Osseointegration Assessment of 3D-printed Porous Structure with Bone-mimetic Irregular Design

Abstract

다공성구조는 골조직과 임플란트 사이에서 골유합 즉, 강력한 생물학적 고정을 유도하며, 전통적인 수술과정에서 사용되는 골시멘트를 대체하는 역할을 수행한다. 한편, 3D 프린팅 기술은 정형외과 분야에서 강력한 임플란트 제조 플랫폼으로 자리잡고 있는데, 그 중 선택적 레이저 용융 방식 (Selective Laser Melting, SLM)은 특히나 뛰어난 해상도를 자랑한다. 당연하게도, 복잡한 뼈 모사 다공성구조를 임플란트 설계에 포함시키고 이를 SLM을 통해 제조해내는 것이 주요 트렌드가 되어가고 있다. 최근 주목받고 있는 보로노이 테셀레이션 모델링 기법은 비규칙적 크기를 가지는 기공들을 생성시킴으로써 실제 뼈와 매우 유사한 다공성구조를 구현할 수 있게 한다. 다만, 임상에 광범위하게 적용되기에는 선행되어 확인될 부분들이 존재하는데, 우선 그 생물학적 성능에 대한 비교검증 사례가 거의 없다. 또한 그러한 복잡한 다공성구조를 미세 제조함에 있어 그 품질을 보장하기 위한 공정 최적화 연구가 부족하다. 따라서, 본 연구는 이 두가지 잔존 과제들을 해소하는데 목적을 두고 진행되었다. 구체적으로, 보로노이 테셀레이션 모델링 기법을 기반으로 하는 자체 알고리즘을 개발하고, 비규칙적 다공성구조를 설계하였다. 그런 다음 우선, 그 SLM 제조 공정을 최적화하기 위하여 다양한 공정변수 세팅에서 시편을 제작하였다. 레이저파워는 80-160 W, 스캔스피드는 550-950 mm/s의 범위에서 각각 조작되었다. 이후 제작된 시편에 대하여 Micro-CT 촬영이 이루어졌으며, 획득된 단면 이미지에서 기공 형상 오차가 측정되었다. 또한, 기계적 물성은 압축 실험을 통해 확인되었다. 결과적으로, 기공은 레이저파워가 강할수록 스캔스피드가 느릴수록 협소해졌다 또한, 이러한 치수 부정확도가 커질수록 다공성구조의 기계적 물성도 강해지는 경향을 보였다 (양의 상관관계). 결과적으로 가장 약한 레이저파워(80 W) 및 가장 빠른 스캔스피드(950 mm/s)에서 기공의 크기 분포는 가장 설계와 가깝게 제작되었다. 이때, 최소화된 형상 오차(135-150 μm)에서 압축강도와 탄성계수는 각각 131.45 MPa와 6.24 GPa로 임상적 사용에 적합한 수준으로 유지되었다. 이어서, 그 골유합 증진 효과를 종래의 다공성구조(뼈 템플릿 다공성구조, 규칙적 격자 다공성구조)들과 비교하였다. 시편들은 SLM 장비와 Ti-6Al-4V 파우더를 사용하여 제작되었으며, 이어서 동물이식 및 조직학적 분석이 수행되었다. 결과적으로 비규칙적 다공성구조는 뼈 템플릿 다공성구조와 비슷한 생체 내 결과를 보였으며 특히, 6주간의 이식 기간 동안 뼈 형성을 유지하는 데 있어 규칙적 격자 다공성구조 대비 유의한 개선을 보였다. 종합적으로 도출된 결론은 다음과 같다. 1) 다공성구조 설계에 있어, 골유합 개선을 위하여 실제 뼈의 비규칙성을 모사하는 것이 중요할 수 있다. 2) 그러한 복잡한 다공성구조의 제조에는 기공 형상 오차 최소화에 초점을 맞춘 별도의 SLM 공정조건이 필요할 수 있다. 끝으로, 본 연구결과는 다공성 요소(또는 영역)을 포함하는 최신 정형외과 임플란트의 설계 및 제조에 있어 필수적인 참조자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

The porous structure plays a critical role in inducing a stable biological anchorage between bone and implant, so-called osseointegration. It provides a vital alternative to traditional bone cement procedures. Meanwhile, 3D printing technologies have emerged as a robust manufacturing platform in orthopedics. In particular, selective laser melting (SLM) stands out in its excellent resolution. Naturally, it has become one of the current major trends to incorporate highly bone-mimetic porous structures into orthopedic products using SLM. Recently, Voronoi tessellation has been identified as a promising modeling technique for designing a porous structure closest to the actual bone by implementing irregularly sized pores. However, several challenges remain in the clinical application of the resulting porous structures. Firstly, there is a lack of verification regarding their biological performance. Secondly, there is a need for a better understanding of fine-tuning the manufacturing process to ensure the quality of such complex porous structures.Thus, this study aimed to propose available references addressing the existing concerns. In detail, we developed an irregular porous structure using a customized algorithm based on Voronoi tessellation. Firstly, for optimizing the manufacturing process using SLM, we fabricated the specimens at different parameter settings. Specifically, the laser power and scan speed varied at 80-160 W and 550-950 mm/s, respectively. Afterward, the pore shape error was manually measured using micro-CT images, and the mechanical properties were obtained through compression tests. As a result, the pore narrowed in response to stronger laser powers and slower scan speeds, more dominantly altered by the former. In addition, greater dimensional inaccuracies led to higher mechanical properties, showing a positive correlation. Consequently, the combination of the weakest laser power (80 W) and the fastest scan speed (950 mm/s) exhibited the closest pore size distribution to the design with minimized shape errors of 135-150 μm while maintaining clinically acceptable levels of compressive strength and elastic modulus (131.45 MPa and 6.24 GPa, respectively). Then, we examined its osseointegration capacity with conventional ones, including a bone-templated porous structure and a regular lattice porous structure. This comparative analysis involved fabricating specimens using an SLM machine and Ti-6Al-4V powder and implanting them into animals for bone histomorphometry. As a result, the irregular porous structure exhibited comparable in-vivo outcomes to the bone-templated porous structure, showing a significant improvement over the regular lattice porous structure in retaining bone formation during the mid-term implantation period. Collectively, our efforts here have underlined the following points: 1) The importance of adopting the actual bone irregularity in designing a porous structure to enhance osseointegration. 2) The necessity of establishing separate parameter settings for such complex porous structures in the SLM process, focusing on minimizing shape error. These findings may provide valuable insights for designing and manufacturing the latest orthopedic implants, including porous components (or areas).