KR101799812B1

KR101799812B1 - 믹서가 결합된 3d 프린터 및 이를 이용하여 제작된 세포지지체

Info

Publication number: KR101799812B1
Application number: KR1020160067444A
Authority: KR
Inventors: 조영삼; 이세환; 김희경
Original assignee: 원광대학교산학협력단
Priority date: 2016-05-31
Filing date: 2016-05-31
Publication date: 2017-11-22

Abstract

믹서가 결합된 3D 프린터 및 이를 이용하여 제작된 세포지지체가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터는, 졸 상태의 하이드로젤(hydrogel)을 공급하는 하이드로젤 공급부; 유체 상태의 경화제(cross linker)를 공급하는 경화제 공급부; 상기 하이드로젤 공급부와 상기 경화제 공급부로부터 각각 상기 하이드로젤과 상기 경화제가 유입되어 내부에 형성된 믹싱 채널을 따라 유동하면서 패시브(passive) 방식으로 혼합되는 믹서와, 상기 믹서에 의해 혼합된 혼합물이 토출되는 노즐이 구비된 디스펜서를 포함할 수 있다.

Description

믹서가 결합된 3D 프린터 및 이를 이용하여 제작된 세포지지체{3D printer combined mixer system and its scaffolds}

본 발명은 믹서가 결합된 3D 프린터 및 이를 이용하여 제작된 세포지지체에 관한 것이다.

하이드로젤(hydrogel)과 3D 프린터를 이용하여 다양한 형태의 3차원 구조물 제작이 가능하다. 지금까지 개발된 하이드로젤(hydrogel) 타입의 재료를 이용한 3D 프린팅 기법은 디스펜서(dispenser) 방식, 즉 '가압토출 방식' 구조를 사용하고 있다.

일반적인 하이드로젤은 경화제와 함께 혼합하여 경화가 진행된다.

도 1은 디스펜서 방식의 하이드로젤 3차원 구조체 제작구조를 나타낸 도면이다.

도 1의 (a)에는 알긴산염(Alginate)을 이용한 3차원 구조체 제작 모습이 도시되어 있고, 도 1의 (b)에는 경화속도가 비교적 느린 히알루론산 젤(Hyaluronic acid gel)을 이용한 3차원 구조체 제작 모습이 도시되어 있다. 알긴산염과 같이 경화제(cross linker)를 기체화시킬 수 있는 하이드로젤을 사용할 경우, 챔버 내 경화제 분위기(기체화)를 만들어 주어 3차원 구조를 갖는 하이드로젤 3차원 구조체 제작이 가능한 것으로 알려져 있다.

하지만, 대부분의 경화제(cross linker)를 기체화시킬 수 없는 경우나 재료의 경화 속도가 적층 공정에 영향을 미치는 경우 도 1에 도시된 것과 같은 디스펜서 방식으로는 적층하기가 불가능하게 된다.

예컨대, 경화시간이 비교적 짧은 재료일수록 경화되는 속도가 적층 공정에 미치는 영향이 더 크게 된다. 즉, 적층 가능한 시간이 짧아짐에 따라 적층 도중에 쉽게 형상이 무너지거나 소모되는 재료의 양이 많이 발생하는 문제점이 있다.

한국공개특허 10-2011-0028019호 (2011.03.17 공개) - 미세패턴된 나노섬유 스캐폴드

본 발명은 다양한 하이드로젤에 대해 경화제와의 균일한 혼합이 이루어지면서도 충분한 체류시간을 가지도록 하여 경화 직전의 혼합물 토출이 가능한 믹서가 결합된 3D 프린터 및 이를 이용하여 제작된 세포지지체를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 졸 상태의 하이드로젤(hydrogel)을 공급하는 하이드로젤 공급부; 유체 상태의 경화제(cross linker)를 공급하는 경화제 공급부; 상기 하이드로젤 공급부와 상기 경화제 공급부로부터 각각 상기 하이드로젤과 상기 경화제가 유입되어 내부에 형성된 믹싱 채널을 따라 유동하면서 패시브(passive) 방식으로 혼합되는 믹서와, 상기 믹서에 의해 혼합된 혼합물이 토출되는 노즐이 구비된 디스펜서를 포함하는 3D 프린터가 제공된다.

상기 하이드로젤의 종류에 따라 상기 노즐을 통해 토출되는 혼합물이 겔화(gelation) 직전의 가교 결합된 하이드로젤이 되도록 상기 믹싱 채널의 유로 길이 및 상기 하이드로젤 공급부와 상기 경화제 공급부에서 각각 공급되는 상기 하이드로젤과 상기 경화제의 유량 중 적어도 하나가 결정될 수 있다.

상기 하이드로젤 공급부와 상기 경화제 공급부는 각각 상기 하이드로젤과 상기 경화제를 보관하는 챔버와, 상기 챔버의 내부에 압력을 가하는 시린지 펌프와, 상기 믹서와 상기 챔버 사이에 연결되는 유입부를 포함할 수 있다.

상기 하이드로젤은 알긴산염, 히알루론산, 콜라겐 중 하나이고, 상기 경화제는 염화칼슘(CaCl₂), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 헤페스(HEPES) 중 하나일 수 있다.

상기 믹싱 채널은 서로 다른 점성을 가지는 상기 하이드로젤과 상기 경화제가 균일하게 혼합이 이루어질 수 있도록 와류를 형성해주는 채널 패턴을 가지고 있는 마이크로 유체 채널(microfluidic channel)일 수 있다.

상기 믹싱 채널은 지그재그 패턴을 가지고 있을 수 있다.

또는 상기 믹싱 채널은, 디스크 모양의 채널 벽과, 입구에서 출구 쪽으로 뾰족한 V자 장애물을 포함하되, 상기 V자 장애물은, 상기 입구 측에 배치된 제1 V자 장애물과, 상기 제1 V자 장애물의 후방에 배치되며 가운데가 끊어지고 양끝이 상기 채널 벽에 연결된 제2 V자 장애물과, 상기 출구 측에 배치된 제3 V자 장애물을 포함할 수 있다.

또는 상기 믹싱 채널은 입구에서 출구 쪽으로 뾰족한 V자 장애물을 다수 개 포함하되, 상기 V자 장애물은, 상기 입구 측에 배치된 제1 V자 장애물과, 상기 제1 V자 장애물의 후방에 배치되며 가운데가 끊어지고 양끝이 상기 채널 벽에 연결된 제2 V자 장애물이 반복적으로 배치되어 있을 수 있다.

한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전술한 3D 프린터에 의해 겔화 직전의 가교 결합된 하이드로젤이 가압 토출되어 적층되면서 경화됨으로써 제작되는 세포 지지체가 제공된다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 다양한 하이드로젤에 대해 경화제와의 균일한 혼합이 이루어지면서도 충분한 체류시간을 가지도록 하여 경화 직전의 혼합물 토출이 가능한 효과가 있다.

도 1은 디스펜서 방식의 하이드로젤 3차원 구조체 제작구조를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 믹서가 결합된 3D 프린터의 개략적인 구성을 나타낸 도면,
도 3은 하이드로젤과 경화제의 종류를 나타낸 테이블,
도 4는 믹싱 채널의 제1 실시예를 나타낸 도면,
도 5는 믹싱 채널의 제2 실시예를 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 믹서가 결합된 3D 프린터를 이용한 세포지지체의 제작 모습을 나타낸 도면,
도 7은 종래 3D 프린팅 방법을 나타낸 도면,
도 8은 본 실시예에 따른 믹서가 결합된 3D 프린터를 이용하여 제작된 세포지지체의 예시.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 믹서가 결합된 3D 프린터의 개략적인 구성을 나타낸 도면이고, 도 3은 하이드로젤과 경화제의 종류를 나타낸 테이블이며, 도 4는 믹싱 채널의 제1 실시예를 나타낸 도면이고, 도 5는 믹싱 채널의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 하이드로젤(10), 경화제(20), 혼합물(30), 3D 프린터(100), 하이드로젤 공급부(110), 제1 챔버(111), 제1 시린지 펌프(113), 제1 유입부(115), 경화제 공급부(120), 제2 챔버(121), 제2 시린지 펌프(123), 제2 유입부(125), 디스펜서(130), 믹서(131), 믹싱 채널(132), 노즐(133)이 도시되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 믹서가 결합된 3D 프린터(100)는 내부에 형성된 믹싱 채널의 유로 길이 및/또는 하이드로젤과 경화제의 유입 유량에 따라 혼합시간을 조절함으로써 경화시점을 제어하여 경화 직전의 혼합물이 토출되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 실시예에 따른 믹서가 결합된 3D 프린터(100)는 하이드로젤 공급부(110), 경화제 공급부(120) 및 디스펜서(130)를 기본 골격으로 포함한다.

하이드로젤 공급부(110)는 3차원 구조체를 제작하기 위한 주 성분인 하이드로젤을 디스펜서(130)로 공급한다. 하이드로젤 공급부(110)에 의해 공급되는 하이드로젤은 물 분자를 포함하거나 물을 분산매로 하는 겔로서, 예컨대 알긴산염 젤(Alginate gel), 히알루론산 젤 등일 수 있다.

하이드로젤 공급부(110)는 졸(sol) 상태의 하이드로젤이 보관되어 있는 제1 챔버(111)와, 제1 챔버(111) 내에 압력을 가하는 제1 시린지 펌프(113)를 포함한다.

제1 시린지 펌프(113)에서 가하는 압력에 상응하여 제1 챔버(111) 내에 보관된 하이드로젤 중 일부가 디스펜서(130)로 공급된다. 이 때 제1 챔버(111)와 디스펜서(130)는 제1 유입부(115)에 의해 연결되어 있어, 제1 유입부(115)를 따라 펌프 압력에 상응하는 유량의 하이드로젤이 공급될 수 있다.

경화제 공급부(120)는 경화제를 유체 상태로 디스펜서(130)로 공급한다. 경화제는 하이드로젤에 대해 가교 결합을 통해 겔화(gelation)가 이루어지도록 하는 물질로서, 가교제라 칭해질 수도 있다.

경화제 공급부(120)는 유체 상태의 경화제가 보관되어 있는 제2 챔버(121)와, 제2 챔버(121) 내에 압력을 가하는 제2 시린지 펌프(123)를 포함한다.

제2 시린지 펌프(123)에서 가하는 압력에 상응하여 제2 챔버(121) 내에 보관된 경화제 중 일부가 디스펜서(130)로 공급된다. 이 때 제2 챔버(121)와 디스펜서(130)는 제2 유입부(125)에 의해 연결되어 있어, 제2 유입부(125)를 따라 펌프 압력에 상응하는 유량의 경화제가 공급될 수 있다.

본 실시예에 따른 하이드로젤과 경화제의 예시가 도 3에 테이블로 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 하이드로젤로는 알긴산염, 히알루론산, 콜라겐과 같은 별도의 경화제를 필요로 하는 하이드로젤이 있을 수 있고, 이에 대한 경화제로는 염화칼슘(CaCl₂), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 헤페스(HEPES), 그 밖의 경화제가 있을 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 디스펜서(130)는 하이드로젤 공급부(110)에서 공급된 하이드로젤과 경화제 공급부(120)에서 공급된 경화제를 혼합하여 생성된 혼합물을 노즐(133)을 통해 토출하여 3차원 구조체가 제작되도록 한다. 여기서, 혼합물은 하이드로젤과 경화제가 혼합되어 가교 결합된 하이드로젤(cross linked hydrogel)일 수 있다.

디스펜서(130)는 내부에 믹싱 채널(132)이 형성된 믹서(131)와, 믹서(131)의 출구에서 마련되어 소정 직경을 가지는 혼합물이 토출되도록 하는 노즐(133)을 포함한다.

믹서(131)의 입구에는 제1 유입부(115)와 제2 유입부(125)가 서로 만나며, 하이드로젤과 경화제가 함께 믹서(131) 내부로 유입되어 혼합된다. 본 실시예에 따른 믹서(131)에서는 하이드로젤과 경화제가 패시브(passive) 방식으로 혼합될 수 있다. 패시브 방식의 혼합은 외부에서 에너지가 유입되지 않은 상태에서 펌핑의 힘을 이용하여 혼합되는 것으로, 노즐의 분사, 와류 형성, 폴딩을 이용한 혼합 등이 이에 해당될 수 있다.

하이드로젤과 경화제의 혼합시간은 믹싱 채널(132)의 길이와 믹서(131)로 유입되는 하이드로젤과 경화제의 유량에 의해 결정될 수 있다. 여기서, 하이드로젤의 유량은 제1 시린지 펌프(113)에 의해, 경화제의 유량은 제2 시린지 펌프(123)에 의해 조절될 수 있다.

하이드로젤의 종류에 따라 경화시간이 다르다. 예컨대, 하이드로젤이 알긴산염 젤인 경우 경화제로 CaCl₂를 만나면 즉시 겔화 되는 반면, 콜라겐(collagen), 히알루론산 같은 경우에는 경화제와 충분히 혼합이 이루어진 후 일반적으로 5~30분 정도 또는 그 경화에 최적화된 시간이 필요하다.

믹싱 채널(132)은 하이드로젤의 종류에 상응하여 최적화된 혼합시간을 가지도록 3D 프린팅 기술을 이용하여 맞춤형으로 설계된 마이크로 유체 채널(microfluidic channel)일 수 있다. 여기서, 믹싱 채널(132)은 서로 다른 점성을 가지는 하이드로젤과 경화제가 균일하게 혼합이 이루어질 수 있도록 와류를 형성해주는 채널 패턴을 가지도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 믹싱 채널(132)은 도 2에 도시된 것과 같이 지그재그와 같은 혼합에 효과적인 패턴을 가질 수 있다. 이외에도 다양한 형상의 패턴을 가지는 믹싱 채널(132)에 대해서는 추후 관련 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

본 실시예에서는 하이드로젤의 종류에 따라 믹싱 채널(132)의 길이, 하이드로젤의 유량, 경화제의 유량과 같은 변수들을 결정하여 경화를 위한 혼합시간을 조절할 수 있다. 즉, 하이드로젤이 경화제와 혼합되면서 겔화 작용이 일어나는 시간 동안에는 믹서(131) 내부에 체류하도록 할 수 있다.

아직 겔화가 이루어지지 않은 경우에는 노즐(133)을 통해 토출된 이후에도 경화가 이루어지지 않아 3차원 구조체의 적층 형상을 유지하기 어렵다. 또한, 겔화가 이루어진 경우에는 유로가 막혀 토출이 어렵게 되며, 억지로 토출하는 경우에는 가교 결합되어 있던 체인이 끊어지게 된다. 따라서, 본 실시예에서는 믹싱 채널(132)의 길이, 하이드로젤의 유량, 경화제의 유량 등을 조절하여 겔화가 이루어지기 직전의 하이드로젤이 토출 가능한 점성을 가지면서 믹서(131)에서 노즐(133)로 전달될 수 있도록 혼합시간을 조절하고 있다.

노즐(133)을 통해 토출되는 혼합물은 혼합시간이 조절되어 경화(겔화) 직전 상태에 있는 가교 결합된 하이드로젤일 수 있다. 노즐(133)의 직경에 따라 혼합물이 토출되어 제작되는 3차원 구조체의 정밀도가 결정될 수 있다.

본 실시예에서 믹서(131) 내부에서의 혼합시간을 결정할 때, 하이드로젤은 경화제와 섞인 후 반응 시간이 존재하기 때문에 혼합 이후 유지시간이 요구된다. 따라서, 믹싱 채널(132)은 내부에서 하이드로젤과 경화제를 혼합시킬 뿐만 아니라 하이드로젤이 겔화되는 시간 동안 체류하도록 한다. 이를 위해 믹싱 채널(132)의 채널 패턴은 믹서(131)의 제한된 부피 범위 내에서 유로의 길이를 길게 하여 노즐(133)에 도달할 때까지의 체류시간을 길게 연장시킬 수 있다.

믹싱 채널의 다른 예시가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.

도 4의 믹싱 채널(200)은 입구에 출구 쪽으로 뾰족한 V자 장애물(211, 213, 215)와, 디스크 모양의 채널 벽(220)으로 구성된다.

유체(유입된 하이드로젤과 경화제)는 좌측에서 기울어진 채널 벽(220)을 통하여 흐른다. 제1 V자 장애물(211)에서 이 접촉이 난류 유동을 일으키게 된다. 두 부분으로 나누어진 유체는 둥근 채널 벽(220)을 향해서 흐르고, 제2 V자 장애물(213)에 의해 그 내부로 통과하도록 안내된다.

제2 V자 장애물(213)은 가운데가 끊어지고 양끝이 채널 벽(220)에 연결된 구조를 가지고 있기 때문이다. 제2 V자 장애물(213)의 가운데에 형성된 노즐 모양의 통로로 유체가 통과하며, 줄어든 유로의 단면적으로 인해 유체가 가속될 수 있다.

유체는 제3 V자 장애물(215)을 치고 다시 돌아오며, 다시 분할될 수 있다. 유체는 둥근 채널 벽(220)을 향해 흐르며, 제3 V자 장애물(215)의 끝 주변을 흐르게 된다.

도 4에 도시된 유선들은 믹싱 채널(200)의 우측 출구 부분에서 난류 유동을 보여준다. 유체가 대칭적인 두 흐름으로 나뉘면서, 이 유동의 충돌은 출구에서 발생된다. 이는 유체의 가속화와 혼합 공정에 의한 것이다.

도 4의 믹싱 채널(200)에서 두 유체가 시작 부분에서 층류 유동으로 흐르고 혼합공정에서는 접촉이 일어나는 경계구역에 오직 확산만 일어난다. 제1 V자 장애물(211)은 둥근 채널 벽(220)을 향해 두 유체들을 나누게 되며, 이후에 제2 V자 장애물(213)을 만나게 된다. 제2 V자 장애물(213)은 유체들이 노즐 모양의 통로를 통과하도록 하며, 이후에 난류 유동을 유도한다. 제2 V자 장애물(213)은 혼합의 전체 공정을 수행한다. 제2 V자 장애물(213)과 제3 V자 장애물(215) 사이에 이류(移流)가 나타나며, 효율적인 혼합이 이루어지게 한다. 제3 V자 장애물(215)은 유체들이 둥근 채널 벽(220)과 원뿔 형태의 출구를 향하도록 안내한다.

도 5의 믹싱 채널(300)은 제1 V자 장애물(310)과 제2 V자 장애물(320)이 여러번 반복 형성된 구조를 가지고 있다. 중앙이 막혀 있는 제1 V자 장애물(310)에 의해 유동이 양쪽 채널 벽으로 나뉘고, 중앙이 뚫려 있는 제2 V자 장애물(320)에 의해 양쪽 채널 벽에서의 유동이 중앙으로 집중되어 다음 장애물로 넘어간다. 이 과정에서 유체의 가속화와 혼합이 발생될 수 있다.

제1 V자 장애물(310)과 제2 V자 장애물(320)의 수를 결정함으로써, 하이드로젤과 경화제의 혼합에 따른 체류시간을 조절할 수 있게 된다.

다시 도 2를 참조하면, 본 실시예에서 하이드로젤의 유량과 경화제의 유량은 각각 제1 시린지 펌프(113)와 제2 시린지 펌프(123)에 의해 조절된다. 믹서(131) 내부로 유입되는 유량이 증가하면 그만큼 믹서(131) 내부에서 하이드로젤과 경화제의 체류시간이 짧아지게 된다. 너무 많은 유량의 유입은 하이드로젤이 겔화 되기 이전에 액체 상태로 노즐(133)을 통해 토출될 수 있어, 3차원 구조체 제작에 적합하지 않게 된다. 따라서, 제1 시린지 펌프(113)와 제2 시린지 펌프(123)를 이용하여 믹싱 채널(132)의 길이에 따라 입구에서 혼합된 하이드로젤과 경화제의 혼합물이 출구에서 겔화 직전 상태에 도달하는 체류시간을 가지도록 하는 유량이 유입되도록 할 수 있을 것이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 믹서가 결합된 3D 프린터를 이용한 세포지지체의 제작 모습을 나타낸 도면이고, 도 7은 종래 3D 프린팅 방법을 나타낸 도면이다.

하이드로젤은 조직공학에서 내부에 세포(cell)를 담는 3D 바이오 프린팅 기술과 피부 관련 의용학에 주로 사용되고 있다. 내부에 세포를 탑재하였을 때, 하이드로젤은 경화제와의 접촉이 길어질수록 세포생존능(cell viability)에 큰 영향을 미치게 된다.

세포지지체(scaffold)를 제작하는 종래 대표적인 방식으로, 도 7의 (a)에는 경화제 내에서 직접 3D 프린팅을 수행하는 방법이 도시되어 있고, 도 7의 (b)에는 경화제 미스트 분위기를 조성하여 직접 3D 프린팅하는 방법에 도시되어 있다. 이들 방법에 의하면 가장 처음에 적층된 재료와 나중에 적층된 재료가 경화제와 접촉하는 시간이 차이가 발생할 수 밖에 없는 문제점이 있다.

이에 비해, 도 6에 도시된 것과 같이 본 실시예에 따른 3D 프린터(100)를 이용하여 세포지지체(400)를 제작하게 되면, 하이드로젤과 경화제의 균일한 혼합을 위한 믹서(131)가 결합되어 있어 하이드로젤이 경화제와 접촉하는 시간이 일정한 상태로 적층이 이루어질 수 있어, 적층된 혼합물(가교 결합된 하이드로젤)의 모든 영역이 경화제의 접촉 시간이 같은 장점이 있다.

도 8은 본 실시예에 따른 믹서가 결합된 3D 프린터를 이용하여 제작된 세포지지체의 예시이다.

도 8의 (a)에 도시된 것과 같이 경화제가 균일하게 혼합되어 모든 영역에서 접촉시간이 동일한 히알루론산염으로 이루어진 세포지지체를 제작할 수 있다.

또는 도 8의 (b)에 도시된 것과 같이 경화제 뿐만 아니라 생장인자(growth factor)도 균일하게 혼합되어 모든 영역에서 고르게 분포된 히알루론산염으로 이루어진 세포지지체를 제작할 수도 있다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 하이드로젤 20: 경화제(cross linker)
30: 혼합물(cross linked hydrogel)
100: 3D 프린터 110: 하이드로젤 공급부
111: 제1 챔버 113: 제1 시린지 펌프
115: 제1 유입부 120: 경화제 공급부
121: 제2 챔버 123: 제2 시린지 펌프
125: 제2 유입부 130: 디스펜서
131: 믹서 132: 믹싱 채널
133: 노즐

Claims

졸 상태의 하이드로젤(hydrogel)을 공급하는 하이드로젤 공급부;
유체 상태의 경화제(cross linker)를 공급하는 경화제 공급부;
상기 하이드로젤 공급부와 상기 경화제 공급부로부터 각각 상기 하이드로젤과 상기 경화제가 유입되어 내부에 형성된 믹싱 채널을 따라 유동하면서 패시브(passive) 방식으로 혼합되는 믹서와, 상기 믹서에 의해 혼합된 혼합물이 토출되는 노즐이 구비된 디스펜서를 포함하되,
상기 하이드로젤의 종류에 따라 상기 노즐을 통해 토출되는 혼합물이 겔화(gelation) 직전의 가교 결합된 하이드로젤이 되도록 상기 믹싱 채널의 유로 길이 및 상기 하이드로젤 공급부와 상기 경화제 공급부에서 각각 공급되는 상기 하이드로젤과 상기 경화제의 유량 중 적어도 하나가 결정되고,
상기 믹싱 채널은 서로 다른 점성을 가지는 상기 하이드로젤과 상기 경화제가 균일하게 혼합이 이루어질 수 있도록 와류를 형성해주는 채널 패턴이 3D 프린팅 기술을 이용하여 맞춤형으로 설계된 마이크로 유체 채널(microfluidic channel)이며,
상기 믹싱 채널은, 디스크 모양의 채널 벽과, 입구에서 출구 쪽으로 뾰족한 V자 장애물을 포함하되,
상기 V자 장애물은, 상기 입구 측에 배치되며 가운데가 막히고 양끝이 상기 채널 벽에서 이격된 제1 V자 장애물과, 상기 제1 V자 장애물의 후방에 배치되며 가운데가 끊어지고 양끝이 상기 채널 벽에 연결된 제2 V자 장애물과, 상기 출구 측에 배치되며 가운데가 막히고 양끝이 상기 채널 벽에서 이격된 제3 V자 장애물을 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
졸 상태의 하이드로젤(hydrogel)을 공급하는 하이드로젤 공급부;
유체 상태의 경화제(cross linker)를 공급하는 경화제 공급부;
상기 하이드로젤 공급부와 상기 경화제 공급부로부터 각각 상기 하이드로젤과 상기 경화제가 유입되어 내부에 형성된 믹싱 채널을 따라 유동하면서 패시브(passive) 방식으로 혼합되는 믹서와, 상기 믹서에 의해 혼합된 혼합물이 토출되는 노즐이 구비된 디스펜서를 포함하되,
상기 하이드로젤의 종류에 따라 상기 노즐을 통해 토출되는 혼합물이 겔화(gelation) 직전의 가교 결합된 하이드로젤이 되도록 상기 믹싱 채널의 유로 길이 및 상기 하이드로젤 공급부와 상기 경화제 공급부에서 각각 공급되는 상기 하이드로젤과 상기 경화제의 유량 중 적어도 하나가 결정되고,
상기 믹싱 채널은 서로 다른 점성을 가지는 상기 하이드로젤과 상기 경화제가 균일하게 혼합이 이루어질 수 있도록 와류를 형성해주는 채널 패턴이 3D 프린팅 기술을 이용하여 맞춤형으로 설계된 마이크로 유체 채널(microfluidic channel)이며,
상기 믹싱 채널은 입구에서 출구 쪽으로 뾰족한 V자 장애물을 다수 개 포함하되,
상기 V자 장애물은, 상기 입구 측에 배치되며 가운데가 막히고 양끝이 상기 채널 벽에서 이격된 제1 V자 장애물과, 상기 제1 V자 장애물의 후방에 배치되며 가운데가 끊어지고 양끝이 상기 채널 벽에 연결된 제2 V자 장애물이 반복적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
졸 상태의 하이드로젤(hydrogel)을 공급하는 하이드로젤 공급부;
유체 상태의 경화제(cross linker)를 공급하는 경화제 공급부;
상기 하이드로젤 공급부와 상기 경화제 공급부로부터 각각 상기 하이드로젤과 상기 경화제가 유입되어 내부에 형성된 믹싱 채널을 따라 유동하면서 패시브(passive) 방식으로 혼합되는 믹서와, 상기 믹서에 의해 혼합된 혼합물이 토출되는 노즐이 구비된 디스펜서를 포함하되,
상기 하이드로젤의 종류에 따라 상기 노즐을 통해 토출되는 혼합물이 겔화(gelation) 직전의 가교 결합된 하이드로젤이 되도록 상기 믹싱 채널의 유로 길이 및 상기 하이드로젤 공급부와 상기 경화제 공급부에서 각각 공급되는 상기 하이드로젤과 상기 경화제의 유량 중 적어도 하나가 결정되고,
상기 믹싱 채널은 서로 다른 점성을 가지는 상기 하이드로젤과 상기 경화제가 균일하게 혼합이 이루어질 수 있도록 와류를 형성해주는 채널 패턴이 3D 프린팅 기술을 이용하여 맞춤형으로 설계된 마이크로 유체 채널(microfluidic channel)이며,
상기 믹싱 채널은 지그재그 패턴을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하이드로젤은 알긴산염, 히알루론산, 콜라겐 중 하나이고, 상기 경화제는 염화칼슘(CaCl2), 폴리에틸렌글리콜(PEG), 헤페스(HEPES) 중 하나인 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하이드로젤 공급부와 상기 경화제 공급부는 각각 상기 하이드로젤과 상기 경화제를 보관하는 챔버와, 상기 챔버의 내부에 압력을 가하는 시린지 펌프와, 상기 믹서와 상기 챔버 사이에 연결되는 유입부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린터.
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제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 3D 프린터에 의해 겔화 직전의 가교 결합된 하이드로젤이 가압 토출되어 적층되면서 경화됨으로써 제작되는 세포 지지체.