리뷰 논문

요추 체간 융합에서의 3D 프린팅 다공성 티타늄 케이지

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DOI:

10.3791/70575

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2026년 4월 30일

 , 
1Department of Spinal Surgery, Zibo First Hospital

이 논문에서

요약

본 리뷰는 요추 간체 융합에서 3D 프린팅된 다공성 티타늄 케이지에 관한 최신 증거를 종합하여, 재료 설계 원리, 생체역학적 성능, 임상 결과를 통합합니다. 임상 채택이 증가하고 보고가 이질적으로 이루어지는 상황에서, 기존 데이터에 대한 중요한 평가는 시기적절하고 임상적으로 관련성이 있습니다.

초록

요추 퇴행성 질환은 척추 수술의 가장 흔한 적응증 중 하나이며, 요추 간체 융합술(LIF)은 여전히 그 관리의 중심 기법입니다. 체간 융합 케이지의 성능은 주로 재료 조성과 구조 설계에 달려 있으며, 이는 분절 안정성과 뼈 융합의 품질에 영향을 미칩니다. 이 리뷰는 3차원 인쇄 다공성 티타늄(3D-pTi) 인터바디 케이지의 재료 특성, 생체역학적 이유, 생물학적 거동 및 임상 응용을 요약합니다. 적층 제조의 발전으로 기공 크기, 다공성, 격자 구조를 정밀하게 제어할 수 있어 3D-pTi 케이지의 탄성 모듈러스를 관슬성 뼈에 더 가깝게 조정할 수 있게 되었습니다. 이러한 최적화는 하중 전달을 개선하고, 응력 차폐를 줄이며, 골통합에 유리한 환경을 조성할 수 있습니다. 서로 연결된 다공성 구조와 거친 표면은 조골세포 부착, 골 성장, 초기 혈관 형성을 지원합니다. 전임상 연구들은 3D-pTi 케이지가 고체 티타늄 및 폴리에테르케톤(PEEK) 임플란트에 비해 더 높은 뼈-임플란트 접촉 및 골 부피 분율을 제공함을 지속적으로 입증합니다. 경공 요추체 간 유합술(TLIF), 측면 요추 체간 유합술(LLIF), 전방 요추 체간 유합술(ALIF)에 대한 초기 임상 결과는 3D-pTi 케이지가 높은 방사선 융합률을 달성하고, 추간골 높이를 유지하며, 단기 안전성 프로필을 허용할 수 있음을 시사합니다. 그러나 기존 연구들은 작은 표본 크기, 방법론적 이질성, 그리고 비교적 짧은 추적 관찰 기간으로 인해 제한을 받고 있습니다. 전반적으로 3D-pTi 케이지는 퇴행성 상태에서 LIF에 있어 생체역학적으로 적합하고 골전도성이 있는 유망한 선택지입니다. 그럼에도 불구하고 장기적인 임상적 이점, 비용 효율성, 최적의 적응증은 엄격하게 설계된 연구에서 추가 연구가 필요합니다.

서론

인구 고령화와 생활 습관 변화로 인해, 퇴행성 디스크 질환, 요추 척추관 협착증, 퇴행성 척추전위증과 같은 요추 퇴행성 질환이 척추 수술 실무에서 가장 흔히 접하는 질환 중 하나가 되었습니다 1,2,3. 방사선에서 명백한 분절 불안정성, 심각한 신경 압박, 보존적 치료 실패가 있는 환자에게는 요추 간체 융합술(LIF)이 척추 안정성 회복, 변형 교정, 신경 압박 완화를 위한 중요한 외과적 선택지로작용합니다. 일반적으로 사용되는 LIF 기법으로는 경공 요추 간체 유합술(TLIF), 후방 요추 간체 유합술(PLIF), 전방 요추 간체 유합술(ALIF), 그리고 측면 요추 간체 유합술(LLIF)5,6,7,8 등이 있습니다. 어떤 접근법이든, 신뢰할 수 있고 지속적인 신체 간 융합 성공은 임상 결과의 주요 결정 요인으로 남아 있습니다.

요추 융합 시술에서는 체간 케이지의 재료, 크기, 구조 설계, 배치 각도가 세그먼트 안정성, 종단판 응력 분포, 궁극적으로 융합 품질에 영향을 미칩니다 9,10,11,12,13. 초기 임상 진료는 체간 지지를 위해 자가형 장골능선 골이식편 또는 동종이식에 크게 의존했으며; 그러나 이러한 접근법은 기증 부위 이환율, 높은 합병증률, 제한된 구조적 강도, 그리고 상당한 이식편 붕괴 위험과 연관되어 있습니다. 이후 고체 티타늄 케이지의 채택은 높은 기계적 강도와 구조적 안정성을 제공하여 융합 절차 중 디스크 높이를 유지하는 데 도움을 주었습니다14. 그러나 고체 티타늄의 탄성 계수는 스트레스 차폐와 연관된 관절골보다 훨씬 높으며, 이는 특정 조건에서 종단판 침하에 기여할 수 있습니다15. 따라서 피질 뼈에 가까운 탄성 계수와 영상 상의 방사선 투과성을 가진 폴리에테르케톤(PEEK) 케이지는 널리 사용되고 있습니다. 그러나 PEEK는 일반적으로 생물학적으로 비활성 상태로 간주되며, 인간 중간엽 줄기세포의 골형성적 분화를 촉진하는 내재적 능력이 제한적입니다. 반면, 티타늄 합금은 시험관 내에서 세포 부착, 알칼리성 인산효소 활성, 칼슘 침착을 증진시키는 것으로 나타났습니다. 이러한 한계를 해결하기 위해 티타늄 코팅 PEEK 케이지, 확장 케이지, 그리고 적층 제조 또는 다공성 PEEK 임플란트와 같은 새로운 임플란트가 도입되어 뼈-임플란트 인터페이스 결합을 개선하면서 유리한 기계적 특성을 유지하는 것을 목표로 하고 있습니다. 기존 PEEK, 적층 제조된 PEEK, 3D 프린팅된 티타늄 케이지 간의 비교 증거는 계속 발전 중이며, 보편적으로 인정되는 '이상적인' 인터바디 케이지 소재는 아직 확립되지 않았습니다.

최근 몇 년간 3차원 프린팅 다공성 티타늄(3D 프린팅 다공성 티타늄, 3D-pTi) 케이지가 요추 융합 연구의 주요 초점으로 부상하고 있습니다. 예비 임상 연구에서는 전방 및 외측 요추 간 유합술 모두에서 긍정적인 방사선 유합 패턴과 허용 가능한 임상 결과를 보고했습니다17, 18, 19, 20. 그럼에도 불구하고, 기존 및 첨가 제조된 PEEK 케이지와의 비교 성능, 특히 침하 위험, 재수술률, 그리고 다양한 수술 기법 및 환자 하위 그룹에서의 결과 측면은 여전히 활발히 연구되고 있습니다. 기존 연구들은 표본 크기가 적고, 방법론적 이질성, 비교적 짧은 추적 관찰 기간에 의해 제한되는 경우가 많습니다. 최근 여러 체계적 문헌고찰과 메타분석에서 3D 프린팅 티타늄 케이지와 관련된 임상 결과를 요약했지만, 대부분은 주로 비교 방사선 또는 임상 평가 지표에 초점을 맞추었으며, 이러한 임플란트를 설계 기반 기술 진화의 산물보다는 대체 케이지 재료로 취급했습니다. 점점 더 많은 증거가 3D-pTi 케이지의 임상 성능이 격자 구조, 탄성 탄성 모듈러스 매칭, 생물학적 골통합 메커니즘, 환자별 구조 최적화 등의 요인에 의해 영향을 받을 수 있음을 시사하며, 이러한 요소들은 이전 증거 종합에서 충분히 통합되지 않은 요소들입니다.

따라서 3D-pTi 케이지의 기계적 및 생물학적 특성과 수술 기법 및 생물학적 증강 전략과의 상호작용에 대한 보다 포괄적인 이해가 요추 퇴행성 질환의 임상 의사결정을 더 잘 알리는 데 필요합니다. 이러한 바탕으로 본 내러티브 리뷰는 재료 개발, 생체역학 및 생물학적 메커니즘, 임상 증거, 그리고 환자별 임플란트 설계 및 데이터 기반 최적화 전략을 포함한 신흥 번역 관점을 통합하여 통합적으로 종합합니다. 공학의 진보와 임상적 고려사항을 연결함으로써, 본 리뷰는 이전에 발표된 결과 중심 리뷰를 넘어서는 균형 잡히고 임상적으로 적합한 틀을 제공하는 것을 목표로 합니다.

리뷰 및 관점

문헌 검색 전략
이 내러티브 리뷰는 관련 증거를 포괄적으로 포함하기 위해 구조화된 문헌 검색을 통해 수행되었습니다. PubMed, Web of Science, Embase, Scopus 등 전자 데이터베이스를 검색하여 2010년 1월부터 2025년 12월 사이에 발표된 연구를 찾았습니다. 검색 전략에는 "3D 프린팅된 티타늄 케이지", "다공성 티타늄", "요추 신체 융합", "척추 융합", "적층 제조", "골통합"과 같은 키워드가 조합되어 포함되어 있었습니다. 3D 프린팅된 다공성 티타늄 임플란트를 이용한 요추 체간 융합에 초점을 맞춘 원래 임상 연구, 생체역학 연구, 동물 실험, 관련 리뷰 논문들이 검토되었습니다. 척추 응용과 관련 없는 연구, 비영어 출판물, 전체 데이터가 없는 학회 초록, 중복 보고서는 제외하였다. 논문들은 3D 프린팅된 다공성 티타늄 케이지의 생체역학적 특성, 생물학적 성능, 임상 결과 및 번역적 관점과의 관련성을 기준으로 선정되었습니다.

3D-pTi 케이지의 설계와 특성

설계 개념과 제조 공정
3D-pTi 케이지의 구조적 유연성은 티타늄 자체에 내재된 것이 아니라 적층 제조(AM) 기술에 의해 가능해졌습니다. AM은 PEEK와 코발트-크롬 합금 등 다른 생체재료에도 적용되어 설계 단계에서 기하학적 맞춤화가 가능해졌습니다. 선택적 레이저 용융(SLM) 또는 전자빔 용융(EBM)과 같은 기법을 사용하여 거시적 케이지 형상과 미세 격자 구조 모두 컴퓨터 지원 설계 과정에서 사전 정의할 수 있습니다21,22. 출력 매개변수를 조정하고 위상수학 설계 알고리즘을 적용함으로써, 뼈 성장 채널을 보존하면서 구조 강도와 탄성 계수를 조절할 수 있습니다23,24. SLM과 EBM은 처리 특성이 다르지만, 척추 간체 응용에서 어느 기법이 명확히 선호되지는 않습니다. 3D 프린팅된 다공성 티타늄 인터바디 케이지의 기본 설계 원리는 그림 1에 설명되어 있습니다.

생체역학적 특성
생체역학적 관점에서 3D-pTi 케이지의 주요 설계 목표 중 하나는 전체 탄성 계수를 인간 관절골에 근사하여 뼈-임플란트 경계면에서의 응력 집중을 완화하는 것입니다23,25. 지지 지지대의 다공성을 높이고 방향 및 단면 형태를 최적화함으로써, 유효 탄성 계수를 크게 낮추면서도 적절한 압축 강도와 피로 성능을 유지할 수 있어, 척추 말판26 전반에 걸쳐 보다 균일한 하중 분포를 가능하게 합니다. 유한 요소 분석과 시험관 내 실험 연구는 잘 설계된 다공성 티타늄 구조가 고체 티타늄이나 기타 고강성 금속 케이지보다 국소 응력 농도를 완화하고 종단판 붕괴 위험을 줄이는 데 더 효과적임을 보여주었다27. 또한, 내부 다공성 네트워크는 뼈 내식과 '뼈-금속 복합재' 생물학적 내부 고정 구조의 형성을 위한 공간을 제공합니다. 새로 형성된 뼈가 점차 기공을 채우면서, 케이지-엔드플레이트 시스템 내의 하중 분담은 주로 임플란트 의존에서 '임플란트 + 새로운 뼈' 구조로 전환될 것으로 예상되며, 이는 장기적인 기계적 안정성을 향상시킬 수 있습니다28,29.

생물학적 특성과 골통합(osseointegration)
생물학적으로, 다공성 티타늄의 표면 거칠기와 미세구조는 골세포와 골수에서 유래한 중간엽 줄기세포의 부착, 이동, 골형성적 분화를 촉진할 수 있습니다 30,31,32. 다공성 네트워크는 세포가 지지대 표면을 따라 이동하고 증식하도록 유도하는 3차원 비계를 제공하며, 세포외 기질 침착과 광물화를 촉진하고, 케이지33의 내부와 외부를 연속적으로 횡단하는 척삭골을 유도할 수 있습니다. 시험관 내 세포 연구와 선정된 동물 모델에서는 다공성 티타늄 임플란트의 경우 매끄러운 표면 대조군에 비해 면면에서 뼈-임플란트 접촉 및 골부피 비율이 더 높다고 보고하여, 실험 조건에서 골통합이 향상되었음을 시사합니다34,35. 동시에 상호 연결된 구멍은 내피세포가 임플란트 내부로 침투할 수 있게 하여 미세혈관 네트워크 형성을 촉진하고, 새로 형성된 뼈의 영양과 대사를 지원합니다36,37. 일부 연구에서는 다공성 티타늄 표면에서 골형성에 유리한 사이토카인이 상향 조절되어 뼈 통합 증진의 가능성을 더욱 뒷받침한다고 보고했습니다38,39.

요추 간체 융합술에서의 현재 응용
제조 기술과 설계 개념의 발전으로 3D-pTi 체간 케이지는 TLIF, LLIF, ALIF 및 기타 요추 유합술(19, 40, 41)에서 점점 더 많이 채택되고 있습니다. 그러나 현재 이용 가능한 임상 증거는 주로 비교적 적은 표본 크기와 짧은 추적 관찰 기간을 가진 단일 센터 연구에서 도출되었습니다. 또한, 비교 재료와 수술 기법에는 상당한 이질성이 존재하며, 침하율, 재수술률, 분절 시상 정렬 개선에 관한 연구 결과는 여전히 일관되지 않습니다.

3D-pTi에 대한 생체역학적 및 생물학적 증거

생체역학 시뮬레이션 및 시험관 내 기계적 시험
유한 요소 분석과 시험관 내 역학적 시험에 따르면, 3D-pTi 케이지는 다공성과 격자 구조를 조정함으로써 유효 탄성 계수를 피질 또는 사질뼈에 가까운 범위로 낮추면서도 충분한 기계적 강도를 유지함으로써 응력 차폐를 완화할 수 있습니다42,43. Zhang 등은 적층적으로 제조된 다공성 요추 케이지를 분석한 결과, 기존 고체 설계와 비교해 다공성 구성이 종단판 응력과 케이지 응력을 모두 감소시키고 하중 분포를 개선한다고 보고했다44. Zou 등은 케이지 강성을 낮추면 다양한 하중 조건에서 최대 종단판 응력이 유의미하게 감소하여 침하 위험 감소로 이어질 수 있음을 추가로 입증했다45.

최근 유한요소 분석(FEA)에서 생체 모방 보로노이 격자를 포함한 다공성 티타늄 케이지와 전통적인 케이지 구조를 비교한 결과, 보로노이 설계는 세그먼트 운동 범위를 약 50%, 케이지/엔드플레이트 응력 40%에서 60% 정도 추가로 감소할 수 있음을 보여주며, 적절한 3차원 격자 구조가 "안정성"과 "응력 감소" 사이의 더 유리한 균형을 달성할 수 있음을 시사합니다46. 재료 관점에서 3D 프린팅된 다공성 Ti-6Al-4V 합금(Ti6Al4V)의 유효 탄성 계수는 피질뼈에 근접하며, 벌크 티타늄47보다 전방 척수의 생리적 하중 특성에 더 잘 부합합니다. 3D 프린팅 케이지에서 격자 지형과 다공성 설계의 상당한 변동성을 고려할 때, 정량적 생체역학적 결과는 특정 구조적 맥락 내에서 해석되어야 합니다. 따라서 문헌에서 보고된 대표적인 정량적 생체역학적 매개변수는 표 1에 요약되어 다양한 3D 프린팅 다공성 티타늄 케이지 26,48,49,50,51,52,53,54에서 구조 설계 특성과 기계적 성능을 비교할 수 있도록 합니다.

대형 동물 요추 융합 모델
성숙한 난소 요추 융합 모델에서 McGilvray 등은 L2–3과 L4–5에 전방 접근법으로 이식한 세 가지 케이지—PEEK, 플라즈마 분무기 티타늄, 3D-pTi—을 비교하고, 8주에서 16주에 추적관찰을 실시했습니다. 3D-pTi 그룹의 구절은 운동 범위가 현저히 감소했으며, 골 부피 분율과 뼈-임플란트 접촉 모두 PEEK 그룹보다 현저히 높았습니다. 다공성 구조 내에서 광범위한 새로운 뼈 및 혈관 성장이 관찰되었으나, PEEK 케이지는 주로 섬유 조직으로 둘러싸여 있었다49. 그러나 임플란트 표면 특성의 차이와 그룹 간 동일한 이식편 조건의 부재는 이러한 결과를 해석할 때 고려해야 합니다. 유사한 양 모델에서 Laratta 등은 "뼈 이식 없는 3D-pTi"와 "장골능 자가이식과 결합된 PEEK"을 직접 비교했으며, 3D-pTi가 4주와8주 55주에 우수한 골 부피 분율과 뼈 결합을 달성함을 발견했습니다. 이식편 보조와 초기 평가 시점의 비대칭성을 고려할 때, 이러한 결과를 오로지 케이지 구조에만 직접적으로 귀인하는 것은 신중할 필요가 있습니다.

측면 요추 융합 모델을 사용한 Walsh 등은 3D 프린팅된 티타늄 케이지가 안전성을 저해하지 않으면서도 안정적인 분절 강성과 신뢰할 수 있는 방사선 융합을 제공하여 LLIF56과 같은 절차에 적용할 수 있음을 보고했습니다. 특히 수술 접근법, 부하 조건, 평가 지표 정의의 차이가 연구 간 엄격한 교차 모델 비교를 제한합니다. 다공성 생체활성 티타늄에 대한 초기 개 및 난 연구에서도 약 300–600 μm 크기의 공과 크기가 좋은 상호 연결성이 좋은 것이 견고한 골 성장을 유도할 수 있음을 입증했습니다57. 이러한 발견은 적층 제조 자체보다는 기공 구조와 표면 특성이 생물학적 통합의 주요 결정 요인일 수 있음을 시사합니다. 종합적으로, 대형 동물 모델이 실험 조건에서 다공성 티타늄 구조물이 뼈-임플란트 상호작용을 향상시킬 가능성을 지지하지만, 동물 종, 수술 기법, 이식편 사용, 결과 평가 방법의 변동성으로 인해 임상 융합 성능으로의 직접적인 외삽은 제한됩니다.

세포 및 분자 증거
세포 및 분자 수준에서의 시험관 연구는 3D-pTi의 긍정적인 골통합의 생물학적 기초를 밝히는 데 도움을 주었습니다. 3D 프린팅된 다공성 Ti6Al4V는 거친 표면과 상호 연결된 3차원 기공 네트워크를 보입니다58. 매끄러운 티타늄이나 PEEK와 비교할 때, 이 물질은 골세포와 간엽 줄기세포의 부착, 확산 및 증식을 더 효과적으로 지원하고, 알칼리성 인산효소와 오스테오폰틴과 같은 골형성 지표를 상향 조절하여 칼슘 침착을 촉진하는 것으로 나타났습니다. 시험관 내 실험은 3D-pTi 스캐폴드에서 트라베큘라 골을 모방한 격자 설계를 가진, 세포가 격자 지지대를 따라 정렬되는 경향이 있으며, 뚜렷한 응력 섬유와 광화대를 가지며, 골형성 분화 수준이 PEEK 대조군에서 관찰된 것과 동등하거나 심지어 더 우수함을 보여줍니다60,61. 동물 실험 역시 다공성 티타늄이 높은 골부피 분율과 광범위한 직접적인 뼈-케이지 접촉을 달성할 수 있음을 보여줍니다37. 이 발견들을 종합해 보면, 다공성 티타늄은 기계적 적합성과 뼈 형성에 유리한 미세 환경을 결합하여 골 통합을 촉진하여 섬유 캡슐화를 줄이고 안정적인 골 통합을 촉진할 수 있음을 시사합니다.

3D 프린팅된 다공성 티타늄 케이지의 이질성 설계
종종 단일 임플란트 범주로 논의되지만, 3D 프린팅된 다공성 티타늄 케이지는 구조 설계 매개변수에서 상당한 이질성을 보입니다. 다공성 분포, 격자 위상, 기공 크기, 표면 변형 전략, 적층 제조 기술에 차이가 존재합니다. 이러한 설계 차이는 탄성 계수, 하중 전달 거동, 골 성장 가능성, 임플란트-엔드플레이트 상호작용에 직접적인 영향을 미칩니다. 예를 들어, 균일 격자 구조는 주로 전역적 모듈러스 감소를 목표로 하는 반면, 구배 또는 생체 모방 구조는 응력 분포와 생물학적 통합을 더욱 최적화할 수 있습니다. 마찬가지로, 표면 미세 또는 나노 텍스처링은 벌크 다공성 특성과 독립적으로 세포 부착과 골통합을 향상시키는 것으로 나타났습니다. 따라서 연구 전반에 보고된 생체역학 및 임상 결과는 모든 3D 프린팅 다공성 티타늄 임플란트에 일관된 이점을 부여하기보다는 특정 케이지 설계 매개변수의 맥락에서 해석되어야 합니다.

3D-pTi 케이지의 임상 성능 및 적용
3D 프린팅된 다공성 티타늄 케이지의 안전성과 효과를 다양한 요추 융합 기법에서 평가한 대표적인 임상 연구들은 표 2에 요약되어 있습니다. 방사선 유합 결과의 맥락적 해석을 용이하게 하기 위해, 각 연구에서 사용된 이식편 재료도 융합 생물학에 미칠 잠재적 영향을 고려하여 보고하였으며, 이는62, 63, 64, 65, 66.

적응증 및 수술 시나리오
3D-pTi 케이지는 여러 요추 신체 융합 기법에 적용되어 왔으나, 임상 적용은 특정 시나리오에서 더 자주 보고되었습니다. 첫째, 견고한 전방 기둥 지지와 넓은 종단판 접촉 면적이 필요한 LLIF 및 ALIF 시술에서 흔히 사용됩니다. 둘째, 이전에 유합 실패나 골질이 좋지 않은 환자에서 재수술에 자주 선정되며, 이는 골 성장을 촉진하고 유합 성공 가능성을 높이는 것을 목표로 합니다. 셋째, 다단계 퇴행성 질환에 적용되어 왔으며, 외과의는 변형 교정과 유합 품질 간의 균형을 유지하면서 추추간 높이 감소 위험을 줄이려 합니다.

융합률 및 방사선 결과
여러 비교 연구와 체계적 문헌고찰은 3D-pTi 케이지가 요추 융합률과 방사선 융합 특성 측면에서 PEEK 또는 기존 고체 티타늄 케이지에 비해 이점을 제공할 수 있음을 시사합니다. Patel 등은 시험관, 동물, 인간 데이터를 포함한 7건의 비교 연구를 체계적으로 검토했으며, 여기에는 299명의 인간 피험자가 포함되었습니다. 이 중 6개 연구는 유합 또는 뼈-임플란트 결합 품질과 침하 관련 결과 측면에서 PEEK보다 3D-pTi를 선호했으며, 수정률 증가는 명확하지 않았다67. 이러한 경향은 여러 전향적 임상 연구에서도 관찰되었습니다.

단일맹검 무작위 대조 시험에서 연구진은 3D 프린팅된 마이크로나노 텍스처 다공성 티타늄 케이지(3DPPT)와 PEEK 케이지를 1단계에서 2단계 TLIF에서 비교했습니다. 3DPPT 그룹은 6개월 만에 더 높은 초기 융합 성공률을 보였으며, 이는 융합 속도와 질 모두를 가속화하는 데 잠재적 이점을 시사합니다 18,68.

전방 및 측면 접근법에 대해, 단일 센터 후향적 코호트 연구에서는 ALIF/LLIF 시술에서 3D-pTi 케이지를 사용했을 때 보조 재조합 인간 골 형태발생 단백질–2(rhBMP-2) 없이 1년 CT 추적 관찰에서 거의 100% 분절 융합을 달성했다고 보고되었습니다17. 또 다른 LLIF 연구에서는 다공성 3D 프린팅 티타늄 케이지가 전통적인 나사산 티타늄 케이지에 비해 전방 체간 뼈 다리 비율이 더 높고 관절 운동 제한이 더 심하다는 사실을 발견했습니다69. 전향적 비교 연구에서 Deng 등은 3D 프린팅된 티타늄 케이지가 PEEK보다 뼈-임플란트 인터페이스 접촉이 더 크고, 융합 부위 내 골밀도가 높으며, 더 유리한 침하 등급을 보였으나, 통증 점수와 기능적 결과의 차이는 통계적으로 유의하지 않았다고 보고했습니다68. 여러 연구에서 긍정적인 방사선 유합 결과를 보고했으나, 연구 설계의 한계, 이식편 사용 변동성, 영상 평가 기준의 차이를 고려하여 신중하게 해석해야 합니다. 전반적으로 현재의 근거 기반은 여전히 이질적이며, 주로 비교적 소규모의 비무작위 코호트에서 도출되었습니다.

융합 평가에서의 방법론적 고려사항
전임상 및 임상 연구 간 융합 결과를 직접 비교하는 것은 상당한 방법론적 이질성 때문에 신중하게 해석되어야 합니다. 이식편 재료, 케이지 크기, 수술 기법 및 연구 평가변수의 차이는 보고된 결과에 큰 영향을 미치며, 유합 결과가 케이지 설계에만 기인하는 데 복잡함을 줄 수 있습니다10,70. 특히, 자가이식편, 동종이식편, 탈미탈화 골 기질(DBM), 골 형태발생 단백질(BMPs) 등의 생물학적 보강 전략은 융합 속도를 독립적으로 향상시킬 수 있어 임플란트 성능 평가 시 중요한 교란 요인이 될 수 있습니다71.

또한, 융합의 방사선 평가는 기술적으로 여전히 도전적입니다. 티타늄 임플란트와 관련된 금속 유물은 케이지 내 뼈 형성의 시각화를 흐리게 하여 융합 가능성을 과소평가할 수 있습니다. 반대로, 광물화된 이식편 재료나 잔류 골 대체물은 영상에서 새로 형성된 뼈와 구분하기 어려워 융합률을 과대평가할 수 있습니다. 향후 연구에서는 표준화된 영상 프로토콜과 전임상 모델에서의 조직학적 또는 생체역학 평가와 같은 보완 평가 방법의 도움이 필요하며, 이를 통해 융합 평가의 신뢰성과 해석 가능성을 높일 수 있습니다.

지반 침하 및 안전 결과
척추 끝판 붕괴는 요추 유합술72의 장기적 성공에 영향을 미치는 주요 합병증 중 하나입니다. 측면 접근법에 관해, 2024년 LLIF에 대한 체계적 문헌고찰 및 메타분석(3개 연구와 265명, 총 441개 분절)에서 3D-pTi 그룹의 전체 침강률이 PEEK 그룹보다 유의하게 낮았으며(오즈비 [OR] ≈ 0.25), 중증 침하 현저한 감소(OR ≈ 0.17)69가 보고되었습니다. 3D-pTi 케이지를 사용한 초기 단일 팔 LLIF 시리즈에서는 구간 침하율이 약 8%였으며, 약 1.8%만이 심각한 붕괴로 재수술이 필요했는데, 이는 고체 티타늄 또는 PEEK케이지에서 이전에 보고된 비율보다 더 유리한 것으로 보입니다.

TLIF 환경에서 여러 코호트 및 데이터베이스 연구는 3D-pTi 케이지가 가성동맥증74와 관련된 재수술 위험을 줄일 수 있음을 시사합니다. Levy 등은 3D-pTi 케이지로 시행된 TLIF에서 비다공성 PEEK 케이지에 비해 가성동맥증 관련 재수술률이 낮아지는 경향을 보고했으나, 절대 차이는 작아 장기 추적 관찰로 확인이 필요하다41. 미국 대규모 행정 데이터베이스에서 PEEK과 3D 프린팅 티타늄 케이지를 요추 및 요천추 유합에서 비교한 실제 데이터는 두 그룹 모두 3개월 및 12개월 내 재수술 및 재수술율이 낮았으며(약 1%–2%), 그룹 간 유의미한 차이가 없음을 보여주었다41.

현재까지 3D-pTi 케이지가 새로운 재료 특이적 심각한 합병증과 연관된다는 설득력 있는 증거는 없습니다. 방사선 아티팩트는 여전히 고려 대상이지만, 다공성 구조는 전통적인 견고한 금속 케이지에 비해 영상 가림을 부분적으로 완화할 수 있습니다. 그러나 마모 입자, 금속 이온 방출, 인접 세그먼트 퇴화에 관한 고품질 장기 데이터는 제한적이며 향후 연구의 초점이 되어야 합니다.

환자별 임플란트와 현재 근거의 한계
"기성품" 표준 크기 케이지 외에도, 적층 제조는 요추 간체 융합에서 환자별 임플란트(PSI) 연구를 가능하게 했습니다. 환자 특이적 3D 프린팅 티타늄 케이지를 사용한 다기관 전향적 임상시험에서 추적 관찰 결과 통증과 오스웨스트리 장애 지수(ODI) 점수가 유의미하게 개선되었고, 만족스러운 융합률18.75가 나타났습니다. 이러한 접근법을 기존 융합 기법과 비교한 체계적 문헌고찰에서는 환자 맞춤형 3D 프린팅 티타늄 케이지가 증상 완화와 건강 관련 삶의 질 측면에서 표준 임플란트보다 적어도 열등하지 않음을 시사했습니다76,77.

그러나 대부분의 연구는 단일 암 전향 설계를 사용했으며, 표준 3D-pTi 또는 PEEK 케이지와의 직접적인 무작위 비교가 부족해 개별 설계에 기인한 점진적 이점을 분리하기 어렵습니다. 주로 퇴행성 요추 병리를 가진 환자에서는 3D-pTi 케이지가 향상된 방사선 융합 특성을 제공하고, 추간골 높이 감소나 가성관절증 관련 재수술의 위험을 줄일 수 있으나, 합병증이나 비용 증가에 대한 명확한 증거가 없습니다. 그럼에도 불구하고, 장기 임상 결과 및 비용 효율성에 대한 잠재적 이점은 장기 추적 관찰이 적용된 대규모 무작위 대조 시험에서 아직 확인되지 않았습니다. 최근 발표된 증거종합 78, 79, 80, 81과 비교하여 본 리뷰의 개념적 위치와 새로움을 명확히 하기 위해, 대표성 리뷰 비교는 표 3에 요약되어 있다.

한계와 향후 연구 방향
증거 질 및 일반화 가능성의 한계
전임상 및 초기 임상 연구에서 보고된 고무적인 결과에도 불구하고, 3D-pTi 체간 케이지를 지지하는 전반적인 증거 수준은 여전히 제한적입니다. 대부분의 임상 연구는 단일 기관, 후향적 또는 소표본 전향적 코호트로 구성되며, 추적 관찰 기간은 보통 6개월에서 24개월 사이입니다; 소수만이 전향적 임상시험이나 체계적 문헌고찰로 구성된다65. 또한, 수술 접근법(TLIF/LLIF/ALIF), 융합 부위 수, 척추전방전위증 또는 변형 유무, 자가이식 또는 골 형태발생 단백질 사용, 케이지의 구체적 구조 매개변수 등에 대해 연구별로 상당한 이질성이 존재합니다.

평가 지표도 일관성이 없는데, 일부 연구에서는 CT 기반 브랜티건-스테피 융합 등급 또는 체간골 브리징을 주요 결과로 사용하는 반면, 다른 연구는 침하 등급 평가나 재수술률을 강조합니다. 심지어 '침하'의 정의와 등급 기준도 균일하지 않습니다. 따라서 현재 이용 가능한 데이터는 견고한 인과 추론보다는 신호 수준 추세를 식별하는 데 더 적합합니다. 영상 관점에서 티타늄 임플란트와 관련된 금속 유물은 척추 방사선학에서 잘 알려져 있으며, CT 영상56에서 골 형성의 정확한 평가에 방해가 될 수 있습니다. 빔 경화와 산란 효과는 특히 다공성 구조 내에서 뼈-임플란트 인터페이스를 가릴 수 있습니다. 대형 동물 모델에서는 다공성 티타늄 구조물이 영상상으로 방사성 밀도가 높아 새로 형성된 뼈와 이식 격자를 구분하기 어렵게 만듭니다. 반대로, 잔류 이식 물질이나 광화화된 뼈 대체물도 진정한 골 다리와 구분하기 어려울 수 있습니다.

이러한 영상 관련 요인들은 방사선 유합 평가에 불확실성을 초래하며, 실제 유합 상태를 과소평가하거나 과대평가할 수 있습니다. 이러한 고려사항들은 3D-pTi 케이지의 방사선 촬영 이점이 보고된 내용을 영상 한계와 연구 설계의 변동성을 고려하여 신중하게 해석되어야 함을 시사합니다.

통일된 '최적' 재료 및 구조 설계의 부재
재료 및 구조공학 관점에서 3D-pTi의 주요 장점은 다공성, 기공 크기, 격자 토폴로지를 조정하여 "맞춤형 탄성 계수" 및 골 성장 채널을 달성할 수 있다는 점에 있습니다. 그러나 현재 요추 말판의 하중 환경과 뼈 품질에 가장 적합한 다공성 범위(예: 50%–80%), 기공 크기(예: 300–600 μm), 격자 유형(예: 보로노이, 옥텟 트러스)에 대해서는 합의가 없습니다. 중요한 점은, 단일 '최적' 비계 설계가 존재하는지, 아니면 여러 구조 구성이 서로 다른 임상 조건에서 충분한 기계적 안정성과 생물학적 통합을 달성할 수 있는지에 대해서는 아직 불확실하다는 점입니다. 최근 기계적 시험에 따르면, 약 70%의 다공성과 해부학적으로 적합한 외부 형태를 가진 최적화된 3D-Ti 케이지가 침하 저항성을 크게 향상시킬 수 있습니다. 그러나 이러한 발견은 보편적으로 일반화되기보다는 모델별 특성으로 해석되어야 합니다.

동시에, 더 다공성 구조가 뼈 성장 가능성을 높이는 한편, 피로, 강도, 장기적인 내구성에 대한 우려도 제기합니다. 지나치게 높은 다공성은 피로 저항성을 저해하고 미세 균열 형성과 구조적 파손 위험을 높일 수 있으며, 너무 낮은 다공성은 뼈 성장과 하중 분담에 불리할 수 있습니다. 기존 연구의 대부분은 건강한 동물 모델이나 비교적 보존된 골 질을 가진 환자에서 수행되었습니다. 골다공증, 대사 골질환, 장기 글루코코르티코이드 사용 고령자에 대해 3D-Ti 설계를 환자별로 조정해야 하는지 여부를 판단할 체계적인 데이터가 부족합니다. 향후 연구는 보편적으로 최적의 스캐폴드 구조를 규명하기보다는 특정 생체역학적 및 생물학적 맥락에 맞는 '적절한 설계 범위'를 정의하는 데 집중하는 것이 도움이 될 수 있습니다.

경제적, 규제적, 실행적 도전 과제
척추 임플란트의 적층 제조는 일반적으로 기존의 표준화된 장치에 비해 더 높은 생산 비용과 더 높은 기술적 복잡성을 동반합니다. 환자별 3D 프린팅 임플란트는 또한 규제 승인 경로, 품질 관리 요건, 시장 후 감시 책임과 관련된 추가적인 고려사항을 제공합니다. 현재 요추 융합술에서 3D-pTi 케이지의 비용–효과성 또는 비용–효용을 구체적으로 평가한 공식 건강 경제 평가는 제한적입니다. 실제 데이터는 단기 입원 비용과 수술 전 자원 활용이 기존 임플란트와 대체로 유사함을 시사합니다; 하지만 견고한 장기 경제 분석은 여전히 부족하다. 더욱이, 3D 프린팅 척추 임플란트에 대한 보상 정책과 지침 권고는 아직 의료 시스템 전반에 걸쳐 표준화되지 않았습니다. 이러한 요인들을 종합하면, 더 넓은 임상 도입을 완전히 평가하기 전에 보다 명확한 경제 평가와 규제 체계가 필요함을 강조합니다.

향후 연구 및 임상 번역의 우선 분야
전임상 및 초기 임상 연구들은 3D 프린팅 다공성 티타늄 케이지의 잠재적 이점을 시사하지만, 현재의 근거는 여전히 이질적이며 장기 추적 관찰 측면에서 제한적입니다. 향후 연구에서는 구조 설계 매개변수와 결과 정의에 대한 보다 표준화된 보고가 필요하여 연구 간 비교 가능성을 높일 수 있습니다. 또한, 내구성, 침하 행동 및 기능적 결과를 명확히 하기 위해서는 장기 임상 데이터와 적절히 설계된 비교 연구가 필요합니다. 환자별 임플란트 설계 전략과 데이터 기반 모델링 접근법을 포함한 신기술은 아직 탐색 단계에 머물러 있으며, 일상적인 임상 통합을 고려하기 전에 추가 검증이 필요합니다.

결론

3D 프린팅된 다공성 티타늄 인터바디 케이지는 요추 유합 수술 분야의 최근 기술 발전으로, 전임상 및 초기 임상 연구에서 연구되어 왔습니다. 이용 가능한 증거는 이들의 격자 구조가 특정 조건에서 기계적 적합성과 뼈-임플란트 상호작용을 촉진할 수 있음을 시사합니다. 그러나 기존 티타늄, 기존 PEEK, 그리고 첨가 제조된 PEEK 케이지와의 비교 데이터는 여전히 제한적이고 이질적이어서 상대적 임상 성능에 대한 확실한 결론을 내리지 못하고 있습니다. 장기 내구성, 비용 효율성, 표준화된 결과 평가는 추가 조사가 필요합니다. 현재 3D-pTi 케이지는 여러 가지 사용 가능한 신체 간 임플란트 기술 중 하나의 옵션으로 간주되어야 하며, 그 정확한 임상 역할은 향후 고품질 비교 연구를 통해 명확히 밝혀질 예정입니다.

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그림 1: 3D 프린팅된 다공성 티타늄 인터바디 케이지의 설계 원리. 제어된 다공성과 격자 구조는 탄성 계수를 관절골에 맞게 조정할 수 있게 하여 생리학적 하중 전달을 촉진하고 응력 차단을 줄일 수 있습니다. 상호 연결된 다공성 네트워크는 골 성장과 혈관 형성을 지원하여 골통합과 장기적인 임플란트 안정성 향상에 기여하고, 케이지 침하 위험을 낮출 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보시려면 여기를 클릭해 주세요.

제목연구연도연구 유형모델주요 연구 결과
가이어 외 (48)2016생체역학 동물 연구돼지 모델다공성 티타늄 비계 vs PEEK vs 동종 이식다공성 티타늄 스캐폴드는 뼈-임플란트 인터페이스가 유의미하게 강해지고 골통합도 더 우수했습니다.
맥길브레이 외 (49)2018비교동물 연구양 요추 융합 모델 (양)피크 케이지; 플라즈마 분사 다공성 티타늄 코팅 PEEK(PSP); 3D 프린팅된 다공성 티타늄 합금 케이지(PTA)3D 프린팅된 다공성 티타늄 합금 케이지는 PEEK 및 PSP 케이지에 비해 유의미하게 더 큰 골 성장, 운동 범위 감소, 구조 강성 증가를 보여 우수한 골통합 및 융합 가능성을 나타냈습니다.
Carpenter 외 (50)2018유한 요소 해석마이크로 CT 임플란트 형상학을 기반으로 한 계산 FE 모델다공성 PEEK와 다공성 3D 프린팅 티타늄(Ti) 임플란트 구조 비교다공성 PEEK는 다공성 티타늄에 비해 내성 뼈와의 하중 분담을 현저히 증가시켰으며(예: 압축 4주간 하중 전달 시 ~66% 대 ~13%) 인접 뼈에 생리적 변형을 증가시켜 뼈 유지와 골통합에 더 유리한 기계적 환경을 시사합니다.
Zhang 외 (51)2020통제 동물 실험붉은털원숭이 요추 간 융합 모델(OLIF)3D 프린팅된 다공성 Ti6Al4V 케이지; 심바스타틴/폴록사머 407 하이드로젤로 채운 케이지 vs 하이드로젤만 사용하는 케이지 vs 빈 케이지다공성 티타늄 케이지에서 심바스타틴 가재 하이드로겔은 골 성장, 골세포 활동(PET/CT SUV), 골부피 분율 및 가동 범위 감소를 유의미하게 증가시켜 척추 융합 및 기계적 안정성 향상을 나타냈습니다.
Yee-Yanagishit 외 (52)2022시험관 내 생체역학적 시험척추 종단판을 시뮬레이션하는 폴리우레탄 폼 블록 모델다공성 티타늄 케이지(바디 격자 + 미세다공성 종단판); 다공성 피크 케이지; 트러스 티타늄 케이지다공성 티타늄 케이지는 다공성 PEEK와 트러스 티타늄 케이지에 비해 가장 높은 블록 강성과 가장 낮은 동적 침하 변위를 보이며 침하 방지에 있어 케이지 설계가 단순한 재료보다 더 큰 역할을 함을 보여줍니다.
Fogel 외 (26)2022비교 전임상 연구 (시험관 내 기계적 시험 + 생체 내 동물 연구)폴리우레탄 폼 블록 침하 모델(ASTM F2267) 및 양 요추 간 융합 모델스트레스 최적화된 바디 격자와 미세다공성 엔드플레이트(Modulus XLIF)를 갖춘 3D 프린팅 다공성 Ti-6Al-4V 케이지다공성 티타늄 케이지 설계는 임플란트 강성을 낮추고, 높은 침하 저항성(블록 강성≈1976.8 N/mm)을 보였으며, 12주에 87.5%, 26주에 100%의 유합률로 양소 모델에서 뼈 성장과 융합이 점진적으로 이루어졌습니다.
Xu 외 (53)2022in vitro + in vivo 동물 실험MC3T3-E1 골세포 배양 및 토끼 대퇴골 결손 모델속이 빈 육각형 프리즘과 속이 빈 삼각기둥 기공 구조를 가진 다공성 Ti6Al4V 스캐폴드 3D 프린팅육각형 프리즘 다공성 티타늄 비계는 삼각기구 구조에 비해 세포 부착력이 더 높고, ALP 활성이 높으며, 더 나은 뼈 통합 및 새로운 뼈 형성을 보였습니다.
존슨 외 (54)2023생체역학, μCT, 조직형태계측 분석을 포함한 전임상 동물 연구양 요추 간 융합 모델 (양 6마리; L2–L3 및 L4–L5)적층 제조된 다공성 Ti6Al4V 격자 케이지: 바디 격자 대 바디 + 표면 격자 설계두 가지 3D 프린팅 다공성 티타늄 케이지 설계는 긍정적인 융합 결과를 달성했으며; 바디 격자 케이지는 표면 격자 케이지보다 뼈 접촉 빈도가 유의하게 높았으며, 전반적으로 PEEK 케이지보다 융합 성능이 우수했습니다.

표 1: 요추 간체 융합에 사용되는 3D 프린팅 다공성 티타늄 케이지에 대한 대표적인 생체역학 및 생물학적 연구 요약. 이 표는 요추 융합 연구에 사용되는 다공성 또는 3D 프린팅된 티타늄 인터바디 케이지의 생체역학적·생물학적 성능을 조사한 대표적인 실험 연구들을 요약한 것입니다. 포함된 연구들은 유한 요소 분석, 시험관 내 기계적 테스트, 세포 실험, 전임상 동물 융합 모델을 포함합니다. 보고된 결과로는 임플란트 강성, 침하 저항성, 뼈-임플란트 접촉, 골 성장, 융합 관련 생체역학적 안정성 등이 있습니다. 이 연구들은 다공성 티타늄 구조가 하중 분포 최적화, 응력 차폐 감소, 골통합(osseointegration) 촉진에 있어 잠재적 이점을 뒷받침하는 메커니즘적 증거를 제공합니다. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.

연구연도접근 방식연구 설계표본 크기후속 작업방사선 결과비교기
아들 아미니 D. 외 (62)2021LLIF회고적 비교113명의 환자 (186개 층)6–12개월심한 침하: 3.0% (Ti) 대 18.5% (PEEK)3D 프린팅 Ti와 PEEK
코르소 KA.  외 (63)2022ALIF / PLIF회고적 기술적 코호트그룹당 93명의 환자6개월수정: 0% (Ti) 대 0.5% (PEEK)3D 프린팅 Ti와 PEEK
앨런 N.  외 (64)2023LLIF성향 매칭을 가진 회고적 코호트97 대 97 레벨12개월지반 침하: 27% 대 8%pTi 대 PEEK
세기 N.  외 (65)2023XLIF후향적 비교 연구32명의 환자3개월VEC: 8% 대 45%3D 프린팅 Ti와 PEEK
도널드슨 C.  외 (66)2024ALIF / LLIF회고적 코호트50명의 환자 (66개 단계)12개월지반 침하 3.03%없음 (싱글 암)

표 2: 요추 간체 융합에서 3D 프린팅된 다공성 티타늄 케이지의 안전성과 효과를 평가한 주요 임상 연구. 이 표는 측면 요추 간 유합술(LLIF), 전방 요추 체간 유합술(ALIF), 후방 요추 체간 유합술(PLIF), 극한 측면 측근 체간 유합술(XLIF) 등 요추 간 유합술에서 다공성 또는 3D 프린팅 티타늄 체간 케이지와 관련된 방사선 및 임상 결과를 조사한 대표적인 임상 연구들을 요약한 것입니다. 표는 연구 설계, 표본 크기, 추적 관찰 기간, 그리고 케이지 침하, 척추 종판 낭종 형성, 수정률과 같은 주요 방사선 결과를 보고합니다. 비교 연구(다공성 티타늄 케이지 대 PEEK 케이지)와 단팔 임상 시리즈를 포함하여 임플란트 안정성과 단기 안전성에 관한 현재 임상 증거를 개괄합니다. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.

아니저자연도리뷰 유형검토의 초점생체역학임상 결과설계 / 제조개념적 틀
1단이(78)2024체계적 문헌고찰 및 메타분석3D 프린팅된 Ti와 PEEK 케이지의 임상 비교아니네제한아니
2파이로즈보리분 S (79)2024네트워크 메타분석다양한 케이지 재료에 따른 융합 결과아니네제한아니
3리 JJ (80)2025서술 리뷰티타늄 케이지와 3D 프린팅 기술의 역사적 진화제한제한네아니
4이 리뷰/내러티브 통합 검토3D 프린팅된 다공성 티타늄 케이지의 설계 원리, 생체역학적 성능, 오세오통합, 임상 결과의 메커니즘적 종합네네네네

표 3: 3D 프린팅된 티타늄 인터바디 케이지에 대한 최근 리뷰와 이번 리뷰의 범위 비교. 이 표는 3D 프린팅된 티타늄 인터바디 케이지에 대한 대표적인 최근 리뷰와 현재 리뷰를 리뷰 유형, 주요 연구 초점, 주제별 범위 측면에서 비교한 것입니다. 평가된 주요 측면에는 리뷰가 생체역학적 메커니즘, 임상 결과, 임플란트 설계, 적층 제조 원리를 다루었는지, 그리고 공학과 임상 관점을 통합한 광범위한 개념적 틀이 포함된다. 이 비교는 본 리뷰의 확장된 범위를 강조하며, 생체역학적, 생물학적, 설계적 증거, 임상 증거를 통합하여 보다 포괄적인 개념적 종합을 제공합니다. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭해 주세요.

공개 사항

모든 저자는 이 연구의 설계, 분석 또는 출판과 관련된 이해 상충이 없음을 선언합니다. 이 원고에는 재정적 관계, 자문 역할, 특허 출원 또는 기타 상충 이해관계가 어떠한 관계도 없습니다. 개념화: 펭쑨과 카이수; 문헌 리뷰: 카이 수; 각본—원고: 카이 수; 글쓰기—리뷰 및 편집: 펭쑨; 감독: 펑선.

감사의 글

저자들은 문헌 검색, 데이터 조직, 학술 논의에 도움을 준 동료들에게 진심으로 감사의 뜻을 전합니다. 또한 이 연구가 원활하게 완료될 수 있도록 지원적인 연구 환경과 행정 지원을 제공해 준 기관에 감사드립니다. 원고의 언어 편집과 다듬기 작업에는 생성형 인공지능이 사용되었습니다. 저자들은 작품의 내용과 해석에 대해 전적인 책임을 집니다.

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