KR101828345B1 - 바이오 3차원 프린터 - Google Patents

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KR101828345B1
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Abstract

본 발명은 바이오 3차원 프린터에 관한 것이다. 본 발명에 의한 바이오 3차원 프린터는, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부에 작업공간이 마련된 케이스; 상기 케이스 내부에 설치되고 전후좌우 슬라이딩 이동되는 출력판; 상기 케이스 내부에 설치되고 고체 상태의 바이오재료를 상기 출력판에 토출하는 제1 노즐; 상기 케이스 내부에 설치되고 유체 상태의 바이오재료를 상기 출력판에 토출하는 제2 노즐; 및 상기 제1 노즐 및 상기 제2 노즐의 토출을 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 제1 노즐과 상기 제2 노즐을 사용하여 고체 상태의 바이오재료와 유체 상태의 바이오재료를 적층시켜 하나의 구조물로 출력된다.

Description

바이오 3차원 프린터{BIO 3D PRINTER}
본 발명은 바이오 3차원 프린터에 관한 것으로 구체적으로는 고체 상태의 바이오재료와 액체 상태의 바이오재료를 적층시켜 하나의 구조물로 출력할 수 있는 바이오 3차원 프린터에 관한 것이다.
최근 조직공학과 재생의학의 연구분야 및 맞춤의료서비스에 대한 수요 증가에 따라 바이오재료를 이용한 3차원 프린터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
3차원 프린터는 xzy 축을 구성하는 프레임과, 바이오재료의 토출을 위한 디스펜서(dispense) 형태의 노즐을 포함한다. 이러한 종래의 3차원 프린터는 노즐에 콜라겐, 젤라틴 등과 같은 점성이 있는 유체 형태의 바이오재료를 채워 넣는다. 유체 형태의 바이오재료가 채워진 노즐에 공압 시스템을 연결하여 바이오재료를 밀어내면서 토출하는 방식을 사용하였다.
그러나 상기와 같은 토출 방식은 바이오재료가 유체 형태가 아닌 경우(예: 파우더, 펠렛알갱이 등 고체) 노즐을 고온으로 가열하여 바이오재료를 유체형태로 변환한 후 토출해야한다. 따라서 유체 바이오재료와 고체 바이오재료를 함께 사용하기 위해서는 노즐을 가열 후 식히는 과정이 반복되므로 노즐의 과부하로 인한 문제점이 발생할 수 있었다.
또한, 온도 환경에 민감한 바이오재료에 경우 토출 후 일정 시간의 간격을 두고 굳어야 하는데 온도 환경이 맞지 않아 토출 후 바로 굳는 문제점이 있었다.
본 발명은 유체 형태의 바이오재료와 고체 상태의 바이오재료를 함께 사용하여 하나의 구조물로 출력할 수 있는 바이오 3차원 프린터를 제공하기 위한 것이다.
또한, 바이오재료를 토출하는 노즐과 구조물이 적층되는 출력판의 온도를 조절할 수 있는 바이오 3차원 프린터를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 목적은 여기에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 바이오 3차원 프린터를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 내부에 작업공간이 마련된 케이스; 상기 케이스 내부에 설치되고 전후좌우 슬라이딩 이동되는 출력판; 상기 케이스 내부에 설치되고 고체 상태의 바이오재료를 상기 출력판에 토출하는 제1 노즐; 상기 케이스 내부에 설치되고 유체 상태의 바이오재료를 상기 출력판에 토출하는 제2 노즐; 및 상기 제1 노즐 및 상기 제2 노즐의 토출을 제어하는 제어부;를 포함하되, 상기 제1 노즐과 상기 제2 노즐을 사용하여 고체 상태의 바이오재료와 유체 상태의 바이오재료를 적층시켜 하나의 구조물로 출력된다.
일 실시예에 따르면, 상기 케이스에 연결되어 상기 출력판 및 상기 제2 노즐 중 적어도 하나의 온도를 조절하는 온도조절부를 더 포함하되, 상기 제어부는 상기 온도조절부를 제어한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 온도조절부를 통해 상기 출력판 및 상기 제2 노즐의 온도를 독립적으로 제어 가능하게 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 제1 노즐 및 상기 제2 노즐을 독립적으로 제어 가능하게 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 제어부는, 유체 상태의 상기 바이오재료를 단계적으로 토출하도록 상기 제2 노즐을 제어하되, 상기 단계적 토출은 제2 노즐과 연결된 스텝모터에 의해 이루어진다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2 노즐의 외부를 감싸며, 상기 제2 노즐을 단열시키는 단열커버를 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 온도조절부는, 냉각수를 보관하는 수조; 일면의 온도가 상승할수록 타면은 온도가 낮아지는 펠티어부재; 및 상기 출력판과 상기 제2 노즐의 온도를 높이는 히팅부재;를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 온도조절부는, 상기 냉각수를 상기 펠티어부재와 접촉시키는 이송부재; 및 상기 냉각수를 이송시키는 펌프;를 더 포함하되, 상기 펠티어부재는, 상기 출력판과 상기 제2 노즐에 각각 부착되어 상기 출력판과 상기 제2 노즐의 온도를 낮춘다.
일 실시예에 따르면, 상기 케이스는, 상기 작업공간을 개방 또는 밀폐시키는 도어가 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 케이스 내부에는, 상기 작업공간을 정화하는 정화부재가 구비된다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 유체 형태의 바이오재료와 고체 상태의 바이오재료를 함께 사용하여 하나의 구조물로 출력할 수 있는 효과가 있다.
또한, 바이오재료를 토출하는 노즐과 구조물이 적층되는 출력판의 온도를 조절하여 외부는 고체이고 내부는 유체 상태인 구조물을 제조할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 바이오 3차원 프린터를 보여주는 사시도이다.
도 2는 본 발명에 의한 바이오 3차원 프린터를 보여주는 정면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 제1 노즐 및 제2 노즐을 보여주는 사시도이다.
도 4는 도 1에 도시된 스테이지유닛의 이동 구조를 보여주는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 정화부재 및 환풍부재를 보여주는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 온도조절부를 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해 과장된 것이다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 바이오 3차원 프린터(100)를 보여주는 사시도이고, 도 2는 본 발명에 의한 바이오 3차원 프린터(100)를 보여주는 정면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 의한 바이오 3차원 프린터(100)는, 케이스(110)와, 스테이지유닛(120)와, 제1 노즐(130)과, 제2 노즐(140)과, 제어부(150)와, 그리고 온도조절부(160)를 포함한다.
케이스(110)는 내부에 작업공간이 마련된 원통 형상으로 제공될 수 있다. 케이스(110)는 작업공간을 개방 또는 밀폐시키는 도어(111)가 제공될 수 있다. 작업공간에는 케이스(110) 내부의 온도가 표시되는 온도계(113)가 구비될 수 있다.
스테이지유닛(120)는 전후좌우 슬라이딩 가능하게 제공된다. 도 4는 도 1에 도시된 스테이지유닛(120)의 이동 구조를 보여주는 사시도이다. 도 4를 참조하면, 스테이지유닛(120)는 출력판(121), 결합부재(122), 전후가이드부재(123), 그리고 좌우가이드부재(124)를 구비한다. 결합부재(122)는 케이스(110) 하부에 위치하며, 출력판(121)과 결합고정된다. 전후가이드부재(123)는 결합부재(122)와 연결되어 출력판(121)의 전후 슬라이딩이 가능하게 제공된다. 좌우가이드부재(124)는 전후가이드부재(123)와 연결되어 출력판(121)의 좌우 슬라이딩이 가능하게 제공된다.
제1 노즐(130)은 고체 상태의 바이오재료(1)를 출력판(121)에 토출한다. 고체 바이오재료(1)는 필라멘트(단면이 원형인 와이어) 타입의 고분자 바이오재료일 수 있다. 제1 노즐(130)은 케이스(110) 내부의 작업공간에 설치된다.
도 3은 도 1에 도시된 제1 노즐(130) 및 제2 노즐(140)을 보여주는 사시도이다. 도 3을 참조하면, 제1 노즐(130)은 유입구(131)와 토출구(132)를 포함한다. 유입구(131)는 제1 노즐(130) 상부에 구비되어 고체 바이오재료(1)가 투입된다. 토출구(132)는 유입구(131)를 통해 투입된 고체 바이오재료(1)를 압출하여 토출한다. 제1 노즐(130)의 압출시 과부하를 방지하기 위해 제1 노즐(130) 일측에는 팬(133)이 제공될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 노즐(130)을 통해 토출되는 고체 바이오재료(1)는 평상시에는 작업공간 일측에 구비된 권취부재(134)에 권취되어 보관되고, 사용시 가이드부재(135)를 관통하여 고체 바이오재료(1)가 이탈되지 않도록 한 후 유입구(131)에 투입된다.
제1 노즐(130)은 익스트루더(extruder) 노즐로 제공될 수 있다. 일예로, 익스트루더 노즐의 토출구 사이즈는 0.2~0.4mm로 제공될 수 있다. 제1 노즐(130)의 압출 방식은 열가소성 수지 압출 적층 방식(Fused Filament Fabrication)이 사용될 수 있다.
제2 노즐(140)은 유체 상태의 바이오재료를 출력판(121)에 토출한다. 제2 노즐(140)은 디스펜서(dispense) 노즐로 제공될 수 있다.
제2 노즐(140)은 케이스(110) 내부의 작업공간에 설치된다. 도 3을 참조하면, 제2 노즐(140)은 하우징(141), 단열커버(142), 그리고 스텝모터(143)를 포함한다. 하우징(141)에는 유체 상태의 바이오재료가 저장된다. 하우징(141)은 주사기 형태로 제공될 수 있다.
단열커버(142)는 하우징(141)의 외부를 감싸며, 온도 변화에 민감한 유체 상태의 바이오재료를 외부로부터 단열시킨다.
스텝모터(143)는 전기적 신호 제어에 따라 하우징(141)을 상부에서 하부로 밀어내어 유체 상태의 바이오재료를 토출시킨다. 스텝모터(143)는 분해능(최소한의 전기적 신호로 이동하는 거리)으로 1.5 micron 이동 가능하다. 따라서 유체 상태의 바이오재료를 1.5 micron 단위로 단계적으로 토출 할 수 있다. 일예로, 디스펜서 노즐의 토출구 사이즈는 0.05~0.8mm로 제공될 수 있다. 이에 따라, 하이드로젤과 같은 겔 형태의 유체 바이오재료를 1.5 micron 단위로 토출 할 수 있다.
제2 노즐(140) 하부에는 광원모듈(116)이 설치될 수 있다. 광원모듈(116)은 광경화성 유체 상태의 바이오재료를 경화 시키기 위해 자외선 파장을 발생시킬 수 있다. 일 예로, 제2 노즐(140)에서 광경화성 유체 상태의 바이오재료가 토출되면 광원모듈(116)을 이용하여 유체 상태의 바이오재료를 토출과 동시에 경화시킬 수 있다. 이에 따라, 광원모듈(116)은 토출된 유체 상태의 바이오재료가 무너지지 않도록 할수 있다.
제어부(150)는 제1 노즐(130) 및 제2 노즐(140)의 토출을 제어한다. 일 예로, 제1 노즐(130)은 고체 바이오재료(1)로 구조물의 외부를 경조직으로 토출하고, 제2 노즐(140)은 액체 상태의 바이오재료로 구조물의 내부를 채운다. 따라서, 구조물은 코어셀(core-shell) 구조로 적층이 가능하다. 즉, 고체와 액체 상태의 바이오재료를 함께 사용하여 하나의 구조물로 혼합 적층이 가능하다. 제어부(150)는 후술하는 온도조절부(160)를 제어한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 정화부재(112) 및 환풍부재(115)를 보여주는 사시도이다. 도 5를 참조하면, 케이스(110)의 작업공간 상부에는 적어도 하나 이상의 살균용 정화부재(112)가 설치될 수 있다. 또한, 케이스(110)의 작업공간 상부에는 작업공간의 내부 공기를 순환시키는 환풍부재(115)가 설치될 수 있다. 정화부재(112)는 살균용 UV 램프로 제공될 수 있다. 정화부재(112)는 작업공간 상부에 다수개 설치될 수 있다. 정화부재(112)는 작업공간의 유해한 미생물 등을 살균한다. 환풍부재(115)는 작업공간에 유입되는 공기의 청정화를 유지하고 작업공간에서 외부로 유해한 미생물이 방출되지 않도록 제공된다. 환풍부재(115)는 헤파필터(Hepa Filter)로 제공될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 온도조절부(160)를 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 온도조절부(160)는 온도조절부 케이스(161)와, 수조(162)와, 펠티어부재(163)와, 히팅부재(164)와, 그리고 열전도판(167)을 포함한다. 온도조절부(160)는 케이스(110)에 연결되어 출력판(121) 및 제2 노즐(140) 중 적어도 하나 이상의 온도를 조절한다. 이러한 온도조절부(160)는 제어부(150)를 통해 제어된다.
온도조절부 케이스(161)는 내부 공간을 제공한다. 온도조절부 케이스(161)는 금속재질로 형성될 수 있다. 일 예로, 알류미늄으로 형성될 수 있다.
수조(162)는 냉각수를 보관할 수 있다. 수조(162)는 온도조절부 케이스(161) 내부에 제공된다.
펠티어부재(163)는 출력판(121)과 제2 노즐(140)의 온도를 낮출 수 있다. 일 예로, 제어부(150)를 이용하여 출력판(121)과 제2 노즐(140)의 온도를 -10도까지 낮출 수 있다. 펠티어부재(163)는 전원공급장치(SMPS)로부터 전원을 공급받아 일면의 온도가 상승하면 타면의 온도는 낮아진다. 펠티어부재(163)는 출력판(121)과 제2 노즐(140)의 일측에 각각 부착된다. 출력판(121)과 제2 노즐(140)과 접촉하는 각각의 펠티어부재(163)의 단면은 타면이다.
히팅부재(164)는 출력판(121)의 일측에 부착된다. 또한, 히팅부재(164)는 제2 노즐(140)의 일측에 부착된다. 이와 같이, 히팅부재(164)는 한쌍으로 제공될 수 있다. 히팅부재(164)는 전원공급장치(SMPS)로부터 전원을 공급받아 출력판(121)과 제2 노즐(140)의 온도를 높일 수 있다. 일 예로, 제어부(150)를 이용하여 출력판(121)과 제2 노즐(140)의 온도를 80도까지 높일수 있다.
열전도판(167)은 펠티어부재(163) 및 히팅부재(164)에 각각 부착된다. 각각의 열전도판(167)은 펠티어부재(163) 및 히팅부재(164)에서 발생되는 열에너지를 출력판(121) 및 제2 노즐(140)에 전달한다. 각각의 열전도판(167)은 열전달율을 높이기 위해 출력판(121) 및 제2 노즐(140)에 접촉되는 면접이 넓은 것이 바람직하다.
온도조절부(160)는 이송부재(165)와 펌프(166) 및 라디에이터를 포함한다.
이송부재(165)는 냉각수를 펠티어부재(163) 및 히팅부재(164)에 이송시킬 수 있다. 이때, 펌프(166) 및 라디에이터는 이송되는 냉각수의 속도를 조절할 수 있다.
제2 노즐(140)과 펠티어부재(163) 사이에는 열전도고정부재(124)가 구비될수 있다. 열전도고정부재(124)는 제2 노즐(140)을 케이스(110) 일측에 고정시킬 수 있다. 열전도고정부재(124)는 온도조절부(160)에서 전달되는 열에너지를 제2 노즐(140)로 전달할 수 있다.
아래에서는, 상술한 바이오 3차원 프린터(100)를 이용하여 유체 상태의 바이오재료를 3차원 구조물로 적층하는 방법을 설명한다.
상온에서 유체 상태를 유지하고 설정 온도 범위에서만 경화되는 바이오재료 "A"가 있다. "A"를 이용하여 3차원 구조물을 적층하기 위해, 온도조절부(160)를 이용하여 "A"가 주입되는 제2 노즐(140)의 온도를 상온으로 유지한다. 온도조절부(160)를 이용하여 출력판(121)의 온도를 상기 특정 온도로 유지한다. 제2 노즐(140)에 주입된 바이오재료 "A"를 설정 온도 범위의 출력판(121)에 토출한다. 유체 상태의 바이오재료 "A"는 토출되면서 출력판(121) 상에서 경화되므로, 3차원 구조물 적층이 가능하다. 이와 같이 설정 온도 범위에서 경화 또는 유체화되는 바이오재료를 3차원 구조물로 적층할 수 있다.
이와 같이, 온도 조절이 가능한 출력판(121) 및 제2 노즐(140)을 사용함으로써, 설정 온도 범위에서 경화 또는 유체화되는 다양한 바이오재료를 3차원 구조물의 재료로 사용할 수 있다.
사용자의 편의성을 위해 제2 노즐(140) 및 출력판(121)의 온도를 조절하는 기능은 케이스(110) 상부에 구비된 터치스크린(114)을 통해 온도를 설정할 수도 있다. 또한, 안드로이드 기반의 모바일 단말과 연결되어 원격 컨트롤 또한 가능하다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한, 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 저술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 전술한 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한, 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
1 : 고체 바이오재료
100 : 바이오 3차원 프린터
110 : 케이스
111 : 도어 112 : 정화부재
113 : 온도계 114 : 터치스크린
115 : 환풍부재 116 : 광원모듈
120 : 스테이지유닛
121 : 출력판 122 : 결합부재
123 : 전후가이드부재 124 : 좌우가이드부재
125 : 열전도고정부재
130 : 제1 노즐
131 : 유입구 132 : 토출구
133 : 팬 134 : 권취부재
135 : 가이드부재
140 : 제2 노즐
141 : 하우징 142 : 단열커버
143 : 스텝모터
150 : 제어부
160 : 온도조절부
161 : 온도조절부 케이스 162 : 수조
163 : 펠티어부재 164 : 히팅부재
165 : 이송부재 166 : 펌프
167 : 열전도판

Claims (10)

  1. 내부에 작업공간이 마련된 케이스;
    상기 케이스 내부에 설치되고 전후좌우 슬라이딩 이동되는 출력판이 구비되는 스테이지유닛;
    상기 케이스 내부에 설치되고 고체 상태의 바이오재료를 상기 출력판에 토출하는 제1 노즐;
    상기 케이스 내부에 설치되고 유체 상태의 바이오재료를 상기 출력판에 토출하는 제2 노즐;
    상기 제1 노즐 및 상기 제2 노즐의 토출을 제어하는 제어부; 및
    상기 케이스에 연결되어 상기 출력판 및 상기 제2 노즐 중 적어도 하나의 온도를 조절하는 온도조절부;를 포함하고,
    상기 온도조절부는,
    냉각수를 보관하는 수조;
    일면의 온도가 상승할수록 타면은 온도가 낮아지는 펠티어부재; 및
    상기 출력판과 상기 제2 노즐의 온도를 높이는 히팅부재;를 포함하며,
    상기 제1 노즐과 상기 제2 노즐을 사용하여 고체 상태의 바이오재료와 유체 상태의 바이오재료를 적층시켜 하나의 구조물로 출력하는 바이오 3차원 프린터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 온도조절부를 제어하는 바이오 3차원 프린터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 온도조절부를 통해 상기 출력판 및 상기 제2 노즐의 온도를 독립적으로 제어 가능하게 제공되는 바이오 3차원 프린터.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 제1 노즐 및 상기 제2 노즐을 독립적으로 제어 가능하게 제공되는 바이오 3차원 프린터.
  5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 제어부는,
    유체 상태의 상기 바이오재료를 단계적으로 토출하도록 상기 제2 노즐을 제어하되,
    상기 단계적 토출은 제2 노즐과 연결된 스텝모터에 의해 이루어지는 바이오 3차원 프린터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제2 노즐의 외부를 감싸며, 상기 제2 노즐을 단열시키는 단열커버를 더 포함하는 바이오 3차원 프린터.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 온도조절부는,
    상기 냉각수를 상기 펠티어부재와 접촉시키는 이송부재; 및
    상기 냉각수를 이송시키는 펌프;를 더 포함하되,
    상기 펠티어부재는,
    상기 출력판과 상기 제2 노즐에 각각 부착되어 상기 출력판과 상기 제2 노즐의 온도를 낮추는 바이오 3차원 프린터.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 케이스는,
    상기 작업공간을 개방 또는 밀폐시키는 도어를 제공하는 바이오 3차원 프린터.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 케이스 내부에는,
    상기 작업공간을 정화하는 정화부재가 구비되는 바이오 3차원 프린터.
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