| 초록 |
□ 연구개요 - 다차원 격자구조체란 μm에서 cm 사이의 계층적 기하구조를 통하여 재료 본연의 무게 대비 기계적 특성 한계를 극복할 수 있는 혁신적인 구조로서, 부품 단위의 무게 배분에 중점을 둔 기존의 위상 최적화보다 높은 설계 자유도를 가짐 - 최근 격자구조를 의료용 임플란트에 적용하여 인체 친화성을 높이려는 연구가 진행되고 있으나, 격자구조의 한정성, 격자 단순반복으로 인한 낮은 에너지 흡수율, 정밀한 기능제어의 어려움 등의 한계가 대두됨 - 본 연구는 신뢰성을 확보한 해석모델을 바탕으로 목표 물성을 갖는 결정 구조 모사 격자구조체의 체계적인 설계 기법을 개발하고, 이를 통하여 금속 임플란트의 인체 친화성 극대화를 위한 다차원 격자구조체의 설계안을 도출하고자 함 □ 연구 목표대비 연구결과 - 본 연구는 적층제조 특화설계 (Design for Additive Manufacturing: DfAM)를 위한 결정구조 모사 다차원 격자구조 형상의 체계적인 설계 기술을 개발하였음 - 임의의 공간을 결정구조 형태로 분할하여 결정의 내부에 면 기반 유닛셀을 배열한 새로운 다차원 격자구조를 제안하였으며, 이의 기계적 특성 파악을 위하여 유한요소해석법을 통한 해석모델을 개발함. 해석모델의 다양한 설계변수 변화에 따른 기계적 특성 변화를 정량적으로 분석하고, 이를 데이터베이스화하여 데이터 기반 설계의 기반을 구축함 - 데이터베이스를 기반으로 다차원 격자구조의 기계적 특성과 설계 변수 간 비선형·불연속 관계를 머신러닝 기반 회귀모델을 활용하여 유추해내었음. 목표 기계적 특성을 갖는 다차원 격자구조의 설계안을 도출하기 위하여 머신러닝 기반 최적화 알고리즘인 PSO 알고리즘을 개발하였고, 이를 다목적 함수에 활용 가능하도록 고도화한 MOPSO 알고리즘을 개발하였음 - 개발된 머신러닝 기반 회귀모델과 MOPSO 알고리즘을 통하여 뼈 유사 물성(종방향 탄성계수: 20±5GPa, 횡방향 탄성계수: 10±4GPa, 강도: 150±50MPa, 공극률: 50-90%, 기공크기 900μm 이상)의 다차원 격자구조의 설계안을 도출해내었고, 이는 금속 임플란트의 설계안에 포함되어 인체 삽입형 임플란트의 인체 친화성을 높이는데 활용될 수 있음 □ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성) - 금속 소재를 활용한 정형외과용 임플란트는 높은 강도 및 내구성으로 폭넓은 활용성을 가지나, 뼈에 비하여 높은 탄성계수로 인하여 식립 후 주변 골밀도 저하를 야기하고, 이는 재수술의 주요 원인 중 하나로 알려져있음 - 본 연구로 개발된 결정구조 모사 격자구조체와 머신러닝 기반 최적화 기법은 다차원 격자구조를 활용하여 폭넓은 기계적 특성을 가지며, 최적화 기법을 통하여 목표 물성을 갖는 다차원 격자구조의 설계안 도출을 가능케 한 원천기술임. - 본 기술을 통하여 설계 구조체의 뼈 유사 물성 확보가 가능하고, 이를 스템 부품을 포함한 환자 맞춤형 인체 친화성 극대화 임플란트 제작에 활용할 수 있음 - 국내 정형외과용 임플란트 시장은 다국적 기업이 총 시작 점유율의 90% 이상을 차지하고 있는 실정이므로, 기존의 높은 기술력을 가진 해외 기업을 공략하기 위해서는 본 연구와 같은 환자 맞춤형 설계 기술이 필요할 것이라 판단됨 (출처 : 연구결과 요약문 2p) |
