 스캔은 몇 분 밖에 걸리지 않으며, 장치의 자동화된 플랫폼이 대부분의 복잡한 작업을 처리합니다. 이전에는 엑스레이와 광학 단층 촬영을 통해 추가 검사를 진행하기도 했습니다. 그러나 이번 경우에 Micro II는 두 가지 다른 치과용 세라믹 간의 명확한 차이를 식별하여 확실한 결과를 얻기 위한 충분한 데이터를 자체적으로 캡처할 수 있음을 보여주었습니다. Zanetti는 장기적으로는 더 많은 연구개발을 통해 환자 치료가 개선될 수 있다고 설명합니다.

그녀는 "치과의사들은 상당한 수축이 발생하는 레진으로 작업하고 있습니다. 어떤 스케일 팩터를 사용하는 것이 최적인지 명확하지 않은데, 우리는 바로 이 부분에서 Micro II를 통해 도움이 되고자 합니다. 매우 중요한 부분은 치관과 치아의 나머지 부분 사이의 경계면입니다. 거기에 [치과용] 시멘트가 없기 때문에 임플란트가 제대로 밀착되지 않으면 박테리아가 유입되어 실패할 수 있습니다."라고 말했습니다.

새로운 3D 프린팅 재료 분석

놀랍게도 이 연구진의 워크플로 대부분은 Artec Studio에서 이루어집니다. 이 3D 스캐닝 및 데이터 처리 소프트웨어는 포인트 클라우드를 매우 세밀한 메시로 변환하는 데 필요한 모든 도구를 갖추고 있으며, 분석하고 제조에 널리 사용되는 파일 형식으로 내보낼 수 있습니다.

이번에 팀은 임플란트의 한쪽 면을 스캔하고 180도 돌려 반대쪽 면을 스캔한 후 점대점 정렬을 사용하여 생성된 데이터를 빠르게 융합할 수 있다는 것을 알아냈습니다. 설정을 자세히 살펴보면 최대 해상도를 위해 융합 매개변수까지 조정할 수 있는데, 이는 세부적인 표면 분석에 필수적인 작업으로 Artec Studio에서도 수행합니다.

Pascoletti는 “한 재료가 90 백분위수 값에서 편차가 더 작은 것으로 나타났기 때문에 다른 재료보다 더 좋은 것으로 나타났습니다.”라고 말했습니다. 연구팀이 처음 연구를 시작했을 때만 해도 기존 치과용 스캐너와 다른 종류의 3D 스캐너로 작업했지만 Micro II를 사용해 본 그녀는 “정확도에서 상당한 차이"가 있다고 덧붙였습니다. 사실 그래서 연구진은 처음에 실험적 테스트에 착수할 수 있었던 것입니다.

Artec Studio에서 재구성된 메시 위에 겹쳐진 STL 파일. 이미지 제공: 페루자 대학교

페루자 대학교 연구팀은 더욱 심층적인 통계 분석을 위해 Cloud Compare와 MATLAB과 같은 소프트웨어도 사용합니다. 이러한 플랫폼을 통해 사용자는 곡면 간의 차이를 쉽게 계산하고 복잡한 데이터 세트를 분석할 때 수치를 빠르게 처리할 수 있습니다. 하지만 결론적으로 말하면 한 재료가 다른 재료보다 우수합니다. 이들의 접근 방식은 검증되었습니다.

치과, 의료 등 다양한 분야에서의 잠재력

초기 성공 이후, 연구팀은 최소 두 가지 이상의 지르코늄 소재를 추가로 테스트할 계획입니다. 하지만 이들의 노력은 치과에만 국한되지 않습니다. 의료용 임플란트 맞춤형 제작과 위성 부품의 3D 프린팅 분야에서도 3D 스캔 기반 분석이 가능성을 가지고 있다고 보고 있습니다.

연구진은 다른 공공-민간 파트너십 구축과 더불어 계측 향상 알고리즘에 대한 연구를 계속할 계획입니다. 여기에는 각 위치에서 필요한 최소 스캔 횟수를 계산하여 생성된 모델을 제조를 위해 바로 전송하는 워크플로인 자동 시점 생성이 포함됩니다. 다음에 무엇을 하든 Micro II는 이들 계획의 중심에 있을 것이며, Senin은 설계 반복과 검사 모두에서 이 장치의 미래가 밝다고 말합니다.

Senin은 "많은 금속, 세라믹 및 폴리머 재료는 Micro II로 측정할 수 있습니다. "예를 들어, 위성용으로 고도로 가공된 재료로 만든 소형 부품도 측정하기 시작했습니다. 아직까지는 이 프로세스를 최적화하지 못했고, 우주선에 대해 이야기하는 것도 아닙니다. 하지만 Micro II를 사용하면 연구 기관으로서 프로토타입 수준에서 다양한 온도에서 형상 변화를 추적할 수 있습니다."라고 결론지었습니다.

페루자 대학교 연구진의 손에서 Micro II는 의료, 치과 등 다양한 분야에서 3D 프린팅의 잠재력을 실현하는 데 도움을 주고 있습니다. 5마이크론 정확도의 검사가 또 어떤 분야에서 유용하게 쓰일지 누가 알 수 있을까요? 분명 이 팀의 연구는 계속 지켜볼 가치가 있습니다.

앞서 언급한 연구 프로젝트인 “치과용 3D 프린팅 및 디지털 트윈 세라믹 수복물”(3DCer4Dent)은 이탈리아 대학 및 연구부(PRIN 이니셔티브)의 자금 지원과 차세대 EU 지원(J53D23012190)으로 진행되고 있습니다.

자세한 정보를 원하는 경우 elisabetta.zanetti@unipg.it로 Elizabeth Zanetti 교수에게 직접 문의하시기 바랍니다.