KR101132747B1 - 3차원 세라믹 다공성 인공지지체 및 그 제조방법 - Google Patents

3차원 세라믹 다공성 인공지지체 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 뼈 조직 재생에 사용되는 3차원 세라믹 다공성 인공지지체의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 세라믹 다공성 인공지지체의 제조방법은, 원하는 3차원 인공지지체를 디자인하고, 광 경화 성질을 가지는 슬러리를 준비하는 제1 단계, 상기 제1 단계에서 준비된 슬러리를 pMSTL 시스템에 적용하여 상기 3차원 인공지지체를 성형하는 제2 단계, 및 상기 제2 단계에서 성형된 상기 3차원 인공지지체를 소결하는 제3 단계를 포함한다.
인공지지체, 세라믹 파우더, 슬러리, 광 경화 수지, 소결

Description

3차원 세라믹 다공성 인공지지체 및 그 제조방법 {3-Dimension Ceramic Porous Scaffold And Manufacturing Method Of The Same}
본 발명은 3차원 세라믹 다공성 인공지지체 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광 조형 기술과 광 경화 수지 및 세라믹 파우더를 이용하여, 세라믹 파우더로 형성되는 3차원 세라믹 다공성 인공지지체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
선천성 기형 또는 사고로 인하여 발생된 인체의 조직 복구를 위하여, 임상에서 인공 보형물로 조직을 재생하고 형태를 유지하려는 다양한 시도가 이루어지고 있다. 예를 들면, 고관절 결손시, 티타늄을 이용한 인공관절로 고관절을 재생시키고, 코 성형시, 플라스틱 계열의 인공재료를 이용하는 방식이 시술에 적용되고 있다. 그러나 티타늄이나 플라스틱과 같은 재질로 이루어지는 인공 보형물은 영구적이지 못하고 주기적으로 교체해야 하며, 인체에서 거부 반응을 일으킬 수 있다.
이 문제점들을 보완하기 위하여, 환자의 신체 다른 부위에서 조직을 추출하여 이식하는 자가이식 또는 다른 개체의 조직을 이용하는 동종이식의 방법이 사용되고 있다. 그러나 이 방법들은 추출된 부위에서 문제를 발생시킬 수 있고, 면역학 적으로 거부 반응을 일으킬 수 있다. 또한, 이 문제점들을 보완하기 위하여 연구하는 학문이 조직공학이다. 즉 조직공학이란 인체의 손상된 조직을 체외에서 세포 배양하여 인공적으로 조직을 만들어 이식함으로써 손상된 인체 조직을 재생하는 학문이다.
이때, 필요한 조직의 세포를 배양하기 위하여 인공지지체가 반드시 필요하다. 인공지지체는 재생하려는 조직의 형태를 유지하고, 세포의 생착과 증식 및 분화를 효과적으로 유도하며, 높은 생체 친화력을 가져야 한다. 또한 인공지지체는 세포의 증식 속도에 맞춰 생분해 되는 성질도 가져야 한다.
인공지지체의 제작에 PLA(Pol-lactic acid), PGA(Pol-glycolic acid), 및 PLGA(Poly-lacti-co-glycolic acid) 등의 재료가 사용된다. 이 재료들과 염발포법, 염침출법 및 상분리법을 이용하여 다공성 인공지지체를 제조한다. 그러나 이 재료들은 원하는 형상을 갖는 3차원 인공지지체의 제조를 어렵게 하고, 3차원 인공지지체에서 충분한 기계적 강도를 갖지 못하며, 3차원 인공지지체의 내부 공극들을 충분히 서로 연결하지 못한다.
이 문제점들을 극복하기 위하여, 제어된 형상을 가지며, 내외부 공극들의 연결성을 높이고, 충분한 강도를 가지는 3차원 인공지지체를 제작하는 MSTL(Micro-stereolithography) 기술이 사용된다. MSTL 기술은 쾌속 조형 기술로써 3차원으로 제어된 형상을 수십 마이크로의 정밀도로 3차원 인공지지체를 임의로 제작할 수 있다. 그러나 MSTL 기술에 사용되는 많은 재료는 생체에 부적합하여 직접 사용할 수 없다.
따라서 3차원 제어가 가능한 형상으로 제작 가능하고, 인체에서 생분해 또는 생체에 적합한 재료이며, 또한 충분한 강도를 가지는 3차원 인공지지체의 제조 방법 및 그 인공지지체가 요구된다.
본 발명은 뼈 조직 재생에 사용되는 3차원 세라믹 다공성 인공지지체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 세라믹 파우더로 이루어지는 3차원 세라믹 다공성 인공지지체 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 생체에 적합한 재료를 이용하여 제조된 3차원 세라믹 다공성 인공지지체 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 세라믹 다공성 인공지지체의 제조방법은, 원하는 3차원 인공지지체를 디자인하고, 광 경화 성질을 가지는 슬러리를 준비하는 제1 단계, 상기 제1 단계에서 준비된 슬러리를 pMSTL 시스템에 적용하여 상기 3차원 인공지지체를 성형하는 제2 단계, 및 상기 제2 단계에서 성형된 상기 3차원 인공지지체를 소결하는 제3 단계를 포함한다.
상기 제1 단계에서 상기 3차원 인공지지체를 디자인하는 단계는, 뼈의 결손 부위의 형상에 맞는 형상으로 디자인할 수 있다.
상기 제1 단계에서 상기 슬러리를 준비하는 단계는, 광 경화 수지와 세라믹 파우더를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 세라믹 파우더는, 뼈를 구성하는 성분을 포함할 수 있다. 상기 세라믹 파우더는, HA(Hydroxy apatite) 또는 TCP(Tri-calciumphosphate)를 포함할 수 있다.
상기 제2 단계는, 상기 제1 단계에서 디자인된 3차원 인공지지체의 형상을, 일정한 간격으로 슬라이싱 하여 얻은 각층의 형상 이미지 데이터를 이용할 수 있다.
상기 제2 단계는, 슬라이싱 된 각층의 형상 이미지 데이터로 상기 슬러리를 2차원 평면 형상으로 경화시켜 1층을 형성하고, 상기 1층 상에 다음 층의 2차원 평면 형상을 반복적으로 광 경화시켜 상기 3차원 인공지지체를 형성할 수 있다.
상기 제3 단계는, 상기 슬러리로 성형된 상기 3차원 인공지지체를 소결하여, 상기 3차원 인공지지체로부터 광 경화 수지를 제거하여 상기 세라믹 파우더로 이루어지는 3차원 인공지지체를 완성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 세라믹 다공성 인공지지체는 상기한 어느 한 제조방법으로 제조될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예는, 원하는 3차원 인공지지체를 디자인하고 광 경화 성질을 가지는 슬러리를 준비하여, pMSTL 시스템으로 광 조형 기술을 적용하여 3차원 인공지지체를 성형하고, 성형된 3차원 인공지지체를 소결하므로 뼈 조직 재생에 사용되는 3차원 세라믹 다공성 인공지지체를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 광 경화 수지와 세라믹 파우더로 슬러리를 사용하여 3차원 인공지지체를 성형 후 소결하므로 광 경화 수지를 제거하여 세라믹 파우더로 이루어지는 3차원 세라믹 다공성 인공지지체를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는, 뼈 성분으로 이루어지는 HA 또는 TCP와 같은 세라믹 파우더를 사용하므로 생체에 적합한 3차원 세라믹 다공성 인공지지체를 제조할 수 있다.
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 따른 3차원 세라믹 다공성 인공지지체의 제조방법의 순서도이고, 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 세라믹 다공성 인공지지체를 제조하는 pMSTL 시스템의 구성도이다.
일 실시예의 3차원 세라믹 다공성 구조체의 제조방법은 결손된 뼈 조직의 재생을 위하여 사용되는 3차원 인공지지체를 제조하는 방법이다. 이 방법으로 제조된 3차원 인공지지체는 세라믹 파우더를 포함하는 다공성 구조를 형성한다.
일 실시예의 제조방법은 3차원 인공지지체를 제조하기 위하여, 도2에 도시된 바와 같은, 광 조형 기술을 구현하는 pMSTL(projection based micro-stereolithography) 시스템과, 광 경화 성질을 가지는 광 경화 수지에 세라믹 파우 더를 혼합한 슬러리를 이용한다. pMSTL 시스템은 수 마이크로 정밀도와 수 mm의 가공 영역에서 복잡한 3차원의 마이크로 구조체를 가공할 수 있도록 구성된다.
도2에 도시된 바와 같이, pMSTL 시스템은 UV 램프(1), DMD(digital micromirror device)(2), 3축 스테이지(3), 광학계(4) 및 제어부(5)를 포함한다.
UV램프(1)는 광 경화 수지와 세라믹 파우더로 이루어진 슬러리를 광 경화시키는 광원으로 작용한다.
DMD(2)는 제조하고자 하는 3차원 인공지지체의 각 층 이미지를 형성시키는 동적 패턴 생성기로 작용하며, 제어부(5)에 의하여 제어된다.
3축 스테이지(3)는 제어부(5)에 의하여 제어되어, DMD(2)에 의해 조사된 이미지와 초점 위치에 대응하도록 제어된다. 3축 스테이지(3)와 DMD(2) 사이에 슬러리를 배치하는 윈도우(6)가 구비된다. 따라서 3축 스테이지(3)의 승강 작동에 따라 슬러리(S)를 광 경화시켜 3차원 인공지지체의 형성을 가능하게 한다.
광학계(4)는 UV 램프(1)와 DMD(2) 사이 및 DMD(2)와 3축 스테이지(3) 사이에 설치되는 렌즈들(7), UV 램프(1)와 DMD(2) 사이의 렌즈들(7) 사이에 배치되는 셔터(8)를 포함한다. 제어부(5)는 DMD(2) 및 3축 스테이지(3)와 함께 셔터(8)를 제어한다.
광 조형 기술을 구현하는 일례인, pMSTL 시스템은 UV 램프(1), 광학계(4)를 통과하고, DMD(2) 및 렌즈(70)에 의해서 윈도우(6)에 조사된 이미지로 윈도우(6) 상의 슬러리(S)를 광 경화시켜, 2차원 평명 형상(P)을 성형한다.
그리고 pMSTL 시스템은 성형된 2차원 평면 형상(P)에 슬러리(S)를 연속적으 로 광 경화시켜 적층 형성함으로써 원하는 3차원 구조체, 즉 3차원 인공지지체를 성형할 수 있다.
pMSTL 시스템을 이용하는 일 실시예의 3차원 세라믹 다공성 인공지지체의 제조방법은 제1, 제2, 제3 단계(ST1, ST2, ST3)를 포함한다.
제1 단계(ST1)는 별도의 공정으로 진행되는 2단계를 포함한다. 즉 제1 단계(ST1)는 3차원 인공지지체를 디자인하는 제11 단계(ST11)와, 슬러리를 준비하는 제12 단계(ST12)를 포함한다.
제11 단계(ST11)는 제작하고자 하는 3차원 인공지지체의 형상을 디자인한다. 제11 단계(ST11)는 뼈의 결손 부위의 형상에 맞도록 다양한 구조로 3차원 인공지지체를 디자인한다.
제12 단계(ST12)는 세라믹 파우더와 광 경화 수지를 혼합하여 슬러리를 준비한다. 광 조형 기술로 3차원 형상을 가공하기 위하여 사용되는 재료는 광 경화 성질을 가져야 한다. 그러나 세라믹 파우더는 광 경화 성질을 가지지 않는다.
따라서 제12 단계(ST12)는 광 경화 성질을 가지는 광 경화 수지를 세라믹 파우더에 혼합하여, 광 조형 기술에 사용될 수 있는 슬러리를 준비한다. 이때, 교반기를 사용하여 충분한 시간 동안 광 경화 수지와 세라믹 파우더를 혼합하여, 균일하게 혼합된 슬러리를 만든다. 광 경화 수지는 광 조형 기술을 적용할 수 있게 하면서, 또한 파우더 상태인 세라믹 재료로 3차원 인공지지체의 성형을 가능하게 한다.
세라믹 파우더는 3차원 인공지지체의 형상을 이루며, 3차원 인공지지체에서 기계적인 강도를 우수하게 한다. 예를 들면, 세라믹 파우더는 뼈를 구성하는 성분으로 알려진 HA(Hydroxy apatite) 또는 TCP(Tri-calciumphosphate)를 포함한다.
슬러리에 포함되는 세라믹 파우더인 HA 또는 TCP는 3차원 인공지지체를 성형하여 인체에 사용될 때, 세포와 높은 친화력을 가지며, 뼈 조직의 재생을 가능하게 한다.
제2 단계(ST2)는 제12 단계(ST12)에서 준비된 슬러리를 pMSTL 시스템에 적용하여, 뼈의 결손 부위의 형상에 맞는 3차원 인공지지체의 형상을 성형한다.
제2 단계(ST2)는, 제작하고자 하는 3차원 인공지지체의 형상을 제11 단계(ST11)에서 디자인한 후, 일정한 간격으로 슬라이싱 하여 얻은 각층의 형상 이미지 데이터를 이용하여, 3차원 인공지지체를 제조한다.
즉 디자인된 3차원 인공지지체로부터 슬라이싱 하여 얻은 각 층의 형상 이미지에 따라, UV 램프(1)에서 조사되는 UV 빛은 셔터(8), DMD(2) 및 광학계(4)를 통하여, 윈도우(6) 상에 배치되는 슬러리(S)에 조사된다.
UV 램프(1)에서 조사되는 UV 빛은 각층의 형상 이미지에 따라 슬러리(S)를 2차원 평면 형상(P)으로 경화시키고, 1층 경화 후 스테이지(3)을 이동하면서 다음 층을 경화시키며, 광 경화와 스테이지(3)의 이동을 반복적으로 수행하여, 2차원 평면 형상(P)을 순차적으로 적층함으로써 원하는 형상의 3차원 인공지지체를 제조한다.
제3 단계(ST3)는 슬러리(S)로 제작된 3차원 인공지지체를 소결하여, 3차원 인공지지체로부터 광 경화 수지를 제거하고 세라믹 파우더로 이루어지는 3차원 인 공지지체를 완성한다.
제3 단계(ST3)는 고온에 의하여 경화된 광 경화 수지를 제거하고 세라믹 파우더들을 서로 결합시킨다. 제3 단계(ST3)는 소결로(Furnace)에서 진행되며, 분당 5도씨 온도를 상승시켜, 1100 내지 1400도씨까지 가열하며, 최고 온도에서 2 내지 5시간 동안 유지한다.
소결 중에, 세라믹 파우더와 같이 3차원 인공지지체를 형성하고 있던 광 경화 수지는 3차원 인공지지체로부터 제거되고, 세라믹 파우더는 표면 에너지가 감소하면서 서로 결합한다.
제3 단계(ST3)의 소결을 통하여, 서로 결합된 세라믹 파우더로만 이루어진 3차원 인공지지체가 완성된다. 또한, 소결을 통하여 3차원 인공지지체에서 수축 현상이 생기고, 이 수축현상으로 인하여 형상 가공의 정밀도가 높아진다.
도3에는 도1 및 도2의 제조방법을 이용하여, 제조된 3차원 다공성 세라믹 구조체가 예시되어 있다. 일 실시예에서 완성된 3차원 세라믹 다공성 지지체는 골 조직 재생을 위해 제어된 내외부 형상을 가지고, 생체에 적합한 재료로 형성된다.
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 따른 3차원 세라믹 다공성 인공지지체의 제조방법의 순서도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 세라믹 다공성 인공지지체를 제조하는 pMSTL 시스템의 구성도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 세라믹 다공성 인공지지체의 사진이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : UV 램프 2 : DMD(digital micromirror device)
3 : 3축 스테이지 4 : 광학계
5 : 제어부 6 : 윈도우
7 : 렌즈 8 : 셔터
S : 슬러리

Claims (9)

  1. 원하는 3차원 인공지지체를 디자인하고, 광 경화 성질을 가지도록 광 경화 수지와 세라믹 파우더를 포함하는 슬러리를 준비하는 제1 단계;
    상기 제1 단계에서 준비된 슬러리를 pMSTL 시스템에 적용하여 상기 3차원 인공지지체를 성형하는 제2 단계; 및
    상기 제2 단계에서 성형된 상기 3차원 인공지지체를 소결하는 제3 단계를 포함하며,
    상기 세라믹 파우더는,
    뼈를 구성하는 성분, HA(Hydroxy apatite) 또는 TCP(Tri-calciumphosphate)를 포함하며,
    상기 제2 단계는,
    상기 제1 단계에서 디자인된 3차원 인공지지체의 형상을,
    일정한 간격으로 슬라이싱 하여 얻은 각층의 형상 이미지 데이터를 이용하여,
    상기 슬러리를 2차원 평면 형상으로 경화시켜 1층을 형성하고,
    상기 1층 상에 다음 층의 2차원 평면 형상을 반복적으로 광 경화시켜 상기 3차원 인공지지체를 형성하는
    3차원 세라믹 다공성 인공지지체의 제조방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 단계에서 상기 3차원 인공지지체를 디자인하는 단계는,
    뼈의 결손 부위의 형상에 맞는 형상으로 디자인하는 3차원 세라믹 다공성 인공지지체의 제조방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 단계는,
    상기 슬러리로 성형된 상기 3차원 인공지지체를 소결하여,
    상기 3차원 인공지지체로부터 광 경화 수지를 제거하여 상기 세라믹 파우더로 이루어지는 3차원 인공지지체를 완성하는 3차원 세라믹 다공성 인공지지체의 제조방법.
  9. 삭제
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