Integration of a Locking Plate System into 3D-Printed Implants Enhances Primary Stability and Osseointegration in Segmental Bone Defect Reconstruction = 락킹 플레이트 시스템을 도입한 3D 프린팅 이식물의 골결손 재건에서의 기계적 안정성 및 골유합 효과에 대한 통합적 평가

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Repairing large segmental bone defects remains a major challenge in orthopedics because the affected region must recover both its mechanical integrity and biological function. Conventional reconstructive options, such as autologous bone grafting, vascularized bone transplantation, and distraction osteogenesis have been widely applied, but they are often limited by donor-site morbidity, prolonged treatment time, and insufficient mechanical stability for early functional recovery. To overcome these limitations, three-dimensional (3D) printing of patient-specific implants (PSIs) has emerged as a promising single stage strategy that enables precise anatomical restoration and tailored mechanical properties. Porous titanium alloys such as Ti6Al4V have been particularly effective in PSI fabrication, offering high strength, biocompatibility, and controlled porosity that promotes osseointegration while minimizing stress shielding.
However, despite these advantages, the long-term success of PSIs largely depends on securing adequate primary mechanical stability during the early postoperative period with a reliable fixation method, so that the implant remains firmly positioned until bone healing is achieved. In most current PSI designs, fixation is achieved through non-locking screw holes, which depend on plate-to-bone compression for stability. This mechanism is sensitive to bone quality and can deteriorate under cyclic loading, leading to loosening and delayed healing. In contrast, locking plate systems provide fixed-angle stability through mechanical interlocking between the screw and plate, offering improved rigidity and fatigue resistance. Yet, applying locking fixation to 3D-printed implants has been technically challenging, as additive manufacturing lacks the precision to form robust internal threads. Locking holes are therefore typically created by post-printing machining, which increases cost, prolongs fabrication time, and introduces potential deviations from the original digital design. These limitations highlight the need for a more efficient and fully integrated locking fixation method for 3D-printed PSIs.
This dissertation presents a comprehensive investigation into the direct integration of a locking plate system into 3D-printed titanium implants to enhance primary stability and promote osseointegration in segmental bone defect reconstruction. Three consecutive studies were conducted to evaluate the feasibility, biomechanical performance, and biological effects of this approach using titanium PSIs.
In Chapter 1, the mechanical reliability of additively manufactured locking screw holes was assessed. Given the technical limitations of directly printing fine threads, the study evaluated whether 3D-printed locking interfaces could achieve comparable strength to conventionally machined threads. Push-out tests and mechanical evaluations confirmed that, under optimized conditions, the printed threads provided sufficient locking strength, validating the feasibility of integrating locking systems directly into 3D-printed implants without additional machining. Having verified this feasibility, the next step was to determine whether the newly implemented 3D-printed locking fixation actually provides mechanical advantages over nonlocking fixation within the same PSI design.
In Chapter 2, the biomechanical characteristics of locking and nonlocking fixation methods were compared under controlled in vitro conditions. Using synthetic bone models, the study demonstrated that locking constructs exhibited higher yield load under bending and maintained their torsional stiffness more effectively under cyclic loading, resulting in superior fatigue resistance and overall structural durability compared with nonlocking constructs. These results indicate that locking fixation provides superior primary stability, which is essential for preventing excessive micromotion and ensuring mechanical durability in the early postoperative period.
In Chapter 3, the in vivo effects of locking versus nonlocking fixation were examined in a rabbit femoral defect model. Over a 12-week observation period, the locking group showed enhanced osseointegration, more extensive mineralized callus formation, and more uniform bone remodeling around the implant compared with the nonlocking group. Histological and micro-CT analyses confirmed that the superior initial mechanical stability provided by locking fixation translated into improved biological healing outcomes.
Collectively, this work demonstrates that integrating a locking plate system directly into 3D-printed titanium implants is both technically feasible and biologically advantageous. These findings suggest that locking fixation can improve the clinical performance of PSIs in the treatment of segmental bone defects, particularly in high-load-bearing applications or cases with compromised bone quality.

국문 초록 (Abstract)

대형 분절성 골결손의 치료는 손상 부위의 기계적 강도와 생물학적 기능을 동시에 회복해야 한다는 점에서 정형외과 영역의 가장 큰 도전 과제 중 하나이다. 자가골 이식, 혈관화 골이식, 골 신장술(distraction osteogenesis) 등 기존의 재건 방법들이 널리 사용되고 있으나, 공여부 합병증(donor-site morbidity), 긴 치료 기간, 그리고 조기 기능 회복을 위한 기계적 안정성 부족 등 여러 한계가 존재한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 3차원(3D) 프린팅 기술을 이용한 환자 맞춤형 이식물(patient-specific implant, PSI)이 새로운 단일 단계 재건 전략으로 주목받고 있다. 특히 티타늄(Ti6Al4V) 합금은 높은 강도와 우수한 생체적합성을 지니며, 다공성 구조를 구현함으로써 응력 차폐(stress shielding)를 최소화하고 골유입을 촉진하여 골유합(osseointegration)을 향상시킬 수 있는 재료로 평가되고 있다.
다만 이러한 장점에도 불구하고, PSI의 장기적인 성공을 위해서는 수술 직후 안정적인 초기 기계적 고정(primary mechanical stability)을 확보할 수 있는 신뢰성 높은 고정 방식이 반드시 동반되어야 한다. 그래야만 새로운 뼈가 형성될 때까지 과도한 미세움직임 없이 임플란트가 제 위치를 유지할 수 있기 때문이다. 현재 대부분의 PSI는 비잠금(non-locking) 나사 구멍을 이용하여 플레이트와 뼈를 압박(compression) 방식으로 고정하지만, 이러한 방식에서는 뼈의 질이 좋지 않거나 반복되는 하중(cyclic loading)이 가해질 경우 고정력이 약화되어 나사 풀림이나 치유 지연이 발생할 수 있다. 반면, 잠금형(locking) 플레이트 시스템에서는 나사 머리와 나사 구멍의 나사산(threads)이 맞물려 고정각(fixed-angle)을 유지하므로 구조적 강도와 반복적 하중에 대한 저항성이 향상된다. 그러나 적층제조(additive manufacturing), 즉 3D 프린팅으로 이러한 잠금 구조의 정밀한 내부 나사산을 구현하는 것은 기술적으로 쉽지 않다. 이에 따라 대부분의 경우 단순한 형태의 나사 구멍을 포함한 PSI를 3D 프린팅한 후 후가공(post-printing machining)을 통해 잠금 나사 구멍을 별도로 가공해야 한다. 이 과정은 제작 비용과 시간을 증가시키고, 의도한 나사산 설계로부터의 미세한 오차를 유발할 수 있다.
본 학위논문은 이러한 문제를 해결하기 위해 추가 후가공 없이 3D-프린팅 PSI의 제작과정에서 바로 잠금 플레이트 시스템을 통합하였으며, 해당 접근이 실제로 비잠금 시스템에 비해 임플란트의 초기 안정성과 기존 뼈와의 골유합을 향상시킬 수 있는지를 종합적으로 평가하였다. 이를 위해 티타늄 PSI를 이용한 세 단계의 연구를 수행하였으며, 각각의 단계에서 기술적 타당성, 기계적 성능, 그리고 생물학적 효과를 순차적으로 검증하였다.
제1장에서는 3D 프린팅으로 제작된 잠금 나사 구멍의 기계적 신뢰성을 평가하였다. 세밀한 나사산을 직접 출력하는 데 따른 기술적 한계를 고려하여, 3D 프린팅으로 제작된 잠금 구조가 기존의 가공 방식과 동등한 강도를 확보할 수 있는지를 검증하였다. 푸시아웃(push-out) 시험과 기계적 평가 결과, 최적화된 제작 조건에서는 프린팅된 나사산이 충분한 잠금 강도를 제공함을 확인하였으며, 추가적인 후가공 없이도 잠금 시스템을 직접 통합할 수 있음을 입증하였다. 이러한 기술적 가능성을 확인한 후, 동일한 PSI 설계 내에서 잠금 고정이 비잠금 고정보다 실제로 기계적 및 생물학적 이점을 제공하는지를 규명하였다.
제2장에서는 제어된 생체 외(in vitro) 조건에서 잠금형과 비잠금형 고정 방식의 기계적 특성을 비교하였다. 합성골 모델을 이용하여 분절성 골결손 모델을 수립한 뒤 동일한 구조의 골 결손 치료를 위한 임플란트를 3D 프린팅하였다. 고정방식만 잠금형과 비잠금형으로 나누어 합성 골 모델에 적용한 뒤, 굽힘(bending) 및 비틀림(torsion) 시험을 통해 생역학적 특성을 비교한 결과, 잠금형 구조가 굽힘 하중에서 더 높은 항복 하중(yield load)을 보였으며, 비틀림 반복 하중(cyclic torsion)에서도 강성을 더 안정적으로 유지하여 피로 저항성과 구조적 내구성이 우수함을 확인하였다. 이러한 결과는 생체에서도 잠금 고정이 과도한 미세 움직임을 방지하고, 수술 직후의 안정성을 유지하는 데 더욱 유리할 수 있음을 시사하였다.
제3장에서는 토끼 대퇴골 결손 모델을 이용해 잠금형과 비잠금형 고정 방식의 생체 내(in vivo) 골유합 효과를 비교하였다. 대퇴골 결손부에 PSI를 이식한 후 12주간의 관찰 결과, 잠금 고정군은 비잠금군에 비해 임플란트 주위로 더 넓은 범위의 골화(callus) 형성과 임플란트 내부로의 균질한 골 재형성을 보였으며, 골체적률(bone volume fraction)과 골면적 비율(bone area percentage) 또한 유의하게 높았다. 조직학적 분석과 마이크로-CT 결과, 잠금 고정에 의해 확보된 우수한 초기 기계적 안정성이 향상된 생물학적 치유로 이어짐이 입증되었다.
결론적으로, 본 연구는 3D 프린팅 티타늄 PSI에 잠금형 플레이트 시스템을 직접(directly) 통합하는 것이 기술적으로 가능하며, 기계적 안정성과 골유합 측면에서 모두 유리함을 입증하였다. 이러한 직접 잠김(direct-locking) 개념은 후가공 단계를 생략하여 제조 효율을 향상시키는 동시에, 임상적으로 더욱 견고하고 생물학적으로 유리한 환자 맞춤형 이식물 개발의 새로운 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• GENERAL INTRODUCTION 1
• CHAPTER I
• Feasibility of integrating locking plate system into additively manufactured implants: A mechanical comparison of 3D-printed and machined locking hole threads
• ABSTRACT 06
• INTRODUCTION 08
• MATERIALS AND METHODS 11
• RESULTS 21
• DISCUSSION 28
• CHAPTER II
• Enhanced construct stability with a locking plate system integrated into 3D-printed titanium implants for bone defect reconstruction: A biomechanical comparison of locking versus nonlocking screw fixation
• ABSTRACT 37
• INTRODUCTION 39
• MATERIALS AND METHODS 43
• RESULTS 51
• DISCUSSION 57
• CHAPTER Ⅲ
• Integration of locking screw fixation into 3D-printed patient-specific porous titanium implants enhances osseointegration: An in vivo study in rabbit bone defect model
• ABSTRACT 65
• INTRODUCTION 67
• MATERIALS AND METHODS 71
• RESULTS 82
• DISCUSSION 89
• GENERAL CONCLUSIONS 96
• REFERENCES 99
• ABSTRACT IN KOREAN 118