의료 분야에서 금속 사출 성형(MIM)의 적용

금속 사출 성형(MIM)은 1972년 미국 캘리포니아주 페탈루마의 한 소규모 기업에 의해 개발되었습니다. 1980년대 초 의료 산업에서 처음 사용되어 일부 치열 교정 장치를 생산했습니다. MIM 방식은 비용이 저렴하고 설계 유연성이 뛰어납니다. 가공이나 정밀 주조보다 우수한 소형·복잡 부품을 생산할 수 있습니다. MIM 치과 및 정형외과 부품은 생체 적합성과 내식성도 우수합니다. 1990년 이전에 미국에는 최소 4개의 MIM 생산 기업이 있었습니다.

1990년대 초에는 인체 손상을 최소화한 다양한 신형 수술 기기에 대한 수요가 크게 증가했습니다. MIM 산업은 새로운 시장을 목표로 삼아 많은 부품을 MIM 공정으로 전환하거나 MIM 부품으로 설계하는 데 성공했습니다. 또한 복강경에 장착되어 생체 검체를 채취하거나 절단 및 봉합하는 데 사용되는 다수의 생검용 겸자를 생산했습니다. Advanced Molding Technology가 생산한 내시경 수술용 스테이플러의 MIM 부품은 1997년 우수 성형상을 수상했습니다. Flomet이 생산한 복강경 수술용 전단 중심부의 기어는 1998년에 모든 상을 휩쓸었습니다. 더 작고 복잡한 의료 기기에 대한 수요는 계속 증가하고 있습니다. 지난 4년 동안 금속 사출 성형 협회는 의료 산업을 MIM 시장의 3대 성장 분야 중 하나로 선정했습니다. 이러한 성장의 대부분은 복강경 기기, 심박 조율기, 밸브 및 심장 수술에 사용되는 다양한 부품에서 비롯됩니다. 체외 순환 심장 수술에도 MIM 부품이 필요합니다. 안과 수술 기기와 기타 특수 기기용 부품도 개발되고 있습니다. 또한 많은 신형 기기가 MIM 부품을 사용하도록 설계되고 있습니다. 따라서 MIM의 적용은 미국에서 널리 확대되고 전 세계로 확산될 것입니다.

새로운 소재는 향후 의료 산업에서 MIM의 성장에 중요한 역할을 할 수 있습니다. 소형·복잡 부품의 주요 의료 시장 중 하나는 임플란트입니다. 현재 MIM으로 의료용 등급의 티타늄 소재를 생산할 수 없기 때문에 MIM 티타늄을 임플란트로 받아들이기 어려운 상황입니다. 티타늄 MIM 부품은 많이 생산되고 있지만, 결정립 크기와 산소 함량이 임플란트 적용에 필요한 수준까지 낮아지지 않았습니다. 현재 시장에는 코발트-크롬 합금만 출시되어 있습니다. 이제 F-75 합금 임플란트도 있습니다. Thermal Technology가 티타늄 제품 생산에서 상당한 진전을 이루었다고 알려져 있습니다. 이들이 생산한 소재의 성능 데이터는 STM 표준을 충족하지 못하지만 상당히 근접해 있습니다. 사용자 시험 결과, 소재의 물리적 특성은 허용 가능한 수준이었습니다. MIM 티타늄을 임플란트로 성공적으로 사용하려면 새로운 표준을 수립하고 의료계의 승인을 받아야 한다고 볼 수 있습니다. MIM 티타늄 시장은 소형 임플란트에 한정될 가능성이 높지만, 향후 시장 규모는 매우 클 것입니다. 또 다른 우수한 소재는 니켈이 없는 스테인리스강으로, 의료 산업 및 기타 분야에 사용할 수 있습니다. 이 합금은 MIM의 고유한 장점을 활용하여 원소 분말을 혼합하고 성형 후 소결 공정에서 합금을 형성할 수 있습니다.

의료 시장에서 IM이 적용된 것은 새로운 성형 기술의 탄생에 기인한다고 할 수 있습니다. IM은 플라스틱 사출 성형과 소결 공정의 특성을 결합하여 소형·복잡하고 대량 생산이 가능하며 거의 완전한 밀도를 가진 금속 부품을 생산합니다. MIM 산업은 앞으로 더 많은 요구를 충족하기 위해 다양한 합금을 계속 개발할 것입니다.

의료 분야에서의 MIM 구체적 적용 사례

1. 정형외과 임플란트

MIM 기술은 인공 관절과 같이 복잡한 형상의 정형외과 임플란트를 생산할 수 있습니다. 기존 가공 방법과 비교하면 MIM 기술은 정밀도가 높고 폐기물이 적어 생산 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 동시에 MIM 제품은 생체 적합성과 기계적 특성이 우수하여 인체 뼈의 특성에 더 잘 부합합니다.

2. 수술 기구

MIM 기술은 수술용 겸자, 봉합침 등 정밀도가 높고 형상이 복잡한 수술 기구를 제조하는 데에도 사용할 수 있습니다. 기존 금속 소재와 비교하면 MIM 제품은 내마모성과 내식성이 우수하여 의료 기기의 사용 수명을 크게 연장할 수 있습니다.

3. 스테이플러

스테이플러는 다양한 수술에 널리 사용되며 일반적으로 일회용 또는 다회용으로 나뉩니다. 현재는 주로 수입 제품과 국내 생산 제품이 사용되고 있습니다. 기존 공정은 기계 가공으로 비용이 매우 높습니다. Dahong New Materials는 MIM 기술을 활용해 스테이플러 제품을 성공적으로 개발했으며, 이를 통해 비용을 크게 줄일 수 있습니다.

4. 수술용 칼 손잡이

수술용 칼날을 장착한 후 인체 조직을 절개하거나 박리하는 데 사용됩니다.

5. 무릎 임플란트 부품

MIM 기술은 인체 임플란트 분야에서 제품 인증과 승인을 받는 데 오랜 시간이 필요하기 때문에 발전 속도가 느렸습니다. 현재 MIM 기술은 뼈와 관절을 부분적으로 대체하는 부품을 생산하는 데 사용할 수 있으며, 사용되는 금속 소재는 주로 Ti 합금입니다. 젤라틴 서방성 미세구가 코팅된 다공성 티타늄은 세포 독성이 없어 의료용 임플란트에 적합한 소재로 사용할 수 있습니다.

6. 수술 도구

수술 도구는 높은 강도와 낮은 혈액 오염성, 그리고 강력한 소독 절차를 견딜 수 있는 특성이 필요합니다. MIM 기술의 설계 유연성은 대부분의 수술 도구에 적용할 수 있습니다. 또한 공정상의 장점이 있어 다양한 금속 제품을 저렴한 비용으로 제조할 수 있습니다. MIM은 기존 생산 기술을 점차 대체하며 주요 제조 방법으로 자리 잡고 있습니다.

7. 치열 교정용 브래킷

MIM 기술은 처음 의료 분야에서 일부 치과 교정 장치를 제작하는 데 사용되었습니다. 이러한 정밀 제품은 크기가 매우 작고 생체 적합성과 내식성이 우수합니다. 주요 사용 소재는 316L 스테인리스강입니다. 현재 치열 교정용 브래킷은 여전히 MIM 산업의 주요 제품입니다. MIM 기술로 생산된 양방향 후크형 치열 교정용 브래킷은 기계적 유지력을 30% 높일 수 있습니다. MIM으로 한 번에 성형한 후 연마하면 브래킷과 아치와이어 사이의 마찰을 크게 줄일 수 있습니다. Bjorn Ludwig는 이 제품이 치열 교정 수술에 긍정적인 역할을 한다는 사실을 확인했습니다.

의료 제품에 대한 수요는 매우 크며, 많은 제품 자체의 구조도 매우 정교하고 복잡하여 기존 생산 방식을 대체할 새로운 제조 기술이 필요합니다. 금속 사출 성형(MIM)은 복잡한 형상의 제품을 짧은 시간에 대량 생산할 수 있는 새로운 근접 최종 형상 성형 기술입니다. 의료 제품의 제조 요건을 충족할 수 있어 이상적인 제조 방법으로 자리 잡았습니다.