계명대학교 기계공학과 김정진 교수 연구팀이 환자 맞춤형 골 조직 재생을 위한 인공 지지체 설계 기술을 제시하며 국제 학술지 'Expert Systems with Applications'에 논문을 게재했다.

이번 연구는 환자별 골 미세구조와 역학적 특성을 반영해 기존 의료기기 설계의 한계를 보완한 성과로 평가된다.

논문 제목은 'Optimal design of specific patient porous structure and implantation angle of bone scaffolds in the two-dimensional proximal femur'로, 2차원 근위 대퇴골 기반 환자 맞춤형 지지체의 다공성 구조와 이식 각도를 최적화하는 방법을 제시했다. 해당 학술지는 Operations Research & Management Science 분야 JCR 상위 6.1%에 해당하는 국제 저명 학술지다.

인공 지지체는 손상된 골 조직에 삽입돼 재생을 돕는 구조물로, 임계 크기 이상의 골 결손은 자연 치유가 어려워 구조적 보완이 필요하다. 기존 자가골과 동종골 이식은 공급 부족과 감염, 면역 반응 등의 한계가 지적돼 왔다.

지지체 설계에서도 문제점이 제기돼 왔다. 지지체와 주변 골 조직 간 기계적 특성이 일치하지 않으면 과부하 또는 저부하가 발생해 치유를 저해할 수 있기 때문이다. 이에 따라 환자 개별 특성을 반영한 정밀 설계 필요성이 꾸준히 강조돼 왔다.

연구팀은 의료영상 데이터를 기반으로 근위 대퇴골의 2차원 유한요소 모델을 구축하고 실제 하중 조건에서 구조 거동을 분석했다. 이를 바탕으로 유전 알고리즘을 적용해 기공 크기와 이식 각도를 동시에 최적화하는 설계 기법을 도출했다.

분석 결과 이식 위치에 따라 최적 기공 구조와 이식 각도가 달라졌으며, 최적화된 지지체는 외부 하중에 대한 적응성이 향상되는 것으로 나타났다. 환자 맞춤형 설계가 실제 기계적 성능 개선으로 이어질 수 있음을 확인한 셈이다.

김정진 교수는 "환자 맞춤형 인공 지지체 최적 설계는 기존 기술로 구현하기 어려웠던 연구"라며 "골 미세구조와 역학적 환경을 반영한 설계라는 점에서 의미가 크다"고 말했다.

연구에 참여한 최준원 박사과정은 "환자 특성을 반영한 설계는 기존 획일적 지지체의 한계를 보완할 수 있다"며 "향후 3차원 기반 정밀 의료기기 설계로 확장 가능하다"고 말했다.

이번 연구에는 최준원 박사과정이 제1저자로, 김정진 교수가 교신저자로 참여했다. 연구는 과학기술정보통신부 우수신진연구 사업으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.