KR102264622B1 - 성게모양 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 및 제조방법 - Google Patents

Abstract

성게모양 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 및 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 소결법을 이용해 나노구조의 표면을 갖는 성게모양 나노구조 입자를 제조하는 단계; 및 상기 성게모양 나노구조 입자를 이용하여 인체삽입물을 제작하는 단계를 포함하는 성게모양 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 제조방법이 제공된다.

Description

성게모양 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 및 제조방법{Bactericidal implantable device via echinoid-nanostructure particles and manufacturing method}

본 발명은 성게모양 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 및 제조방법에 관한 것이다.

수술부위 감염에서 박테리아의 바이오필름(biofilm) 형성은 감염부위의 염증, 고열, 폐혈증 및 기타 합병증으로 이어져 환자의 생존률을 현저하게 감소시킨다. 이러한 수술부위 감염을 막기 위해 예방 항생제를 투여하지만, 항생제 내성 박테리아 및 바이오필름에 의해 보호받는 박테리아에는 효과가 미비하다.

또한, 수술부위 감염은 외과수술에서 위험성이 증가하며, 인체삽입물에 박테리아가 감염될 경우 인체삽입물을 제거하는 추가적인 수술이 필요하며, 혈류 주변에만 영향을 미치는 항생제의 경우 인체삽입물에 있는 박테리아를 완벽하게 살균하기는 어렵다.

한국공개특허 제10-2017-0063550호 (2017.06.08. 공개) - 탄소 나노 구조를 가지는 복합물, 그를 사용하는 고분자 재료 및 제조방법

본 발명은 성게모양의 나노구조를 이용한 물리적 살균방법을 통해 박테리아의 세포벽을 파괴하여 살균함으로써, 항생제 내성 박테리아에 대해서도 살균이 가능하고, 인체삽입물 표면에 바이오필름 형성을 억제할 수 있는 성게모양 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 및 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

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

본 발명의 일 측면에 따르면, 소결법을 이용해 나노구조의 표면을 갖는 성게모양 나노구조 입자를 제조하는 단계; 및 상기 성게모양 나노구조 입자를 이용하여 인체삽입물을 제작하는 단계를 포함하는 성게모양 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 제조방법이 제공된다.

상기 소결법은, 삼중 증류수와 알루미늄 파우더를 교반하여 현탁액을 제조하는 단계와; 알루미늄 파우더 현탁액을 사파이어에 붓고 진공 데시케이터에서 건조시켜 삼중 증류수를 완전 증발시키는 단계와; 슈평 튜브 로의 중간에 준비된 시편을 놓고, 질소 가스를 이용하여 정화 공정 후 일정 승온 속도로 가열하는 단계와; 상기 수평 튜브 로가 지정된 온도에 도달하면 지정된 시간 동안 유지시키는 단계와; 상기 수평 튜브 로를 일정 속도로 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.

한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 실리콘 몰딩법을 이용해 나노구조의 표면을 갖는 성게모양 나노구조 입자를 제조하는 단계; 및 상기 성게모양 나노구조 입자를 이용해 인체삽입물을 제작하는 단계를 포함하는 성게모양 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 제조방법이 제공된다.

상기 실리콘 몰딩법은, 일정 크기의 포토리소그래피를 사용하여 원하는 크기의 패터닝된 실리콘 마스터를 제조하는 단계와; 상기 실리콘 마스터로부터 음의 복제 몰드를 생성하는 단계와; 상기 복제 몰드에 대해 액체 전구체를 캐스팅하는 단계와; 상기 액체 전구체를 경화 및 박리하는 단계를 포함할 수 있다.

한편 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 열수합성법을 이용해 나노구조의 표면을 갖는 성게모양 나노구조 입자를 제조하는 단계; 및 상기 성게모양 나노구조 입자를 이용해 인체삽입물을 제작하는 단계를 포함하되, 상기 열수합성법은 전구체 혼합물을 고압 및 고온 조건에서 반응시킨 후 냉각 과정에서 미결정 핵이 형성되어 성장하여 상기 성게모양 나노구조 입자를 제조하는 것을 특징으로 하는 성게모양 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 제조방법이 제공된다.

상기 인체삽입물 제작 단계는 상기 성게모양 나노구조 입자를 고분자와 혼합한 후 3D 프린터를 통해 상기 인체삽입물을 3D 프린팅하되, 상기 3D 프린터는, 재료 공급 유닛으로부터 공급받은 파우더 혼합물을 수용하는 몸체와;

상기 몸체의 하부에 결합되는 노즐과; 상기 몸체 내에 수용되어 상기 노즐을 향해 상기 파우더 혼합물을 압출하는 압출부와; 그리고 상기 노즐의 토출측 끝단에 설치된 히터를 포함하는 파우더 혼합물 토출 장치를 포함할 수 있다.

상기 인체삽입물 제작 단계는 인체삽입물의 표면에 상기 성게모양 나노구조 입자를 코팅하여 상기 인체삽입물이 살균성을 갖게 할 수 있다.

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

본 발명의 실시예에 따르면, 성게모양의 나노구조를 이용한 물리적 살균방법을 통해 박테리아의 세포벽을 파괴하여 살균함으로써, 항생제 내성 박테리아에 대해서도 살균이 가능하고, 인체삽입물 표면에 바이오필름 형성을 억제할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 이용한 물리적 살균 과정을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 성게모양 나노구조 입자를 이용한 인체삽입물 제조방법의 순서도,
도 3은 무가압 소결법을 통한 성게모양 나노구조 입자의 제조과정을 나타낸 도면,
도 4는 무가압 소결법에 이용되는 노를 나타낸 도면,
도 5는 실리콘 몰딩법을 나타낸 도면,
도 6 및 도 7은 인체삽입물 제조를 위한 3D 프린터의 사시도 및 단면도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 성게모양 나노구조 입자를 나타낸 도면,
도 9는 나노구조를 갖는 표면이 살균 효과를 가지는지 확인하기 위한 실험 과정을 나타낸 도면,
도 10은 CFU 분석 과정을 나타낸 도면,
도 11은 CFU 실험 결과를 정리한 이미지 및 그래프,
도 12는 CFU결과를 바탕으로 박테리아가 죽어있는 것을 확인하기 위하여 SEM을 이용하여 표면을 관찰한 결과 사진,
도 13은 세포벽 및 세포핵 염색을 통해 확인한 세포벽 파괴 결과 사진.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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.

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.

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.

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.

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

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 이용한 물리적 살균 과정을 나타낸 도면이다.

박테리아는 모네라(Monera)계에 속하는 단세포 생물이다. 핵산부분(DNA)과 리보좀(Ribosome)이 세포벽(Cell wall)에 의해 보호되는 구조를 갖는다.

일반적으로 항생제를 이용하여 박테리아를 살균하지만, 항생제 내성균에 대해서는 효과가 없는 문제점이 있다. 은(Ag) 혹은 구리(Cu)와 같은 금속이온을 이용하여 살균할 수도 있지만, 세포 독성으로 인한 문제점이 많다.

따라서, 본 실시예에서는 끝단이 뾰족한 나노구조의 표면을 가지는 구조물을 통해 물리적으로 박테리아를 살균하고자 한다. 박테리아가 구조물에 흡착되는 경우(①), 구조물의 표면에 형성된 나노구조에 의해 세포벽이 파괴됨으로써(②) 박테리아를 구성하는 내부물질들이 보호받지 못하게 되어 박테리아가 괴사하게 된다(③).

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 성게모양 나노구조 입자를 이용한 인체삽입물 제조방법의 순서도이고, 도 3은 무가압 소결법을 통한 성게모양 나노구조 입자의 제조과정을 나타낸 도면이며, 도 4는 무가압 소결법에 이용되는 노를 나타낸 도면이고, 도 5는 실리콘 몰딩법을 나타낸 도면이며, 도 6 및 도 7은 인체삽입물 제조를 위한 3D 프린터의 사시도 및 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 성게모양 나노구조 입자를 이용한 인체삽입물 제조방법은 다음과 같다.

무가압 소결법을 이용하여 나노구조의 표면을 갖는 성게모양 나노구조 입자를 제조 및 합성한다(단계 S200).

무가압 소결법(pressureless sintering method)은 다음과 같다.

도 3에 도시된 것과 같이, 삼중 증류수(triple distilled water) 45 ml 및 알루미늄 파우더 5 g을 사용하여 유리막대로 일정 시간(예. 5분) 동안 교반하여 현탁액을 제조한다. 즉시 알루미늄 파우더 현탁액 0.2 ml를 사파이어(sapphire)에 붓고 진공 데시케이터에 일정 시간(예. 1일) 동안 건조시켜 삼중 증류수를 완전히 증발시킨다.

건조 후 준비된 시편을 도 3과 도 4에 도시된 것과 같은 수평 튜브 로(horizontal tube furnace)(300)의 중간에 놓는다. 질소 가스를 이용하여 일정 시간(예. 30분) 동안 정화 공정(유속(flow rate) = 500 cm³/min 정도) 후 일정 승온 속도(heating rate)(5℃/min)로 가열한다. 수펑 튜브 로(300)가 900℃에 도달했을 때, 온도는 지정된 시간 동안 유지된다. 그 후 수평 튜브 로(300)는 -5℃/min의 속도로 냉각된다. 전체 공정 동안 질소 유속은 500cm³/min로 유지되어 불활성 분위기를 제공할 수 있다.

성게모양 나노구조 입자를 제조하는 다른 방법으로 실리콘 몰딩법이 적용될 수도 있다. 실리콘 몰딩법은 도 6에 도시된 3단계를 거친다.

단계 (1)에서 일정 크기(예. 248-nm) 포토리소그래피를 사용하여 원하는 크기의 패터닝된 실리콘(Si) 마스터를 제조한다. 다음으로 단계 (2)에서 몰드로서 오리지날 실리콘 마스터로부터 음(negative)의 복제 몰드를 생성한다. 그리고 단계 (3)에서 복제 몰드에 대해 액체 전구체(liquid precursor)를 캐스팅한 후, 경화 및 박리하여 패터닝된 성게모양 나노구조 입자를 획득할 수 있다.

성게모양 나노구조 입자를 제조하는 또 다른 방법으로 열수합성법(hydrothermal process)에 적용될 수도 있다.

열수합성은 고압/고온 조건에서 일어나는 반응으로, 열유속법(solvothermal method)의 하위 집합이다. 합성은 고압 반응기로서 멸균기(auto clave) 내에서 일어난다. 전구체 혼합물(precursor mixture)을 서서히 100~300℃ 온도로 가열하고, 반응을 완료하는데 수 시간 내지 수 일이 걸린다. 냉각 중에 미결정 핵이 형성되어 성장하기 시작한다. 저온에서 반응을 수행하고, 격리된 시스템으로 인해 환경 친화적인 장점이 있다.

전구체 솔루션(precursor solution)은 양이온(Zn²⁺), 집진기 이온(OH^-/CO₃ ^2-), 계면활성제 및 형태개질제로서 아연 염(zinc salts)을 함유한다. 이 공정을 통해 전구체는 열처리 공정을 사용하여 ZnO로 전환된다. ZnO 수열합성에서 가장 많이 사용되는 전구 물질은 아연 아세테이트, 아연 질산염 및 아연 클로라이드과 같은 아연 염이다. 증발기로 작용하는 알칼리 화합물은 수산화칼륨, 수산화나트륨, 암모니아 중 하나일 수 있다. 2가 금속 이온은 산성 매질에서 가수 분해되지 않으므로, ZnO 나노입자를 형성하기 위해 알칼리성 용액의 존재가 요구되기 때문이다.

공정의 온도, 적용된 전구체, 계면활성제 또는 형태개질제, pH에 따라 형성되는 나노구조가 결정될 수 있다.

열수합성법에서 멸균기 대신에 마이크로웨이브를 통한 마이크로파 가열을 이용함으로써 결정화 온도 및 시간을 감소시킬 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 성게모양 나노구조 입자를 고분자와 혼합하고, 3D 프린팅을 통해 인체삽입물을 제조할 수 있다(단계 S210).

단계 S210에서 3D 프린터가 이용될 수 있다.

도 6 및 도 7에는 3D 프린터(100), 파우더 혼합물 토출 장치(110), 몸체(111), 압출부(112), 노즐(113), 히터(114), 재료 공급 유닛(120), 빌드 플랫폼(130), 파우더 혼합물(6), 제1 입자(6a), 제2 입자(6b)가 도시되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 혼합물 토출 장치(110)는 복수의 입자들이 고르게 분포된 파우더 혼합물이 비용융 상태로 노즐 입구를 진입한 이후 노즐 끝단에 설치된 히터를 통해 용융 상태가 되어 모델링 재료가 토출됨으로써 노즐 입구에서의 병목 현상을 방지하고 혼합물 형태 혹은 기공을 갖는 형태의 3차원 적층이 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터(100)는 재료 공급 유닛(120), 파우더 혼합물 토출 장치(110), 빌드 플랫폼(130)을 포함한다.

재료 공급 유닛(120)은 3차원 구조체의 재료(3차원 모델링 재료)가 되는 고분자 재료를 제공한다. 본 실시예에서 재료 공급 유닛(120)은 복수의 입자가 혼합된 혼합물을 파우더 상태로 파우더 혼합물 토출 장치(110)에 공급한다.

재료 공급 유닛(120)은 파우더 혼합물(6)을 공급함에 있어 혼합되는 입자의 종류 및 함량 중 적어도 하나를 실시간으로 조절할 수 있어, 본 실시예에서 입자 중 하나는 성게모양 나노구조 입자로 이루어질 수 있다. 또한, 구조체의 속성을 강성 구조 혹은 탄성 구조로 다양화할 수 있고, 입자 밀도 분포가 경사체 구조를 가지도록 하여 하나의 구조체 내에서도 그 위치에 따른 속성을 다변화시킬 수 있도록 한다.

빌드 플랫폼(130)은 3차원 모델링 재료가 프린팅되어 3차원 구조체가 제작되는 스테이지(stage)이다.

빌드 플랫폼(130) 상에는 폼 베이스(foam base)가 마련되어 있을 수 있다. 3차원 모델링 재료가 폼 베이스 상에 프린팅되어 빌드 플랫폼에서 용이하게 분리되도록 할 수도 있다.

파우더 혼합물 토출 장치(110)는 재료 공급 유닛(120)으로부터 복수의 입자(6a, 6b)가 미리 설정된 함량으로 고르게 분포된 파우더 혼합물(6)을 공급받고, 파우더 혼합물(6)에 열을 가하여 용융 상태로 만든 후 빌드 플랫폼(130) 상에 프린팅시킨다.

파우더 혼합물 토출 장치(110)는 몸체(111), 압출부(112), 노즐(113), 히터(114)를 포함한다.

몸체(111)는 그 내부에 재료 공급 유닛(120)으로부터 공급된 3차원 모델링 재료, 즉 파우더 혼합물이 수용되는 부분으로서, 예를 들면 실린더형 배럴일 수 있다.

노즐(113)은 몸체(111)의 하부에 결합되며, 몸체(111) 내에 수용된 3차원 모델링 재료를 용융 상태로 하방향으로 토출되도록 한다.

압출부(112)는 몸체(111) 내에 수용되어 있으며, 회전 동작을 통해 몸체(111) 내에 수용된 3차원 모델링 재료를 노즐(113)을 향해 진행시킬 수 있다. 예를 들어, 압출부(112)는 도면에 도시된 것과 같은 스크류(screw) 형상을 가질 수 있다.

이러한 압출 방식은 복수의 입자가 고르게 분포된 파우더 혼합물이 노즐(113) 입구에 이르기까지 최대한 고른 분포 상태를 유지할 수 있도록 한다.

히터(114)는 노즐(113)의 토출측 끝단에 설치되어, 노즐(113)을 통해 빌드 플랫폼(130) 상에 토출되는 3차원 모델링 재료, 즉 파우더 혼합물(6)을 가열하여 용융 상태로 만들어 준다. 여기서, 파우더 혼합물에 포함된 복수의 입자 중 적어도 하나(6a)는 가열에 의해 용융 상태로 변화된 이후 온도가 낮아지면 다시 경화되는 물질로 구성될 수 있다.

노즐(113)의 입구에서는 비용융 상태의 파우더 혼합물(6)이 재료 공급 유닛(120)으로부터 공급받은 상태와 같이 복수의 입자들이 고르게 분포된 상태로 유입된다. 따라서, 기존 장치와 같이 용융 상태로 유입될 경우에 용융되지 않은 입자에 의해 노즐(113) 입구에서 발생되는 병목 현상이 발생되지 않을 수 있게 된다.

파우더 혼합물(6)이 압출부(112)에서의 압출에 의해 노즐(113)의 토출측으로 진행되는 중에 노즐(113)의 토출측 끝단에 설치된 히터(114)에 의해 가열되어 용융 상태가 된다. 이 경우 노즐(113)의 입구를 이미 지난 이후에 용융 상태가 되므로 입자의 병목 현상이 발생하지 않게 되고, 설정된 혼합 함량을 유지한 상태대로 빌드 플랫폼(130) 상에 3차원 적층이 이루어질 수 있게 된다.

본 실시예에서 빌드 플랫폼(130)과 파우더 혼합물 토출 장치(110)는 3차원 적층을 위해 상대적인 3차원 이동이 가능한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 빌드 플랫폼(130)이 상하 방향(Z축 방향)으로 이동 가능하고 파우더 혼합물 토출 장치(110)가 수평면(XY 평면) 상에서 2차원적으로 이동 가능한 방식, 빌드 플랫폼(130)이 수평면 상에서 2차원적으로 이동 가능하고 파우더 혼합물 토출 장치(110)가 상하 방향으로 이동 가능한 방식, 혹은 빌드 플랫폼(130) 또는 파우더 혼합물 토출 장치(110)중 적어도 하나가 X, Y, Z축의 3차원 이동이 되는 등 3축 제어가 이루어지도록 하는 방식 등이 적용될 수 있을 것이다.

본 실시예에서 재료 공급 유닛(120)은 미리 설정된 비율로 혼합된 파우더 혼합물을 파우더 혼합물 토출 장치(110)에 공급하게 된다.

재료 공급 유닛(120)은 제1 재료 공급부, 제2 재료 공급부, 함량 제어부를 포함할 수 있다.

제1 재료 공급부 및 제2 재료 공급부는 3차원 모델링 재료인 파우더 혼합물의 원재료인 제1 재료 및 제2 재료를 각각 공급한다.

제1 재료 공급부에서 공급되는 제1 재료와 제2 재료 공급부에서 공급되는 제2 재료는 함량 제어부에 의해 그 혼합 비율이 제어되어 소정의 함량을 가지는 파우더 혼합물이 되어 후단의 파우더 혼합물 토출 장치(110)로 공급된다.

함량 제어부에서 제1 재료와 제2 재료의 함량을 제어하는 방식은 다음과 같을 수 있다.

예를 들면, 함량 제어부에서 제1 재료 공급부와 연결된 제1 통로와 제2 재료 공급부와 연결된 제2 통로는 솔레노이드 밸브에 의해 그 개폐 정도가 제어될 수 있다. 이러한 솔레노이드 밸브는 미리 설정된 파우더 혼합물의 함량에 상응하여 그 동작 정도가 결정될 수 있을 것이다.

다시 도 1을 참조하면, 인체삽입물 표면에 성게모양 나노구조 입자를 코팅하여 살균성을 갖는 인체삽입물을 제조할 수도 있다(단계 S220).

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 성게모양 나노구조 입자를 나타낸 도면이고, 도 9는 나노구조를 갖는 표면이 살균 효과를 가지는지 확인하기 위한 실험 과정을 나타낸 도면이며, 도 10은 CFU 분석 과정을 나타낸 도면이고, 도 11은 CFU 실험 결과를 정리한 이미지 및 그래프이고, 도 12는 CFU결과를 바탕으로 박테리아가 죽어있는 것을 확인하기 위하여 SEM을 이용하여 표면을 관찰한 결과 사진이며, 도 13은 세포벽 및 세포핵 염색을 통해 확인한 세포벽 파괴 결과 사진이다.

도 8을 참조하면, 알루미늄 입자를 이미지의 좌측에 기재된 온도와 시간으로 소결을 했을 때 나타나는 형상이며, 800℃에서 30분동안 소결한 샘플은 표면에 나노구조가 없는 반면 900℃에서 1시간동안 소결한 샘플에서는 나노구조가 성장하며 마치 성게 모양과 유사한 형태를 가진다.

이러한 나노구조를 갖는 표면에서 살균실험을 진행하여 박테리아에 대하여 물리적 살균능력을 갖는지 실험하였다. 도 9를 참조하면, (a) 박테리아 현탁액 준비, (b) 0.5 ml 박테리아 용액을 샘플 위에 주입, (c) 배양 (37℃, 7 hr), (d) 샘플에서 박테리아 수집 과정으로 이루어진다.

박테리아 살균실험은 박테리아를 액체배지에서 18시간 동안 성장시킨 후 OD(optical density) 600을 0.3으로 희석 시킨 후 샘플 위에 도포한다. OD600은 600nm파장으로 액체배지 내부에 박테리아가 얼마나 존재하는지 확인하는 방법 중 하나이며, 이를 0.3으로 맞추는 이유는 박테리아의 밀도를 조절함으로써 액체배지 내부에서 성장할 수 있는 조건을 맞추기 위함이다.

박테리아 액체배지를 샘플 위에 뿌리고 37℃에서 각 시간별로 배양후 샘플만 꺼내어 PBS(phosphate buffered saline)용액 1ml를 이용하여 셈플 표면에 붙은 박테리아만 세척한다. 박테리아 세척 후 세척한 용액을 별도로 수집한다.

수집된 박테리아 용액을 이용하여 CFU(colony forming unit)분석을 하게 되는데, CFU분석은 해당 샘플에 박테리아가 얼마나 생존 가능한지 확인하는 실험이다.

도 10에 도시된 것과 같이 샘플에서 세척하여 얻은 박테리아 용액을 각각 10^-1,10^-2,10^-3,10^-4,10^-5로 희석하여 각각 희석된 용액을 아가배지(고체배지)에 50㎛를 떨어뜨린 후 잘 펴줍니다. 잘 펴진 아가배지는 다시 37℃에서 18시간동안 배양시킨 후 배지위에 형성된 박테리아 콜로니 수를 계산한다.

박테리아 1개에서 콜로니 1개가 형성하는 것으로 가정하기 때문에 콜로니의 수가 적을수록 샘플에서 생존한 박테리아가 적은 것이며, 샘플에서 살균작용이 있다는 것을 확인 할 수 있다.

도 11의 (a)는 CFU 실험 결과를 정리한 이미지와 그래프이고, 사파이어 웨이퍼와 나노구조가 없는 샘플에서 박테리아 콜로니 수가 많은 것을 확인하였고, 나노구조가 있는 샘플에서는 콜로니의 수가 없는 것을 확인하였다.

도 12를 참조하면, CFU결과를 바탕으로 박테리아가 죽어있는 것을 확인하기 위하여 SEM을 이용하여 표면을 관찰한 결과 왼쪽부터 사파이어웨이퍼, 나노구조가 없는 표면, 나노구조가 있는 표면에서 대장균을 관찰한 이미지가 도시되어 있다. 나노구조가 있는 표면을 보시면 나노구조에 의해 대장균이 찔려서 형태를 유지하지 못한 것으로 확인되고 있으며, 박테리아의 핵을 염색하는 propidium iodide 형광염료를 이용하여 확인하였다.

도 13을 참조하면, live cell은 세포벽을 염색하는 염료이고 dead cell은 세포핵을 염색하는데 염색된 세포는 세포벽이 파괴되었다는 것을 확인할 수 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.

100: 3D 프린터 110: 파우더 혼합물 토출 장치
111: 몸체 112: 압출부
113: 노즐 114: 히터
120: 재료 공급 유닛 130: 빌드 플랫폼

Claims (7)

1. 미리 지정된 온도와 시간을 적용하여 나노구조 입자를 제조하는 방법인 소결법을 이용해 나노구조의 표면을 갖는 3차원의 성게모양 나노구조 입자를 제조하는 단계; 및
   상기 성게모양 나노구조 입자를 이용하여 인체삽입물을 제작하는 단계를 포함하되,
   상기 소결법은, 삼중 증류수와 알루미늄 파우더를 교반하여 현탁액을 제조하는 단계와; 알루미늄 파우더 현탁액을 사파이어 웨이퍼에 붓고 진공 데시케이터에서 건조시켜 삼중 증류수를 완전 증발시키는 단계와; 수평 튜브 로의 중간에 준비된 시편을 놓고, 질소 가스를 이용하여 정화 공정 후 일정 상온에서 900℃까지 분당 5℃씩 상승시키는 단계와; 상기 수평 튜브 로가 900℃에 도달하면 1시간 동안 유지시키는 단계와; 상기 수평 튜브 로를 분당 5℃ 속도로 상온까지 냉각시키는 단계를 포함하며,
   상기 인체삽입물 제작 단계는 상기 성게모양 나노구조 입자를 고분자와 혼합한 후 3D 프린터를 통해 상기 인체삽입물을 3D 프린팅하되,
   상기 3D 프린터는, 재료 공급 유닛으로부터 공급받은 파우더 혼합물을 수용하는 몸체와; 상기 몸체의 하부에 결합되는 노즐과; 상기 몸체 내에 수용되어 상기 노즐을 향해 상기 파우더 혼합물을 압출하는 압출부와; 및 상기 노즐의 토출측 끝단에 설치된 히터를 포함하는 파우더 혼합물 토출 장치를 포함하며,
   상기 성게모양 나노구조 입자와 상기 고분자의 혼합물이 상기 파우더 혼합물로 상기 3D 프린터에 공급되는 것을 특징으로 하는 성게모양 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 제조방법.
   
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