KR101957415B1 - 3d 프린팅용 조성물 및 이를 이용한 3d 프린팅 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 바이오 잉크를 이용한 3D 프린팅 방법은 슬러리 상태의 지지체를 준비하는 단계, 상기 지지체 내부에 구조체 조성물(바이오 잉크)을 적층시키는 단계, 상기 지지체 및 구조체의 환경 조건을 제어하는 단계 및 상기 지지체를 제거하거나 상기 구조체를 배출하는 단계를 포함하며, 상기 환경 조건을 제어하는 단계는 온도 내지 압력을 제어하는 단계를 포함하고, 상기 지지체는 서스펜션 상태로서 겔, 하이드로겔, 알지네이트, 젤라틴, 콜라겐, 젤란 검, 피브린, 셀룰로오스, PLA, PEG, PVA, PLLA, PLGA 및 PCL 중 어느 하나 이상으로 마련되는 것을 특징으로 한다.

Description

3D 프린팅용 조성물 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법{Composition for 3D printing and 3D printing method using the same}

본 발명은 3D 프린팅용 조성물 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서스펜션을 이용한 바이오 프린팅 방법에서 구조체의 물리적 경화 방식을 이용함으로써 정교하고 세포적합성이 뛰어난 바이오 구조체를 얻을 수 있는 3D 프린팅용 조성물 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.

3D 프린팅은 우수한 생산 기술 중 하나로 활용되고 있으며, 개인 맞춤형 생산 시대를 열어 각종 소재, 부품, 장치 등의 출력과 의료, 바이오 등 신 사업 영역에서도 정밀 가공 기술로 부상하고 있다. 일반적인 프린터가 입력된 사진이나 문서에 따라 잉크를 분사하듯, 3D프린터는 디지털화된 3차원 제품 디자인을 2차원 단면으로 연속적으로 재구성하여 소재를 한 층씩 인쇄하면서 적층한다. 즉, 재료를 직접 짜르거나 깎는 방식의 전통적인 생산방식을 절삭가공이라 하는 반면 3D 프린팅은 새로운 층을 층층이 쌓는 방식이기 때문에 적층 가공 이라고 하기도 한다.

3D 프린터가 개발되고 대부분의 프린팅 원리는 액체 상태에서 빛을 받으면 굳어지는 성질 즉, 광경화성의 수지(플라스틱)를 사용하여 제품의 단면을 인쇄/적층하는 광 조형법으로 시제품을 생산한다. 또한, 금속분말에 레이저를 조사하거나 플라스틱을 녹여 단면을 직접 인쇄하는 등 다양한 방법으로 3D 프린팅 기술이 등장하고 있다.

또한, 3D 프린팅 기술이 단순한 시제품이나 부품의 제조 영역을 넘어 인간의 장기, 생명체의 조직 등의 출력을 위한 생체재료 및 생채적합성재료의 출력물을 얻기 위해 개발되고 있으며, 실제로 바이오 잉크 등의 재료를 사용하는 바이오 프린팅을 통해 사용자가 요구하는 출력물을 얻고 있다.

바이오 프린팅은 세포-함유 매체의 분배를 필요로 하기 때문에, 바이오 프린팅에서는 소재의 세포적합성(cytocompatible)이 중요하다. 이를 위해 젤라틴, 젤라틴/키토산, 젤라틴/알지네이트, 젤라틴/피프로넥틴, 루트롤 F127(Lutrol F127)/알지네이트, 및 알지네이트 등의 재료를 사용한 하이드로겔이 바이오 프린팅에 사용되고 있다. 바이오 프린팅에 사용되는 상기 하이드로겔 또는 하이드로겔과 세포의 혼합물 등은 '바이오 잉크(bioink)'로도 지칭된다.

그런데, 바이오 프린팅에서는 세포의 배양이나 출력을 하는 경우 이물질이나 세균으로부터의 오염을 방지하는 것이 중요하며, 나아가 인체에 적용될 수 있도록 바이오 구조체의 정교함과 세밀함을 만족하고 또한, 세포 독성이나 세포적합성을 충분히 만족하는 구조물을 성형하는 것이 중요하다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 프린팅 시 이물질의 발생 내지 유입을 최소화 하기 위한 링크구조의 바이오 프린터가 본 출원인에 의해 출원되기도 하였으며, 서스펜션(슬러리)을 지지체로 이용하여 지지체 내에 구조체를 프린팅하는 서스펜션 방식의 3d 프린팅 기술도 제시되고 있다.

그러나, 이러한 기술은 형태 구현의 어려움(연질소재)이 있으며 소재 자체의 안전성에 대한 추가 검증이 필요하고, 구조체 내의 세포 함량이 상대적으로 낮다는 문제점이 있다. 또한, 세밀한 형태의 구현이 어렵고 일부 서스펜션 방식의 프린팅 방법의 경우에는 지지체(슬러리) 내에서만 형태를 유지할 수 있거나, 구조체를 형성하는 조성물이 생체 적합성 내지 세포 적합성을 만족하지 못하는 문제점이 있다.

공개번호 제10-2015-0077649호(2015.07.08. 공개)

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 바이오 구조체 성형을 위한 3D 프린팅용 조성물 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법을 이용하여 정교하고 세포적합성이 우수한 바이오 구조체를 성형하려는 것이다.

본 발명에 따른 바이오 잉크를 이용한 3D 프린팅 방법은 슬러리 상태의 지지체를 준비하는 단계, 상기 지지체 내부에 구조체 조성물(바이오 잉크)을 적층시키는 단계, 상기 지지체 및 구조체의 환경 조건을 제어하는 단계 및 상기 지지체를 제거하거나 성형된 상기 구조체를 배출하는 단계를 포함하며, 상기 환경 조건을 제어하는 단계; 는 온도 내지 압력을 제어하는 단계를 포함하고, 상기 지지체는 서스펜션 상태로서 겔, 하이드로겔, 알지네이트, 젤라틴, 콜라겐, 젤란 검, 피브린, 셀룰로오스, PLA, PEG, PVA, PLLA, PLGA 및 PCL 중 어느 하나 이상으로 마련되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구조체 조성물은 열 경화성 소재를 사용하고 상기 지지체는 열 가소성 소재를 사용함으로써 상기 구조체를 성형한 후 상기 환경 조건을 섭씨 35도 내지 40도로 승온시켜 상기 구조체를 경화시키며, 상기 환경 조건 및 구조체의 경화 정도를 센싱하기 위해 상기 구조체 조성물 내지 상기 지지체 및 보울에 감온 소재 내지 온도 센서를 마련하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구조체 조성물은 겔, 하이드로겔, 알지네이트, 젤라틴, 콜라겐, Pluronic acid, 젤란 검, 피브린, 셀룰로오스, PLA, PEG, PVA, PLLA, PLGA, PCL 및 빙햄 플라스틱 중 어느 하나 이상으로 마련되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구조체 조성물은 콜라겐을 사용하되 섭씨 10도 내지 20도에서 pre-gelation이 발생하고, 섭씨 35도 내지 40도에서 완전 gelation(겔화, 경화) 되는 열 경화성 소재를 사용하며, 출력 노즐에서 토출이 용이하도록 상기 출력 노즐에서의 전단율(shear rate)을 참고하여 상기 구조체 조성물의 점도 및 표면장력을 선택 및 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구조체 조성물은 가교제 및 보강재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구조체 조성물은 콜라겐을 사용하되, 염기성 용액이나 완충 용액이 포함된 지지체에 출력하여 gelation 시키며, 상기 염기성 용액의 산도는 pH 7.0 내지 7.5로 마련되고, 상기 완충 용액은 HEPES, BES, TES 내지 MOPS 중 어느 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지지체는 상기 구조체의 겔화(gelation) 이후, 소정 범위 이내의 pH 변화에 따라 제거되며, 상기 지지체로는 빙햄 플라스틱 모델에 따른 카보머(carbomer)인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 환경 조건을 제어하기 이전에는, 상기 지지체 및 구조체 조성물은 섭씨 20도 내지 25도에서 마련하고, 상기 지지체 내부에 상기 구조체 조성물을 성형한 후 섭씨 35도 내지 40도로 승온하여 상기 구조체를 물리적 경화시키되, 승온의 과정을 단계별로 설정하거나 상기 구조체의 종류에 따라 선택적으로 제어함으로써 세포손상을 최소화 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따라 3D 프린팅 방법에 사용되는 구조체 조성물에 있어서, 콜라겐 및 세포를 포함하고, 섭씨 10도 내지 20도에서 pre-gelation이 발생하고, 섭씨 35도 내지 40도에서 완전 gelation(겔화, 경화) 되는 것을 특징으로 한다.

또한, Pluronic acid 을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 Pluronic acid 의 구조식은,

인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구조체 조성물은 압력의 증가에 따라 점도가 감소하는 빙햄 플라스틱 모델의 소재를 이용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구조체의 경화 정도 내지 환경 조건을 센싱하기 위해 세포 독성 및 생체 적합성을 만족시키는 감온 소재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 3D 프린팅용 조성물 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법은 가장 적합한 성능의 조성물을 사용하고 물리적 경화를 이용하여 구조체를 완성함으로써 정교하고 세포적합성이 우수한 바이오 구조체를 얻을 수 있도록 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 바이오 구조체의 성형 방법에 관한 설명도,
도 2는 본 발명에 따른 바이오 구조체의 3D 프린팅 방법에 관한 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법 및 조성물에 대한 설명도,
도 4a, 4b, 4c, 4d 및 4e는 본 발명에 따라 물리적 경화를 이용하여 바이오 구조체를 완성하는 과정을 설명하는 설명도,
도 5는 본 발명에 따른 구조체의 조성물의 열경화에 따른 실험결과를 보여주는 사진,
도 6은 본 발명에 따른 구조체 조성물의 세포를 배양한 결과를 보여주는 사진,
도 7a, 7b 및 7c는 본 발명에 따른 구조체 조성물의 일 실시예에 관한 설명도,
도 8은 본 발명에 따른 조성물 및 프린팅 방법에 따라 성형과정의 일부를 보여주는 사진,
도 9는 본 발명에 따른 조성물 및 프린팅 방법에 따라 바이오 구조체를 성형한 결과를 보여주는 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 방법 및 조성물에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시 할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이도록 한다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 생체재료 또는 생채적합성 재료를 이용하는 3D 프린팅은 바이오 잉크 즉, 줄기세포, 조직세포 내지 단백질을 포함하는 재료를 출력하며 적층 성형 함으로써 목적물이 형성된다. 따라서, 상기 생체재료가 출력되고 다시 그 위에 적층되는 일반적인 3D 프린팅 방식을 이용하여 3차원의 목적물 에컨대, 코, 귀, 심장 등의 생체재료를 이용한 목적물을 제작하는 것이다.

일반적으로 상기 생체재료를 출력하기 위해서는 노즐이 마련된 주사기와 같은 형태의 저장공간에 상기 생체재료를 수용하고 외부에서 압력을 가하여 상기 노즐을 통해 생체재료가 출력되도록 하며, 경우에 따라서는 별도의 압력 조절장치가 마련되어 출력의 양 내지 출력의 속도를 제어할 수도 있다.

도 2는 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법의 순서도로서 슬러리 상태의 지지체(100)를 준비하는 단계(S100), 상기 지지체(100) 내부에 구조체 조성물(310, 바이오 잉크)을 적층시키는 단계(S200), 상기 지지체(100) 및 구조체(300)의 환경 조건을 제어하는 단계(S300), 상기 구조체를 성형하는 단계(S400) 및 상기 지지체(100)를 제거(S500)하거나 성형된 상기 구조체를 배출하는 단계(S600)를 포함한다.

본 발명에 따른 3D 프린팅 방법은 출력노즐(210)을 기존의 테이블 내지 베드에 적층하는 것이 아니라 물리적 유동성을 갖는 지지체(100)의 내부에 적층하는 방식이며, 상기 지지체(100)는 슬러리 형태 내지 서스펜션의 형태를 말한다.

슬러리(slurry)란 고체와 액체의 혼합물 또는 미세한 고체입자가 물 속에 현탁(懸濁)됨으로써 현탁 물질을 함유하여 유동성이 적은 액체상태를 말하며, 서스펜션(suspension)은 액체 속에 고체의 미립자가 분산되어 있는 것으로, 이 때 미립자의 크기는 0.1∼10μ정도를 말한다. 또한, 빙햄 플라스틱 모델에 따른 지지체(100)의 경우 미립자의 크기는 0.1 내지 300 마이크로미터로 마련될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법은, 유동성은 있으나 일정 크기 이상의 강도를 가지는 지지체(100) 내부에 구조체 조성물(310)을 적층함으로써 외부로부터의 오염을 방지하고 세포 독성 및 세포 적합성과 같은 바이오 구조체(300) 만이 요구하는 특성을 반영한 3D 프린팅 방법인 것이다.

본 발명은 우수한 성능의 구조체 조성물(310)을 사용하고, 이에 맞는 환경 조건을 제어함으로써 세포 독성 및 세포 적합성을 만족하는 바이오 구조체(300)를 얻는다.

이에 따라 상기 환경 조건을 제어하는 단계(S300)는 온도 내지 압력을 제어하는 단계를 포함한다. 특히, 본 발명에 따른 구조체 조성물(310)은 열 경화성 소재를 사용함으로써 상기 환경 조건 중 온도에 대한 조건이 중요하다. 상기 온도는 인체의 체온과 유사한 온도로써 섭씨 35도 내지 40도의 조건을 부여한다.

또한, 압력에 대한 조건도 설정이 가능하며, 이때 상기 구조체 조성물(310)은 압력 조건에 반응하는 소재를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 빙햄 플라스틱 모델의 조건을 만족하는 소재가 사용될 수 있다.

상기 지지체(100)는 서스펜션 상태로서 겔, 하이드로겔, 알지네이트, 젤라틴, 콜라겐, 젤란 검, 피브린, 셀룰로오스, PLA, PEG, PVA, PLLA, PLGA 및 PCL 중 어느 하나 이상으로 마련될 수 있다. 이러한 소재들은 상기 구조체 조성물(310)에도 함께 사용될 수 있으며, 나아가 바이오 구조체로 활용될 수 있도록 FDA 승인과 같은 일정 요건을 만족해야 한다.

상기 구조체 조성물(310)이 출력부(200) 내지 출력 노즐(210)로부터 배출되어 적층되는 원리는 종래 델타형 프린터, 링크구조 프린터 내지 다양한 방식의 3D 프린터의 방법에 적용될 수 있으며, 바람직하게는 본 출원인이 출원한 관절구조의 프린터가 활용될 수 있다.

즉, 아암을 이동시키고 상기 아암과 힌지 연결된 출력헤드가 이동하면서 출력물을 제작하는 것이다. 상기 아암과 출력헤드 사이의 헤드 연결구는 힌지구조, 볼 조인트, 유니버셜 조인트, 링크구조 등 다양한 연결구로 마련될 수 있으며, 상기 아암을 복수로 마련하여 여러 개의 링크 구조의 연결로 상기 출력부를 이동시킬 수도 있다.

상기 출력부는 출력헤드와 상기 출력헤드에 장착되는 출력노즐로 구성되며, 상기 출력노즐은 압축공기 펌프, 유압장치 내지 밸브 가운데 어느 하나 이상으로 구성된 공압조절부의 제어를 통해 출력 양 내지 출력 속도를 조절할 수 있다.

또한, 상기 출력노즐은 크기가 작을수록 정밀한 성형이 가능하나 노즐 직경이 작을수록 생체재료의 압출 시 재료의 손상이 발생하기 때문에 0.01mm 내지 1mm으로 마련되고, 바람직하게는 0.2mm 내지 0.4mm의 직경으로 마련될 수 있다. 또한, 상기 출력노즐의 크기는 사용자의 요구 성능에 따라 다양하게 변경 실시될 수 있으며, 경우에 따라서 상기 출력노즐을 복수로 마련하여 생체재료를 출력할 수도 있다.

이에 따른 작동 원리를 설명하면 이송로드를 따라 연직방향으로 이동하는 이송블럭과 상기 이송블럭에 힌지 여결된 아암이 동작하면서 상기 출력부를 수직방향 내지 수평방향으로 이동시키면서 생체재료를 출력한다. 즉, 연직 방향으로 세워진 이송로드와 상기 이송로드를 슬라이딩 이동하며 상기 출력부와 연결된 아암을 이동시키며 출력하는 방법이며, 이러한 방법은 출력부 내지 출력물과 마찰에 의한 오염을 최소화 하기 위해 슬라이딩부분을 외곽으로 배치한 것이다.

상기 아암은 상기 출력부와 연결되는 제1 아암과 상기 상부프레임에 연결되는 제2 아암이 수동관절에 의해 링크 연결되고, 상기 제2 아암의 일단이 상기 상부프레임에 능동관절로 연결되어 상기 능동관절의 회전운동에 따라 상기 제1 아암이 상기 출력부를 상하운동 내지 수평운동 시킬 수 있다.

본 발명에 따른 바이오 구조체의 3D 프린팅 방법은 상술한 바와 같이 본 출원인에 의해 출원된 관절구조 프린터가 활용될 수 있으며, 이러한 관절구조 프린터를 슬러리 상태의 지지체를 베드로 이용함으로써 구조체 조성물을 적층하는 것이다.

본 발명에 따른 상기 구조체 조성물(310)은 열 경화성 소재를 사용하고 상기 지지체(100)는 열 가소성 소재를 사용함으로써 상기 구조체(300)를 성형한 후 상기 환경 조건을 섭씨 35도 내지 40도로 승온시켜 상기 구조체(300)를 경화시키며, 상기 환경 조건 및 구조체(300)의 경화 정도를 센싱하기 위해 상기 구조체 조성물 내지 상기 지지체 및 보울(400)에 감온 소재 내지 온도 센서(미도시)를 마련할 수 있다.

상기 지지체(100)와 상기 구조체 조성물(310)의 물성을 유사한 소재를 사용할 수도 있으며, 상술한 바와 같이 열경화성 내지 열가역성과 같은 물성이 상이한 소재를 사용함으로써 세포 독성 내지 세포 적합성이 가장 우수한 구조체를 얻을 수 있다.

또한, 목적하는 바이오 구조체(300)의 종류, 크기, 성질 등에 따라 환경 조건을 상이하게 변경하거나 선택할 수 있다. 따라서, 이러한 환경조건을 센싱하는 소재 내지 센서(미도시)가 하나 이상 마련되어 사용자에게 알람 할 수 있다.

상기 구조체 조성물(310)은 겔, 하이드로겔, 알지네이트, 젤라틴, 콜라겐, Poloxamer 407(Pluronic F127), 젤란 검, 피브린, 셀룰로오스, PLA, PEG, PVA, PLLA, PLGA, PCL 및 빙햄 플라스틱 중 어느 하나 이상으로 마련될 수 있다.

상기 구조체 조성물(310)은 콜라겐을 사용하되, 염기성 용액이나 완충 용액이 포함된 지지체에 출력하여 gelation 시키며, 상기 염기성 용액의 산도는 pH 7.0 내지 7.5로 마련되고, 상기 완충 용액은 HEPES, BES, TES 내지 MOPS 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.

상기 구조체 조성물(310)은 콜라겐을 사용하되 섭씨 35도 내지 40도에서 경화되도록 열 경화성 소재를 포함하며, 출력 노즐(210)에서 토출이 용이하도록 상기 출력 노즐(210)에서의 전단율(shear rate)을 참고하여 상기 구조체 조성물(310)의 점도 및 표면장력을 선택 및 제어할 수 있다. 또한, 화학적 경화를 위해 보강재 및 가교제가 더 포함될 수 있다.

상기 환경 조건을 제어하기 이전에는, 상기 지지체(100) 및 구조체 조성물(310)은 섭씨 20도 내지 25도에서 마련하고, 상기 지지체(100) 내부에 상기 구조체 조성물(310)을 성형한 후 섭씨 35도 내지 40도로 승온하여 상기 구조체(300)를 물리적 경화시키되, 승온의 과정을 단계별로 설정하거나 상기 구조체(300)의 종류에 따라 선택적으로 제어함으로써 세포손상을 최소화 할 수 있다.

추가 설명하면, 상기 구조체 조성물(310)은 콜라겐을 사용하되 섭씨 10도 내지 20도에서 pre-gelation이 발생하고, 섭씨 35도 내지 40도에서 완전 gelation(겔화, 경화) 되는 것이다.

상기 지지체(100)는 상기 구조체의 겔화(gelation) 이후, 소정 범위 이내의 pH 변화에 따라 제거되며, 상기 지지체로는 빙햄 플라스틱 모델에 따른 카보머(carbomer)로 마련될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법 및 조성물에 대한 설명도로서 도시된 바와 같이 보울(400)에 지지체(100)를 준비하고 상기 지지체(100) 내부에 출력노즐(210)을 이용하여 구조체 조성물(310)를 적층한다.

상기 구조체 조성물(310)은 앞서 설명한 바와 같이 열 경화성 소재를 사용하고 목적하는 세포를 포함하며 경우에 따라서 보강재 및 가교제를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 지지체(100)는 유동성 있는 소재로서 서스펜션 상태 내지 슬러리 상태의 소재가 이용된다.

도 4a, 4b, 4c, 4d 및 4e는 본 발명에 따라 물리적 경화를 이용하여 바이오 구조체(300)를 완성하는 과정을 설명하는 설명도로서, 상기 출력노즐(210)에서 구조체 조성물(310)이 배출되는 원리는 기존의 프린팅 방식과 차이가 없으나 상기 조성물(310)이 지지되는 부재가 종래 베드가 아닌 유동성 있는 지지체(100)인 것이다.

구조체 조성물(310)의 적층이 완료되면 상기 실험실의 환경 조건 중, 온도를 제어하는데 승온되는 온도를 섭씨 35도 내지 40도로 하게 되면 상기 구조체 조성물(310)이 열에 의한 물리적 경화를 진행하여 원하는 바이오 구조체(300)를 얻을 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 구조체 조성물(310)의 열 경화에 따른 실험결과를 보여주는 사진이며, 도 6은 본 발명에 따른 구조체 조성물(310)의 세포를 배양한 결과를 보여주는 사진이다.

도 7a, 7b 및 7c는 본 발명에 따른 구조체 조성물(310)의 일 실시예에 따른 Pluronic acid 의 구조식, 온도와의 관계 및 물리적 변화 과정을 보여준다.

도 8은 본 발명에 따른 구조체 조성물(310) 및 프린팅 방법에 따라 성형과정의 일부를 보여주는 사진이며, 9는 본 발명에 따른 구조체 조성물(310) 및 프린팅 방법에 따라 바이오 구조체(300)를 성형한 결과를 보여주는 사진이다

본 발명에 따른 슬러리 상태의 지지체(100)를 준비하는 단계(S100), 상기 지지체(100) 내부에 구조체 조성물(310, 바이오 잉크)을 적층시키는 단계(S200), 상기 지지체(100) 및 구조체(300)의 환경 조건을 제어하는 단계(S300), 상기 구조체를 성형하는 단계(S400) 및 상기 지지체(100)를 제거(S500)하거나 성형된 상기 구조체를 배출하는 단계(S600)를 포함하는 바이오 3D 프린팅 방법에 사용되는 구조체 조성물은,

콜라겐, 보강재, 세포 및 가교제를 포함하고, 섭씨 35도 내지 40도에서 경화되는 것을 특징으로 한다.

상기 구조체 조성물(310) Pluronic acid 을 더 포함할 수 있으며, 상기 Pluronic acid 의 구조식은,

으로 마련될 수 있고, 또한, 상기 구조체 조성물(310)은 압력의 증가에 따라 점도가 감소하는 빙햄 플라스틱 모델의 소재를 이용할 수도 있다.

또한, 상기 상기 구조체 조성물의 경화 정도 내지 환경 조건을 센싱하기 위해 세포 독성 및 생체 적합성을 만족시키는 감온 소재를 더 포함할 수도 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서의 단순 치환, 변형 및 변경은 당 분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.

본 발명에 따른 3D 프린팅 방법 및 조성물은 세포 독성 및 세포 적합성을 만족하는 바이오 프린팅 산업에 이용될 수 있다.

100: 지지체(slurry) 200: 출력부
210: 출력노즐 300: 구조체
310: 구조체 조성물 400: 보울
S100: 지지체 준비단계
S200: 구조체 조성물 적층단계
S300: 환경조건 제어 단계
S400: 구조체 성형단계
S500: 지지체 제거단계
S600: 구조체 배출단계

Claims (13)

1. 바이오 잉크를 이용한 3D 프린팅 방법에 있어서,
   슬러리 상태의 열 가소성 지지체를 준비하는 단계;
   상기 지지체 내부에 열 경화성 구조체 조성물(바이오 잉크)을 적층시키는 단계;
   상기 지지체 및 구조체의 온도 내지 압력에 관한 환경 조건을 제어하는 단계;
   상기 환경 조건 및 구조체의 경화 정도를 센싱하기 위해 상기 구조체 조성물 내지 상기 지지체 및 보울에 감온 소재 내지 온도 센서를 마련하여 센싱하는 센싱 단계;
   목적하는 구조체의 종류, 크기, 성질에 따라 환경 조건을 상이하게 변경하거나 선택하도록 상기 조건 및 센싱 정보를 사용자에게 알려주는 알람 단계;
   상기 구조체를 성형한 후 상기 환경 조건을 섭씨 35도 내지 40도로 승온시켜 상기 구조체를 경화시킨 후 상기 지지체를 제거하거나 성형된 상기 구조체를 배출하는 단계; 를 포함하며,
   상기 지지체는 서스펜션 상태로서 겔, 하이드로겔, 알지네이트, 젤라틴, 콜라겐, 젤란 검, 피브린, 셀룰로오스, PLA, PEG, PVA, PLLA, PLGA 및 PCL 중 어느 하나 이상으로 마련되고,
   상기 구조체 조성물은 콜라겐을 사용하되 Pluronic acid 을 포함하고, 산도 pH 7.0 내지 7.5의 염기성 용액이나 HEPES, BES, TES 내지 MOPS 중 어느 하나의 완충 용액이 포함된 지지체에 출력하여 gelation 시키며, 섭씨 10도 내지 20도에서 pre-gelation이 발생하고, 섭씨 35도 내지 40도에서 완전 gelation(겔화, 경화)되며, 상기 구조체의 경화 정도 내지 환경 조건을 센싱하기 위해 세포 독성 및 생체 적합성을 만족시키는 감온 소재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
   
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,
   상기 구조체 조성물은 겔, 하이드로겔, 알지네이트, 젤라틴, 콜라겐, Pluronic acid, 젤란 검, 피브린, 셀룰로오스, PLA, PEG, PVA, PLLA, PLGA, PCL 및 빙햄 플라스틱 중 어느 하나 이상으로 마련되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 구조체 조성물의 토출이 용이하도록 출력 노즐에서의 전단율(shear rate)을 참고하여 상기 구조체 조성물의 점도 및 표면장력을 선택 및 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 구조체 조성물은 가교제 및 보강재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
   
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 지지체는 상기 구조체의 겔화(gelation) 이후, 소정 범위 이내의 pH 변화에 따라 제거되며, 상기 지지체로는 빙햄 플라스틱 모델에 따른 카보머(carbomer)인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 환경 조건을 제어하기 이전에는, 상기 지지체 및 구조체 조성물은 섭씨 20도 내지 25도에서 마련하고, 상기 지지체 내부에 상기 구조체 조성물을 성형한 후 섭씨 35도 내지 40도로 승온하여 상기 구조체를 물리적 경화시키되, 승온의 과정을 단계별로 설정하거나 상기 구조체의 종류에 따라 선택적으로 제어함으로써 세포손상을 최소화 하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
   
   
9. 제 1항에 따른 3D 프린팅 방법에 사용되는 구조체 조성물로서,
   상기 구조체 조성물은 압력의 증가에 따라 점도가 감소하는 빙햄 플라스틱 모델을 만족하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 조성물.
   
10. 삭제
11. 제 9항에 있어서, 상기 Pluronic acid 의 구조식은,
    

    

    인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 조성물.
    
    
12. 삭제
13. 삭제

Images