KR101992625B1 - 다중 노즐 3d 프린팅 시스템 및 이를 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법 - Google Patents

다중 노즐 3d 프린팅 시스템 및 이를 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 노즐 3D 프린팅 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이오 잉크를 토출하는 복수의 노즐; 및 상기 노즐의 위치를 가이드하여 배열하는 지그;를 포함하며, 상기 지그는, 연결부가 수용되어 움직일 수 있는 복수의 홀이 형성된 본체부; 및 상기 노즐과 본체부를 연결시키는 복수의 연결부를 포함하고, 상기 연결부는, 상기 홀을 따라 이동 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 다중 노즐 3D 프린팅 시스템 및 이를 이용한 바이오 프린팅 방법에 관한 것이다. 본 발명의 다중 노즐 3D 프린팅 시스템은, 복수의 노즐을 통해 빠른 속도로 삼차원 프린팅 할 수 있고, 복수의 노즐에 별도의 자유도를 부여하여 다양한 형태를 정밀하게 삼차원 프린팅 할 수 있다.

Description

다중 노즐 3D 프린팅 시스템 및 이를 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법{Multiple nozzle 3D printing system and three-dimensional bio-printing method using the same}
본 발명은 다중 노즐 3D 프린팅 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 노즐을 통해 빠른 속도로 삼차원 프린팅 할 수 있고, 복수의 노즐에 별도의 자유도를 부여하여 다양한 형태를 정밀하게 삼차원 프린팅 할 수 있는 다중 노즐 3D 프린팅 시스템에 관한 것이다.
[과제고유번호] 2017-0-01982
[부처명] 과학기술정보통신부
[연구관리전문기관] 정보통신기술진흥센터
[연구사업명] ICT융합산업원천기술개발
[연구과제명] 3D 바이오 프린팅을 이용한 동물실험대체용 인공피부 모델 개발 및 상용화
[주관기관] 한국산업기술대학교 산학협력단
[연구기간] 2017.12.01. ~ 2019.11.30. (24개월)
[과제고유번호] S2633227
[부처명] 중소벤처기업부
[연구관리전문기관] 중소기업기술정보진흥원
[연구사업명] 산학엽협력 기술 개발사업
[연구과제명] 신약 심독성 평가를 위한 3D 프린팅 기반 체외 마이크로 심근티슈 플랫폼 개발
[주관기관] ㈜티앤알바이오팹
[연구기관] 2018.06.01 ~ 2020.05.31. (24개월)
[과제고유번호] 1711064779
[부처명] 과학기술정보통신부
[연구관리전문기관] 한국연구재단
[연구사업명] 세포재생기술개발사업
[연구과제명] 미세 혈관 내재형 간 조직 모사체 프린팅 기술 개발
[주관기관] 울산과학기술원
[연구기관] 2017.04.01. ~ 2021.12.31. (48개월)
3D 바이오 프린팅 기술은, 바이오 프린터, 바이오 잉크, 세포, 성장인자 등을 기반으로 사용자가 원하는 형상을 조형 및 적층하여 특정 형상을 제작할 수 있는 기술을 말한다.
이러한 3D 바이오 프린팅 기술을 이용하여 오가노이드(organoid), 장기유사 칩(organ-on-a-chip), 동물 실험대체를 위한 조직 및 장기 유사체 등과 같이 질병의 치유에 도움을 줄 수 있는 여러 연구들이 활발히 이루어지고 있다.
종래의 3D 바이오 프린터는 1~2개의 노즐을 가지고 있어, 오가노이드(organoid), 장기유사 칩(organ-on-a-chip), 동물 실험대체를 위한 조직 등 특정 형상의 구조체를 조형하는데 오랜 시간이 걸려 생산성이 떨어지는 문제가 있다.
등록특허 제10-2016-0120954호
본 발명은 다중 노즐 3D 프린팅 시스템에 관한 것으로, 복수의 노즐을 통해 빠른 속도로 삼차원 프린팅 할 수 있고, 복수의 노즐에 별도의 자유도를 부여하여 다양한 형태를 정밀하게 삼차원 프린팅 할 수 있는 다중 노즐 3D 프린팅 시스템 및 이를 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시 형태로는, 바이오 잉크를 토출하는 복수의 노즐(100); 및 상기 노즐(100)의 위치를 가이드하여 배열하는 지그(200);를 포함하며, 상기 지그(200)는, 연결부(230)가 수용되어 움직일 수 있는 복수의 홀(250)이 형성된 본체부(210); 및 상기 노즐(100)과 본체부(210)를 연결시키는 복수의 연결부(230)를 포함하고, 상기 연결부(230)는, 상기 홀(250)을 따라 이동 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는, 다중 노즐 3D 프린팅 시스템을 들 수 있다.
상기 연결부(230)는, 노즐이 삽입되는 관통홀(231); 상기 연결부(230) 일측에 형성된 돌기(233); 및 상기 연결부(230)의 타측에 형성된 제1턱(235);를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 홀(250)의 일측면에는 상기 돌기(233)가 삽입되는 가이드 홈(251)이 형성되며, 타측면에는 상기 제1턱(235)이 지지되는 제2턱(253)이 형성될 수 있다.
상기 복수의 노즐(100)은, 소정의 각도로 휘어져 선형으로 배열되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 복수의 노즐(100)은, 서로 다른 바이오 잉크를 토출할 수 있다.
상기 다중 노즐 3D 프린팅 시스템은 원형의 가이드 홀(310)이 형성된 지지체(300)를 더 포함할 수 있다.
상기 지지체(300)는, 상기 지지체(300) 중심에 형성되는 노즐홀(330); 및 상기 지지체(300) 측면에 형성되는 고정부(350);를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 지그(200)는 상기 가이드 홀(310)을 따라 회전 가능하게 상기 지지체(300)와 결합될 수 있다.
상기 본체부(210)의 하단에는 히터부가 형성되어, 상기 노즐(100)에서 토출되어 적층되는 바이오 잉크에 열을 전달하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 실시형태는 상기 다중 노즐 3D 프린팅 시스템을 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법으로, 지그(200)를 통해 복수의 노즐(100)을 특정 패턴으로 배열하는 단계; 및 상기 복수의 노즐(100)을 통해 바이오 잉크를 토출시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 다중 노즐 3D 프린팅 시스템은 복수의 노즐을 통해 삼차원 형상의 구조물을 신속하게 삼차원 프린팅 할 수 있을 뿐만 아니라, 복수의 노즐에 별도의 자유도를 부여하여 다양한 형태를 정밀하게 조형할 수 있다.
또한, 본 발명의 다중 노즐 3D 프린팅 시스템은 각각의 노즐마다 서로 다른 바이오 잉크를 토출할 수 있어, 특정 형상의 구조물을 삼차원 프린팅 할 때 다양한 재료를 이용하여 특정 형상의 구조물을 삼차원 프린팅 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 노즐 3D 프린팅 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐과 연결된 지그의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐과 연결된 지그의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지그의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐과 지그의 연결된 상태를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연결부의 사시도이다.
도 7 및 8은 본 발명의 일 실시예 따른 다중 노즐 3D 프린팅 시스템이 적용된 3D 프린터를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 지지체의 정면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 지그의 회전상태를 나타내는 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 상세히 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 밝혀둔다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 "부"란, 특정 기능을 수행하는 하나의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 실시될 수도 있고 실질적으로 동시에 실시될 수도 있으며 반대의 순서대로 실시될 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 바이오 다중 노즐 3D 프린팅 시스템 및 이를 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법 에 관하여 보다 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 노즐 3D 프린팅 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐(100)과 연결된 지그(200)의 정면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 노즐(100)과 연결된 지그(200)의 사시도이다.
도 1 내지 3를 참조하면 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 노즐 3D 프린팅 시스템은, 바이오 잉크(1)를 토출하는 복수의 노즐(100); 및 상기 노즐(100)의 위치를 가이드하여 배열하는 지그(200);를 포함할 수 있다. 본 발명의 다중 노즐 3D 프린팅 시스템은, 복수의 노즐을 지그를 통하여 다양한 패턴으로 배열하고, 복수의 노즐로부터 동시에 바이오 잉크를 토출함으로써 다양한 형태의 구조물을 정밀하고 빠르게 삼차원 프린팅 할 수 있다.
상기 복수의 노즐(100)은 공압에 의해 바이오 잉크를 토출할 수 있으며, 노즐의 크기에 따라 공압이 적절히 제어됨으로써 토출되는 바이오 잉크의 토출량 또는 토출 속도를 조절할 수 있다.
상기 바이오 잉크는, 오가노이드(organoid), 장기유사 칩(organ-on-a-chip), 동물 실험대체를 위한 조직, 장기 유사체 등과 같은 바이오 구조물을 조형하기 위한 재료로, 특별히 제한되지 않으나, 생체 내 또는 생체 외에서 무해하고, 생체 내 환경에 쉽게 적응하여 거부 반응이 발생되지 않는 생분해성 고분자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 바이오 잉크는, 락티드(lactide), 카프로락톤(caprolactone), 글리코라이드(glycolide), 디옥사논(dioxanone), 프로필렌(Propylene), 에틸렌(Ethylene), 염화비닐(vinylchloride), 부타디엔(butadiene), 메틸메타아크릴레이트(methly methacrylate), 아크릴산, 2-히드록시에틸메타크릴에이트(2-hydroxyethlymethacrylate), 카보네이트(carbonate) 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephalate), 콜라겐, 피브린겔, 마트리겔, 알지네이트, 젤라틴으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.
이러한 복수의 노즐(100)은, 도 5에 도시된 것과 같이, 소정의 각도로 휘어져 선형으로 배열될 수 있다. 이와 같이, 복수의 노즐(100)이 소정의 각도로 휘어지게 형성되는 경우에는, 바이오 잉크가 수용되는 3D 프린터 헤드의 크기와 상관없이, 바이오 잉크가 토출되는 각 노즐의 단부 간의 거리를 밀착시킬 수 있다. 이에 따라, 복수의 노즐(100)을 다양한 패턴으로 보다 정밀하게 배열할 수 있다.
상기 지그(200)는, 도 4에 도시된 것과 같이, 복수의 홀(250)이 형성된 본체부(210); 상기 노즐(100)과 본체부(210)를 연결시키는 복수의 연결부(230); 및 상기 본체부(210)의 측면에 형성되는 결합부(270)를 포함할 수 있다. 이러한 홀(250)에는 상기 연결부(230)가 수용되어 움직일 수 있어, 복수의 노즐(100)의 위치를 각 노즐마다 별도로 조절할 수 있다.
상기 연결부(230)는, 도 6에 도시된 것과 같이, 노즐(100)이 삽입되는 관통홀(231); 연결부(230)의 일측에 형성된 돌기(233); 및 연결부(230)의 타측에 형성된 제1턱(235);을 포함할 수 있다.
연결부(230)가 본체부(210)의 홀(250)을 따라 원활하게 이동할 수 있도록, 도 5에 도시된 것과 같이, 상기 홀(250)의 일측면에는 상기 돌기(233)가 삽입되는 가이드 홈(251)이 형성되며, 타측면에는 상기 제1턱(235)이 지지되는 제2턱(253)이 형성되는 것이 바람직하다.
연결부(230)의 돌기(233)가 가이드 홈(251)에 삽입되고 연결부(230)의 제1턱(235)이 제2턱(253)에 지지되어 연결부(230)가 홀(250)에 수용되면, 연결부(230)가 홀(250)을 따라 이동할 수 있을 뿐만 아니라 홀(250)에서 이탈되는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 노즐 3D 프린팅 시스템이 적용된 3D 프린터를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7에 도시된 것과 같이, 상기 지그(200)는 상기 결합부(270)를 통해 3D 바이오 프린터의 헤드 이동 유닛과 연결됨으로써, 바이오 구조물을 삼차원 프린팅하기 위해 X, Y, Z축 방향으로 이동할 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 노즐(100)을 지그(200)를 통해 소정의 패턴으로 배열한 후, 상기 지그(200)를 소정의 방향으로 이동시켜 바이오 잉크를 토출함으로써 다양한 형태의 바이오 구조물을 신속하고 정밀하게 조형할 수 있다.
이러한 결합부(270)에는 3D 바이오 프린터의 헤드 이동 유닛(500)과 결합하기 위한 결합구멍(271)이 형성될 수 있다. 상기 지그(200)는 상기 결합구멍(271)을 통해 헤드 이동 유닛(500)과 연결된 결합부재(510)와 나사결합되어, 헤드 이동 유닛(500)과 연결될 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 것과 같이, 상기 복수의 노즐(100)은 각기 다른 바이오 잉크가 수용되어 있는 헤드(400)로부터 관(410)을 통해 바이오 잉크를 공급받아 토출함으로써, 각각의 노즐 마다 서로 다른 종류의 바이오 잉크(1)를 토출할 수 있다.
한편, 도 8에 도시된 것과 같이, 상기 복수의 노즐(100)은 하나의 헤드(400)로부터 바이오 잉크를 공급받아 토출함으로써, 각각의 노즐 마다 동일한 종류의 바이오 잉크(1)를 토출할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 노즐 3D 프린팅 시스템은, 원형의 가이드 홀(310)이 형성된 지지체(300)를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 지지체(300)는 상기 지그(200)를 회전시키기 위한 것으로, 도 9에 도시된 것과 같이, 상기 지지체(300) 중심에 형성된 노즐홀(330); 및 상기 지지체(300) 측면에 형성된 고정부(350)를 포함할 수 있다.
도 10(a)는 상기 지그(200)가 가이드 홀(310)을 따라 회전 가능하게 상기 지지체(300)와 결합된 상태를 나타낸 도면이고, 도 10(b)는 도 10(a)와 같이 결합된 지그(200)가 회전한 상태를 나타낸 도면이다.
도 10을 참조하여 설명하면, 상기 지그(200)는 상기 가이드 홀(310)을 따라 회전 가능하게 상기 지지체(300)와 결합할 수 있으며, 상기 지지체(300)는 측면에 형성된 고정부(350)를 통해 결합부재(510)과 결합되어 3D 바이오 프린터의 헤드 이동 유닛(500)과 연결될 수 있다. 상기 지그(200)가 회전 가능하게 결합하기 위해서 상기 가이드 홀(310)을 따라 구를 수 있는 롤러나 기어를 이용할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 지지체(300) 중심에는 노즐홀(330)이 형성되어 있어, 관(410)을 통해 헤드(400)로부터 상기 복수의 노즐(100)에 바이오 잉크를 공급할 수 있다.
이와 같이, 지그(200)가 회전 가능하게 되면 복수의 노즐(100)이 배열된 패턴의 각도를 다양하게 조절할 수 있어, 다양한 형태의 구조물을 보다 효율적으로 조형할 수 있다.
상기 지그(200)의 하단에는 히터부가 형성될 수 있다. 히터부는 상기 노즐(100)로부터 토출되어 적층되는 바이오 잉크에 열을 전달하기 위한 것으로 발열성 램프 또는 열선을 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 바이오 잉크에 열을 가할 수 있는 열원이라면 그 종류를 불문하고 어떤 열원을 사용해도 무방하다.
히터부를 통해 삼차원 바이오 프린팅 과정 중에 바이오 잉크에 열을 가하게 되면, 토출된 바이오 잉크의 온도를 겔화 온도 이상으로 도달시켜 즉각적으로 토출된 바이오 잉크를 경화시킬 수 있어, 3차원 구조체의 적층을 원활하게 수행할 수 있다.
또한, 상기 지그(200)의 하단에는 UV조사부가 형성될 수 있다. UV조사부는 상기 노즐(100)로부터 토출되어 적층되는 바이오 잉크에 UV광을 조사하기 위한 것으로, UV램프를 포함할 수 있다. 광경화성 바이오 잉크를 이용해 삼차원 바이오 프린팅 하는 경우, UV조사부를 통해 토출된 바이오 잉크에 UV광을 조사하여 즉각적으로 경화시킴으로써, 3차원 구조체의 적층을 원활하게 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 삼차원 바이오 프린팅 방법은, 다중 노즐 3D 프린팅 시스템을 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법으로, 지그(200)를 통해 복수의 노즐(100)을 특정 패턴으로 배열하는 단계; 및 상기 복수의 노즐(100)을 통해 바이오 잉크를 토출시키는 단계;를 포함할 수 있다.
다중 노즐 3D 프린팅 시스템에 대해서는 상술하였으므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상기 지그(200)를 통해 복수의 노즐(100)을 특정 패턴으로 배열하는 단계는, 지그(200)의 홀(250)을 따라 이동 가능하게 결합된 연결부(230)를 통해 복수의 노즐(100)을 소정의 패턴으로 배열하는 단계이다. 프린팅하고자 하는 3차원 형상에 따라 복수의 노즐(100)을 원하는 패턴으로 배열할 수 있다.
상기 바이오 잉크를 토출시키는 단계는, 특정 패턴으로 배열된 복수의 노즐(100)을 통해 바이오 잉크를 토출하여 적층하는 단계로, 상술된 것과 같이 공압에 의해 바이오 잉크를 토출시킬 수 있다. 이 때, 프린팅하고자 하는 3차원 형상에 따라, 각각의 노즐마다 서로 다른 바이오 잉크를 토출시키거나 같은 종류의 바이오 잉크를 토출시킬 수 있다. 또한, 프린팅하고자 하는 3차원 형상에 따라, 복수의 노즐(100) 전체에서 바이오 잉크를 토출시키거나, 일부의 노즐에서만 바이오 잉크를 토출시키는 것도 가능하다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 당연하다 할 것이다.
1: 바이오 잉크 100: 노즐
200: 지그 210: 본체부
230: 연결부 231: 관통홀
233: 돌기 235: 제1턱
250: 홀 251: 가이드 홈
253: 제2턱 270: 결합부
271: 결합구멍 300: 지지체
310: 가이드 홀 330: 노즐홀
350: 고정부

Claims (7)

  1. 바이오 잉크를 토출하는 복수의 노즐(100); 및 상기 노즐(100)의 위치를 가이드하여 배열하는 지그(200); 및 원형의 가이드 홀(310)이 형성된 지지체(300);를 포함하며,
    상기 지그(200)는, 연결부(230)가 수용되어 움직일 수 있는 복수의 홀(250)이 형성된 본체부(210); 및 상기 노즐(100)과 본체부(210)를 연결시키는 복수의 연결부(230); 및 상기 본체부(210)의 측변에 형성된 결합부(270);를 포함하며,
    상기 연결부(230)는, 노즐이 삽입되는 관통홀(231); 상기 연결부(230) 일측에 형성된 돌기(233); 및 상기 연결부(230)의 타측에 형성된 제1턱(235);를 포함하여, 상기 홀(250)을 따라 이동 가능하게 결합되고,
    상기 홀(250)의 일측면에는 상기 돌기(233)가 삽입되는 가이드 홈(251)이 형성되며, 타측면에는 상기 제1턱(235)이 지지되는 제2턱(253)이 형성되고,
    상기 지지체(300)는, 상기 지지체(300) 중심에 형성되는 노즐홀(330); 및 상기 지지체(300) 측면에 형성되는 고정부(350);를 포함하고,
    상기 지그(200)는 상기 가이드 홀(310)을 따라 회전 가능하게 상기 지지체(300)와 결합된 것을 특징으로 하는, 다중 노즐 3D 프린팅 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 노즐(100)은, 소정의 각도로 휘어져 선형으로 배열되는 것을 특징으로 하는, 다중 노즐 3D 프린팅 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 노즐(100)은, 서로 다른 바이오 잉크를 토출하는 것을 특징으로 하는, 다중 노즐 3D 프린팅 시스템.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 본체부(210)의 하단에는 히터부가 형성되어, 상기 노즐(100)에서 토출되어 적층되는 바이오 잉크에 열을 전달하는 것을 특징으로 하는, 다중 노즐 3D 프린팅 시스템.
  7. 제1항, 제3항, 제4항 및 제6항 중 어느 한 항에 기재된 다중 노즐 3D 프린팅 시스템을 이용한 삼차원 바이오 프린팅 방법에 있어서,
    지그(200)를 통해 복수의 노즐(100)을 특정 패턴으로 배열하는 단계; 및
    상기 복수의 노즐(100)을 통해 바이오 잉크를 토출시키는 단계;를 포함하는 삼차원 바이오 프린팅 방법.
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