KR101016384B1 - 광조형기술을 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법 및 그 제품 - Google Patents
광조형기술을 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법 및 그 제품 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 일 실시예는 다양한 생체재료의 가공성을 확보할 수 있는 광조형기술을 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면 광조형기술을 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법은, 광조형장치를 이용하여 3차원 희생몰드를 성형하는 성형단계, 용매를 이용하여 준비된 생체재료를 상기 희생몰드에 주입하는 주입단계, 상기 희생몰드에 주입된 상기 용매를 제거하여 상기 생체재료를 경화시는 경화단계, 및 상기 희생몰드를 제거하여 경화된 상기 생체재료로부터 3차원구조물을 얻는 완성단계를 포함한다.
광조형기술, 광조형장치, 생체재료, 희생몰드, 경화, 3차원구조물
Description
본 발명은 광조형기술을 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법 및 그 제품에 관한 것으로서, 다양한 생체재료의 가공성을 확보할 수 있는 광조형기술을 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법 및 그 제품에 관한 것이다.
광, 전자 및 반도체와 같은 각종 첨단 산업은 다양한 형태 및 재료의 가공 방법을 요구하며, 그 정밀도는 마이크로 단위에서 서브 마이크로 단위까지 점차 증대되고 있다.
제품이 미세화 및 정밀화 됨에 따라, 마이크로 부품은 기존의 2차원 및 준3차원에서 완전한 3차원 형태의 기술로 발달하고 있다. 그러나 대부분의 제조 공정은 완전한 3차원 입체 형상으로 확장하는데 한계를 가진다.
따라서 레이저를 이용한 3차원 미세형상 제조방법이 연구되고 있다. 일례를 들면, 광조형기술(Stereo Lithography Technology)은 광경화성수지를 활용하여 3차원구조물을 제작할 수 있다.
광조형기술은 자유 3차원구조물을 제작할 수 있지만 광경화성수지만을 가공할 수 있다는 단점을 가진다. 광경화성 생체재료는 극히 제한된 범위에서 상용화되고 있다. 따라서 의료 또는 바이오 분야에서 광조형기술을 적용하는 데 많은 어려움이 있다.
본 발명의 일 실시예는 다양한 생체재료의 가공성을 확보할 수 있는 광조형기술을 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법 및 그 제품에 관한 것이다.
본 발명은 의료 또는 바이오 분야에 사용되는 생체재료를 활용하여 자유 3차원구조물을 가공함으로써, 의료 및 바이오 분야에 많은 효용성을 부여하는 광조형기술을 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법 및 그 제품에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 광조형기술을 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법은, 광조형장치를 이용하여 3차원 희생몰드를 성형하는 성형단계, 용매를 이용하여 준비된 생체재료를 상기 희생몰드에 주입하는 주입단계, 상기 희생몰드에 주입된 상기 용매를 제거하여 상기 생체재료를 경화시키는 경화단계, 및 상기 희생몰드를 제거하여 경화된 상기 생체재료로부터 3차원구조물을 얻는 완성단계를 포함할 수 있다.
상기 성형단계는, 상기 광조형장치의 광원에서 얻어지는 빛 에너지를 광경화성수지의 소정 부위에 주사하여 필요로 하는 2차원구조물을 성형하는 단계와, 상기 2차원구조물을 적층하여 3차원구조의 상기 희생몰드를 성형하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 주입단계는, 상기 생체재료를 상기 용매에 혼합하여 준비하는 단계와, 상기 용매와 함께 상기 생체재료를 주사기를 이용하여 상기 희생몰드의 다공성 공간에 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 준비하는 단계에서, 상기 생체재료는 PLGA 및 PLLA 등 의료용으로 사용 가능한 합성 폴리머들 중 하나이고, 상기 용매는 유기 용매들 중 하나일 수 있다. 상기 유기 용매는 클로로포름 및 다이오산 등 중 상기 생체재료들의 각 특성을 고려하여 사용될 수 있다.
상기 준비하는 단계에서, 상기 생체재료는 치토산 및 알긴산염 등 의료용으로 사용 가능한 천연 폴리머들 중 하나이고, 상기 용매는 아세트산 용액 및 증류수 등 중 하나를 상기 생체재료의 각 특성을 고려하여 사용될 수 있다.
상기 생체재료는, 분해성 합성 폴리머인 PLGA와 PLLA, 분해성 천연 폴리머인 치토산과 알긴산염, 및 비분해성 생체재료인 PMMA 본 시멘트 등 의료용 목적에 사용 가능한 생체재료들 중 적어도 하나를 사용할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예는 상기한 광조형장치를 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법으로 제작된 제품을 포함한다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광조형장치 및 광조형기술을 이용하므로 다양한 생체재료의 3차원구조물을 제조하는 가공성을 확보하는 효과가 있 다.
생체재료를 활용하여 자유 3차원구조물을 가공함으로써, 의료 및 바이오 분야에 많은 효용성을 부여하는 효과가 있다.
즉, 의료 및 바이오 분야에서 생체재료를 활용한 디바이스 및 인공 삽입물 등의 제작을 가능하게 하고, 환자 맞춤형 디바이스의 제작을 가능하게 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 이용되는 광조형장치의 구성도이다. 도1을 참조하면, 일 실시예에 따른 광조형장치(100)는 광조형기술을 구현하도록 형성되며, 생체재료로 자유 3차원구조물을 제조하기 위하여, 중간 매개체로 사용된 후 제거되는 희생몰드(10, 도2 참조)를 성형한다.
도2는 도1의 광조형장치를 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법의 순서도이다. 도2를 참조하면, 일 실시예에 따른 광조형기술을 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법(편의상, 이하에서 "제조방법"이라 한다)은 광조형장치(100)에서 제작된 희생몰드(10)를 이용하여, 생체재료로 이루어지는 제품, 즉 3차원구조 물(40)을 제조한다.
일 실시예의 제조방법은 광조형장치(100)를 이용하여 3차원 희생몰드(10)를 성형하는 성형단계(ST10), 용매(21)를 이용하여 준비된 생체재료(20)를 희생몰드(10)에 주입하는 주입단계(ST20), 희생몰드(10)에 주입된 용매(21)를 제거하여 생체재료(20)를 경화시키는 경화단계(ST30), 및 희생몰드(10)를 제거함으로써 경화된 생체재료(20)로부터 3차원구조물(40), 즉 제품을 얻는 완성단계(ST40)를 포함한다.
도3은 도1의 광조형장치에 적용되는 광조형기술의 개념도이다. 희생몰드(10)를 성형하는 광조형장치(100)에 대하여 설명하기에 앞서, 도3을 참조하여, 광조형기술의 개념에 대하여 먼저 설명한다.
광조형기술은 3차원 가공기술인 쾌속조형(rapid prototyping) 기술들 중, 가장 정밀도가 높은 기술로써, 다양한 상용화 시스템들을 가진다.
광조형기술은 광원(1, 예를 들면, 자외선)에서 얻어지는 빛 에너지를 광경화성수지(2)의 소정 부위에 주사함으로써 필요로 하는 2차원구조물(3)을 성형하고, 이렇게 성형된 2차원구조물들(3)을 연속적으로 쌓아 올림으로써 필요로 하는 3차원구조물, 본 실시예의 희생몰드(10)를 제작한다.
다시 도1을 참조하면, 광조형장치(100)는 광경화성수지(2)를 내장하는 컨테이너(4), 광경화성수지(3)로 형성되는 2차원구조물(3)을 컨테이너(4) 내에서 Z축 방향으로 쌓아 올리는 Z스테이지(5), 빛 에너지를 발생시키는 광원(1), 광원(1)의 빛 에너지를 광경화성수지(2)로 전달하는 광학계(7), 및 광학계(7)를 X축 및 Y축 방향으로 조절하는 XY스테이지(8) 및 이들을 제어하는 제어부(9)를 포함한다.
Z, XY스테이지(5,8)는 공지의 제품을 적용할 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명을 생략한다.
광학계(7)는 제어부(9)에 의하여 제어되어 광원(1)에서 조사되는 빛 에너지를 단속하는 셔터(71), 셔터(71)를 통과하는 빛 에너지의 광량을 제어하는 ND(Neutral Density)필터(72), ND필터(72)를 통과한 빛 에너지의 방향을 분할 및 전환하는 빔 스프리터(73), 빔 스프리터(73)에서 반사되는 빛 에너지를 제어하는 프리즘들(74) 및 프리즘(74)에서 전달되는 빛 에너지의 초점을 광경화성수지(2)의 소정 부위에 맞추는 대물렌즈(75)를 포함한다.
대물렌즈(75)를 통과한 빛 에너지의 초점이 광경화성수지(2) 상에서 맺혀지므로 광경화성수지(2)가 경화되어 2차원구조물(3)을 형성한다.
제어부(9)는 CAD로 만들어진 제품의 형상 데이터를 이용하여, Z스테이지(5) 및 XY스테이지(8)를 제어하고, 또한 셔터(71)를 통하여 광원(1)에서 발생되는 빛 에너지의 주사를 단속한다.
따라서 광경화성수지(2)는 일정 두께의 단면으로 나누어지는 2차원구조물(3)을 형성하며, 반복적으로 형성되는 2차원구조물들(3)은 연속적으로 적층되어 3차원구조물인 희생몰드(10)를 성형한다.
다시 도2를 참조하면, 일 실시예의 제조방법에서, 성형단계(ST10)는 공지의 광조형장치(100)에 광조형기술을 적용함으로써 3차원구조의 희생몰드(10)를 성형할 수 있다. 희생몰드(10)는 생체재료(20)가 주입될 수 있는 공간을 가진, 즉 다공성 구조로 형성된다(도4 참조).
도4는 도3의 광조형기술로 제작된 3차원 희생몰드를 나타낸다. 도4를 참조하면, 3차원 희생몰드(10)는 생체재료(20)의 주입을 가능하게 하여, 생체재료(20)에 의한 3차원구조물(40)을 형성을 가능하게 한다.
희생몰드(10)는 생체재료(20)의 주입 및 주입 과정에서 내부의 공기를 배출하는 2개의 컨넥팅 파이프(61, 62)에 연결되고(a, b), 커넥팅 파이프(61, 62) 사이에서 성형될 3차원구조물(40)에 대응하는 구조(41)를 가진다(a, c).
즉 희생몰드(10)는 커넥팅 파이프(61, 62) 사이에서 자유 3차원구조의 내부 형상을, 즉 다공성 구조를 가진다.
주입단계(ST20)는 성형된 희생몰드(10)에 생체재료(20)를 주입한다. 이를 위하여, 희생몰드(10)에 생체재료(20)를 주입할 수 있게 하는 액체 상태의 재료가 필요하다.
본 실시예에서는 액체 상태의 생체재료(20)를 준비하기 위하여, 용매(21)를 이용한다. 대부분의 생체재료(20)는 용매(21)를 이용하는 용매공정을 통하여 액체 상태로 될 수 있다. 또한 용매공정은 다양한 종류의 생체재료(20)를 활용할 수 있게 한다. 생체재료(20) 및 용매(21)는 각각 의료용 목적으로 사용 가능한 것을 포함한다.
본 실시예에서, 이러한 효용성을 활용하기 위하여, 생체재료(20)는 분해성 합성 폴리머인 PLGA(poly(DL-lactide-co-glycolic acid))와 PLLA(Poly(L-Lactic acid)), 분해성 천연 폴리머인 치토산(Chitosan)과 알긴산염(Alginate), 및 비분해 성 생체재료인 PMMA 기반의 본 시멘트(bone cement)를 포함한다.
PLGA 및 PLLA 등의 생체재료(20)는 클로로포름 및 다이오산과 같은 유기 용매를 활용하여 액체 상태로 될 수 있으며, 치토산과 알긴산염과 같은 생체재료(20)는 아세트산(acetic acid) 용액과 증류수를 활용하여 액체 상태로 될 수 있다.
이와 같이 준비된 생체재료들(20)은 도2에서와 같이, 주사기(22)를 이용하여 제작된 희생몰드(10) 내의 다공성 공간에 주입 및 충전된다.
즉 주입단계(ST20)는 생체재료(20)를 용매(21)에 혼합하여 준비하는 단계(ST21)와, 용매(21)와 함께 생체재료(20)를 주사기(22)로 희생몰드(10)의 다공성 공간에 주입하는 단계(ST22)를 포함한다.
경화단계(ST30)는 희생몰드(10)에 준비된 생체재료(20)를 용매(21)와 함께 주입한 후, 용매(21)를 제거한다. 경화단계(ST30)는 생체재료(20)의 재료에 따라 서로 다르게 수행될 수 있다. PLGA와 PLLA와 같은 생체재료(20)의 경우, 경화단계(ST30)는 유기 용매(21)의 제거를 통하여 이루어진다. 유기 용매(21)는 공기 또는 진공 속에서 건조 방법으로, 또는 알코올류를 사용하여 제거될 수 있다.
천연 폴리머인 치토산이나 알긴산염과 같은 생체재료(20)의 경우, 경화단계(ST30)에서, 용매(21)는 동결 건조법 및 NaOH 수용액이나 CaCl2와 같은 적절한 반응액을 통하여 제거될 수 있다.
완성단계(ST40)는 경화단계(ST30) 이후, 희생몰드(10)를 제거함으로써 잔류하는 생체재료(20)에 의하여 성형되는 3차원구조물(40)을 얻는다.
완성단계(ST40)는 희생몰드(10)의 제거 과정으로써, 경화된 생체재료(20)에 영향을 주지 않는 범위에서 희생몰드(10)를 선택적으로 제거한다. 희생몰드(10)의 완전한 제거는 생체재료(20)로 이루어진 3차원구조물(40)을 완성한다.
도5a 내지 도5e는 도2의 제조방법으로 제작된 제품이다. 도5a 내지 도5e를 참조하면, 제조방법의 효용성을 확인하기 위하여, 다양한 생체재료(20)에 의하여 제작된 3차원구조물(40)이 예시되어 있다.
도5a는 PLGA(poly(DL-lactide-co-glycolic acid))로 제작된 3차원구조물(41)이고, 도5b는 PLLA(Poly(L-Lactic acid))로 제작된 3차원구조물(42)이며, 도5c는 PMMA 기반의 본 시멘트(bone cement)로 제작된 3차원구조물(43)이고, 도5d는 치토산(Chitosan)으로 제작된 3차원구조물(44)이며, 도5e는 알긴산염(Alginate)으로 제작된 3차원구조물(45)이다.
이와 같이 다양한 생체재료(20)로 제작된 3차원구조물들(40; 41-45)은 다양한 구조 및 다양한 생체재료(20)를 필요로 하는 의료 및 바이오 분야에 많은 효용성을 부여할 수 있게 한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 이용되는 광조형장치의 구성도이다.
도2는 도1의 광조형장치를 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법의 순서도이다.
도3은 도1의 광조형장치에 적용되는 광조형기술의 개념도이다.
도4는 도3의 광조형기술로 제작된 3차원 희생몰드를 나타낸다.
도5a 내지 도5e는 도2의 제조방법으로 제작된 제품이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 광조형장치 1 : 광원
2 : 광경화성수지 3 : 2차원구조물
4 : 컨테이너 5 : Z스테이지
7 : 광학계 8 : XY스테이지
9 : 제어부 10 : 희생몰드
20 : 생체재료 21 : 용매
22 : 주사기 40, 41-45 : 3차원구조물
41 : 대응하는 구조 61, 62 : 컨넥팅 파이프
71 : 셔터 72 : ND필터
73 : 빔 스프리터 74 : 프리즘
75 : 대물렌즈
Claims (10)
- 광조형장치를 이용하여 3차원 희생몰드를 성형하는 성형단계;용매를 이용하여 준비된 생체재료를 상기 희생몰드에 주입하는 주입단계;상기 희생몰드에 주입된 상기 용매를 제거하여 상기 생체재료를 경화시키는 경화단계; 및상기 희생몰드를 제거하여 경화된 상기 생체재료로부터 3차원구조물을 얻는 완성단계를 포함하는광조형장치를 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법.
- 제1 항에 있어서,상기 성형단계는,상기 광조형장치의 광원에서 얻어지는 빛 에너지를 광경화성수지의 소정 부위에 주사하여 필요로 하는 2차원구조물을 성형하는 단계와,상기 2차원구조물을 적층하여 3차원구조의 상기 희생몰드를 성형하는 단계를 포함하는광조형장치를 이용하여 3차원 희생몰드를 성형하는 성형단계;
- 제1 항에 있어서,상기 주입단계는,상기 생체재료를 상기 용매에 혼합하여 준비하는 단계와,상기 용매와 함께 상기 생체재료를 주사기를 이용하여 상기 희생몰드의 다공성 공간에 주입하는 단계를 포함하는광조형장치를 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법.
- 제3 항에 있어서,상기 준비하는 단계에서,상기 생체재료는 의료용으로 사용 가능한 합성 폴리머들 중 하나이고,상기 용매는 유기 용매들 중 하나이며,광조형장치를 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법.
- 제4 항에 있어서,상기 합성 폴리머는 PLGA 및 PLLA 중 하나인광조형장치를 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법.
- 제4 항에 있어서,상기 유기 용매는,클로로포름 및 다이오산 중 하나인광조형장치를 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법.
- 제3 항에 있어서,상기 준비하는 단계에서,상기 생체재료는 의료용으로 사용 가능한 천연 폴리머들 중 하나이고,상기 용매가 상기 생체재료에 부합하는 용매들 중 하나인광조형장치를 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법.
- 제7 항에 있어서,상기 천연 폴리머는 치토산 및 알긴산염 중 하나이고,상기 용매는 아세트산 용액 및 증류수 중 하나인광조형장치를 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법.
- 제1 항에 있어서,상기 생체재료는,분해성 합성 폴리머인 PLGA와 PLLA, 분해성 천연 폴리머인 치토산과 알긴산염, 및 비분해성 생체재료인 PMMA 본 시멘트 중 의료용으로 사용 가능한 적어도 하나를 사용하는광조형장치를 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법.
- 제1 항 내지 제9 항 중 적어도 어느 한 항에 따른 광조형장치를 이용한 생체재료의 3차원구조물 제조방법으로 제작된 제품.
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