KR102286073B1 - 이중 스크류 압출 혼합 시스템 및 방법 - Google Patents

이중 스크류 압출 혼합 시스템 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102286073B1
KR102286073B1 KR1020200048105A KR20200048105A KR102286073B1 KR 102286073 B1 KR102286073 B1 KR 102286073B1 KR 1020200048105 A KR1020200048105 A KR 1020200048105A KR 20200048105 A KR20200048105 A KR 20200048105A KR 102286073 B1 KR102286073 B1 KR 102286073B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
screws
screw
mixing system
barrel
double screw
Prior art date
Application number
KR1020200048105A
Other languages
English (en)
Inventor
노인섭
바타리치아 아미타바
고피나탄 자나르타난
함형준
Original Assignee
서울과학기술대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울과학기술대학교 산학협력단 filed Critical 서울과학기술대학교 산학협력단
Priority to KR1020200048105A priority Critical patent/KR102286073B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102286073B1 publication Critical patent/KR102286073B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
    • B29C48/395—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die using screws surrounded by a cooperating barrel, e.g. single screw extruders
    • B29C48/40—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die using screws surrounded by a cooperating barrel, e.g. single screw extruders using two or more parallel screws or at least two parallel non-intermeshing screws, e.g. twin screw extruders
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
    • B29C48/50—Details of extruders
    • B29C48/505—Screws
    • B29C48/507—Screws characterised by the material or their manufacturing process
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
    • B29C48/50—Details of extruders
    • B29C48/505—Screws
    • B29C48/535—Screws with thread pitch varying along the longitudinal axis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
    • B29C48/50—Details of extruders
    • B29C48/505—Screws
    • B29C48/54—Screws with additional forward-feeding elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
    • B29C48/50—Details of extruders
    • B29C48/68—Barrels or cylinders
    • B29C48/6801—Barrels or cylinders characterised by the material or their manufacturing process
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/36—Means for plasticising or homogenising the moulding material or forcing it through the nozzle or die
    • B29C48/50—Details of extruders
    • B29C48/68—Barrels or cylinders
    • B29C48/682—Barrels or cylinders for twin screws
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C48/00—Extrusion moulding, i.e. expressing the moulding material through a die or nozzle which imparts the desired form; Apparatus therefor
    • B29C48/25—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
    • B29C48/78—Thermal treatment of the extrusion moulding material or of preformed parts or layers, e.g. by heating or cooling
    • B29C48/80—Thermal treatment of the extrusion moulding material or of preformed parts or layers, e.g. by heating or cooling at the plasticising zone, e.g. by heating cylinders
    • B29C48/802—Heating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/295—Heating elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/307—Handling of material to be used in additive manufacturing
    • B29C64/314—Preparation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y40/00—Auxiliary operations or equipment, e.g. for material handling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B33Y70/10—Composites of different types of material, e.g. mixtures of ceramics and polymers or mixtures of metals and biomaterials

Abstract

이중 스크류 압출 혼합 시스템은, 배럴과, 상기 배럴 내부에서 나란하게 배치되어서 공급되는 재료를 혼합하는 제1 및 제2 스크류를 포함하는 압출 헤드, 상기 배럴의 일 단부에 구비되는 토출 노즐, 및 상기 배럴 내부로 재료를 공급하는 공급부를 포함하여 구성된다.

Description

이중 스크류 압출 혼합 시스템 및 방법{TWIN SCREW EXTRUSION INTEGRATED SYSTEM AND METHOD FOR CONTINUOUS MIXING AND PRINT}
아래의 설명은 나노-마이크로 입자의 균일한 혼합이 요구되는 분야(예를 들어, 바이오 프린팅, 화장품 등)에서 매트릭스와 혼합하여 인쇄하기 위한 이중 스크류 압출 혼합 시스템 및 방법과 이를 조직공학에 적용하기 위한 것이다.
3D 바이오 프린팅은 생세포를 생체 적합한 매트릭스와 혼합하여 3D 생물학적 구조물을 인쇄하는 과정이다. 이를 위해, 생세포 및 세포의 생존과 줄기세포의 분화를 지지하는데 필요한 다른 생체활성 분자와 하이드로젤을 혼합한다. 용액 혹은 하이드로젤에 포함된 용질 물질의 균일한 혼합과 분산을 위해서 단순 혼합 또는 마그네틱 혼합 바(bar), 프로펠러(대량의 동물세포 배양기) 등을 이용한 기계적 혼합 등의 다양한 방법을 이용하고 있다. 그러나 기존의 혼합 방법으로는 혼합 용액의 균일한 분산이 이루어지지 않는 문제점이 있었다. 즉, 혼합 용액 중의 중앙 부분에서는 비교적 균일하게 혼합이 이루어지지만, 용기의 모서리 부분에서는 균일하게 혼합되지 않으며, 소량의 용액을 혼합할 때는 조절이 용이하지 않다는 문제점이 있었다. 또한, 세포와 같이 충격에 약한 물질을 혼합하기 위해서는 세포가 손상되지 않도록 혼합 속도와 압력을 조절하여야 하는데 그 조절이 용이하지 않았다.
그리고 혼합하고자 하는 대상 물질을 하이드로젤에 균일하게 분산시켜 혼합물을 제조하고자 하는 경우에는, 하이드로젤을 사전에 형성한 후 대상 물질을 하이드로젤 내에 주입 및 분산하거나, 혹은 하이드로젤 용액에 사전에 첨가하여 젤 형성을 유도해야 하는데, 하이드로젤 내부에서 대상물질이 균일하게 분산시키는 것에 어려움이 있었다. 여기서, 바이오 프린팅에 사용되는 대부분의 하이드로젤은 대상물질과 함께 사용될 수 없으며, 하나 이상의 생세포 또는 나노 입자와 같은 첨가제를 사용하는 복합 바이오 잉크 제제는 인쇄 후의 인쇄성, 인쇄 후 형태안정성 및 강도를 향상시키기 위해 필요하다.
한편, 기존에는 하이드로젤의 혼합을 위해서 2개의 배럴로 구성되는 혼합기를 사용하고, 서로 다른 용액을 각각 혼합하는 방법이 사용되고 있었다. 그러나 이러한 2개의 배럴을 사용하는 방법은 사용자가 편의에 따라 용액을 주입하는 압력과 속도를 조절하기 때문에 용액에 균일하게 압력 및 속도를 가하여 균일하게 혼합하는 것이 어려우며, 특히, 세포를 혼합하는 경우에는 세포의 분포가 균일하지 않음에 따라 재생되는 조직이 균일하게 재생되지 않는 문제점과 함께, 주입된 세포들이 손상되는 문제점이 있었다.
전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
실시예의 목적은 3D 바이오 프린팅과 같은 나노-마이로 입자를 균일하게 혼합하여 인쇄할 수 있는 이중 스크류 압출 혼합 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
실시예의 다른 목적은 생세포와 생체활성물질들의 균일 분산 혼합에 따라 세포들이 생체활성물질과의 상호작용이 조절될 수 있는 바이오 잉크를 제조하고, 조직의 재생이 균일하게 진행될 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
실시예들에서 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시예에 따른 이중 스크류 압출 혼합 시스템 및 방법에 대해 설명한다.
이중 스크류 압출 혼합 시스템은, 배럴과, 상기 배럴 내부에서 나란하게 배치되어서 공급되는 재료를 혼합하는 제1 및 제2 스크류를 포함하는 압출 헤드, 상기 배럴의 일 단부에 구비되는 토출 노즐, 및 상기 배럴 내부로 재료를 공급하는 공급부를 포함하여 구성된다.
일 측에 따르면, 상기 제1 및 제2 스크류는, 축직경이 0.4 mm 내지 10 mm이고, 외경이 0.5 mm 내지 20 mm이고, 축직경과 스크류 길이의 비가 1:4 내지 1:40이고, 상기 스크류의 리드각이 0.1° 내지 60°이고, 토출구를 향해서 점차 피치가 커지는 가변 피치를 갖는다.
여기서, 상기 제1 및 제2 스크류는 서로 동일하게 형성되고, 상기 제1 및 제2 스크류의 피치의 위상차가 45° 내지 135°가 되도록 배치될 수 있다. 상기 배럴에는, 상기 제1 및 제2 스크류에 재료를 공급하기 위한 복수의 주입구가 형성되고, 상기 제1 및 제2 스크류에서 피치가 작은 위치와 피치가 큰 위치에 각각 주입구가 형성될 수 있다. 또한, 상기 압출 헤드의 토출량은 0.1 ml 내지 20 ml이다.
일 측에 따르면, 상기 제1 및 제2 스크류와 상기 압출 헤드는 금속 재질, 비금속 재질 및 플라스틱 재질 중 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 재료는 살아있는 세포, 젤, 나노 또는 마이크로 입자, 생체활성 분자, 폴리머, 가교결합제 및 혼합물을 포함하는 생체 또는 비생체를 포함할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 압출 헤드는 온도를 조절하는 온도 컨트롤러가 구비되고, 상기 온도 컨트롤러는 상기 압출 헤드의 온도를 30 ℃ 내지 300 ℃로 조절할 수 있다.
일 측에 따르면, 상기 압출 헤드는 상기 제1 및 제2 스크류를 회전시키기 위한 구동부가 구비되고, 상기 구동부는 상기 제1 및 제2 스크류에 구비되는 기어 또는 벨트를 포함하고, 상기 제1 및 제2 스크류를 동일 방향으로 회전시키거나, 반대 방향으로 회전시킬 수 있다.
한편, 이중 스크류 압출 혼합 방법은 이중 스크류 압출 혼합 시스템을 이용하여 폴리머, 겔, 나노 및 마이크로 입자 및 살아있는 세포를 포함하는 다성분 물질을 3D 프린팅할 수 있다.
이상에서 본 바와 같이, 실시예들에 따르면, 2개의 스크류를 이용하여 물질을 혼합하므로 보다 균일하게 혼합할 수 있고, 세포 등을 포함하는 생체활성물질의 손상 없이 혼합할 수 있다. 또한, 스크류는 토출구 쪽으로 갈수록 피치가 커지는 가변 피치 스크류를 사용하므로 재료에 전단력이 약하게 작용하도록 함으로써 세포와 생체재료의 손상을 방지할 수 있다.
일 실시예에 따른 이중 스크류 압출 혼합 시스템 및 방법의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 이중 스크류 압출 혼합 시스템의 모식도이다.
도 2는 도 1에서 압출 헤드의 모식도이다.
도 3은 도 2에서 스크류의 사시도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 구동부가 적용된 압출 헤드의 모식도이다.
도 5는 본 실시예에 따른 이중 스크류 압출 혼합 시스템을 이용하여 제조된 바이오 잉크를 이용하여 바이오 프린팅된 결과를 보여주는 사진들이다.
도 6은 도 5에서 7일 동안 in vitro 세포배양하여 얻은 샘플에 대한 세포외기질 형성과 조직재생 결과를 보여주는 사진들이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이하, 도면을 참조하여 이중 스크류 압출 혼합 시스템(100)에 대해서 상세하게 설명한다. 참고적으로, 도 1은 일 실시예에 따른 이중 스크류 압출 혼합 시스템(100)의 모식도이다. 그리고 도 2는 도 1에서 압출 헤드(110)의 모식도이고, 도 3은 도 2에서 스크류(210)의 사시도이다. 그리고 도 4는 다른 실시예에 따른 구동부(240)가 적용된 압출 헤드(110)의 모식도이다.
도면을 참조하면, 이중 스크류 압출 혼합 시스템(100)은 2개의 스크류(210, 220)를 포함하는 압출 헤드(110)와 토출 노즐(120) 및 재료를 공급하는 공급부(130)를 포함하여 구성된다.
이하의 실시예에서 '재료'는 살아있는 세포, 젤, 나노 또는 마이크로 입자, 생체활성 분자, 폴리머, 가교결합제 및 혼합물을 포함하는 생체 또는 비생체를 포함한다. 이 외에도 재료는 나노-마이크로 입자를 포함한다. 그리고 상기 재료를 이용하여 바이오 프린팅을 수행하며, 이를 위해서 이중 스크류 압출 혼합 시스템(100)의 구성 부품들, 즉, 제1 및 제2 스크류(210, 220) 등의 재질은 금속 재질, 비금속 재질 및 플라스틱 재질 중 어느 하나의 재질로 형성되며, 비독성의 생체 적합성 FDA 승인 재료를 사용할 수 있으며, 예를 들어, FDA에 의해 승인된 의료용 강철, 플라스틱 및 고분자들이 사용될 수 있다. 또한, 이중 스크류 압출 혼합 시스템(100)에 사용되는 부품들은 사용 전에 멸균해서 사용된다.
압출 헤드(110)는 배럴(111), 배럴(111) 내부에 나란하게 설치된 제1 및 제2 스크류(210, 220)를 포함한다.
배럴(111)은 공간을 최소화하면서 스크류(210, 220) 2개를 나란하게 수용할 수 있도록 형성된다. 또한, 배럴(111)의 내주면과 스크류(210, 220)의 외경 사이에는 0.1 mm 내지 0.3 mm 의 간격이 형성된다.
배럴(111)의 일 단부에는 1개의 토출구(112)가 형성되고, 토출구(112)에는 토출 노즐(120)이 설치된다. 예를 들어, 압출 헤드(110)의 토출량은 0.1 ml 내지 20 ml이다.
배럴(111)의 일 측에는 배럴(111) 내부로 재료를 공급할 수 있도록 2개의 주입구(113, 114)가 형성된다. 주입구(113, 114)는 스크류(210, 220)의 길이 방향을 따라 복수개가 형성되며, 적어도 피치가 작은 초기 위치와 피치가 큰 위치에 각각 형성된다. 그리고 피치가 작은 위치에 형성되는 제1 주입구(113)에는 고분자 용액, 하이드로젤 및 기타 첨가제가 공급되고, 피치가 큰 위치에 형성되는 제2 주입구(113)에는 세포가 주입될 수 있다.
또한, 각 주입구(113, 114)에는 공급부(130)가 설치되는데, 공급부(130)는 단일의 공급원뿐만 아니라, 압출 헤드(110)에 하이드로젤, 첨가제 및 세포의 제어된 공급을 위한 다중 디스펜서로 이루어질 수도 있다.
제1 스크류(210)와 제2 스크류(220)는 실질적으로 동일한 사양을 가지며, 그 길이 방향으로 나란하게 배치되되, 피치의 위상차가 45° 내지 135°가 되도록 배치된다.
이하, 스크류(210, 220)에 대해서 설명한다. 이하의 설명에서는 제1 스크류(210)와 제2 스크류(220)가 실질적으로 동일하므로 제1 스크류(210)에 대해서만 설명하며, 단지 '스크류(210)'라고 설명할 수 있다. 이 경우, 스크류(210)에 대한 설명은 제2 스크류(220)에도 동일하게 적용된다 할 수 있다.
제1 스크류(210)는 축(211)의 외주면을 따라 소정 피치로 나사산(212)이 형성된다.
여기서, 제1 스크류(210)는 축직경 D1은 0.4 mm 내지 10 mm이고, 나사산(212)을 포함하는 외경 D2는 0.5 mm 내지 20 mm이다. 그리고 스크류(210)는 외경 D2과 스크류 길이 L의 비 D2/L가 1:4 내지 1:40이다.
여기서, 제1 스크류(210)의 외경과 길이의 비율은 바람직하게는 1:15이고, 더 바람직하게는 1:10이다. 바이오 프린팅을 위한 압출을 위해서는 스크류(210)는 외경과 길이의 비가 1:10인 것이 바람직하다.
제1 스크류(210)는 리드각이 0.1° 내지 60°이다.
제1 스크류(210)는 가변 피치로 형성된다. 상세하게는 제1 스크류(210)는 제1 주입구(113)와 연결되는 일 단부의 피치 P1보다 토출구(112)에 가까운 타단부의 피치 P2가 더 크게 형성된다. 이와 같이 제1 스크류(210)는 가변 피치로 형성하되, 제1 주입구(113) 쪽의 피치 P1를 작게 형성함으로써 재료에 작용하는 전단력이 커서 주입되는 재료를 보다 잘 혼합할 수 있고, 토출구(112)쪽의 피치 P2를 더 크게 형성함으로써 재료에 작용하는 전단력이 작아지기 때문에 토출되기 전에 재료에 전단 압력이 커져서 세포 등이 파괴되는 것을 방지할 수 있다.
제1 스크류(210)는 토출 전의 재료에 작용하는 전단력 또는 압력을 완화시킬 수 있도록 축(211)의 단부도 점차 직경이 작아지도록 테이퍼 형상으로 형성된다.
일반적으로 일정한 피치의 스크류를 이용하여 압출하는 경우에는 토출구 근방에서 재료에 작용하는 전단력이 증가되기 때문에 생세포와 같은 재료의 혼합에는 적절하지 않다. 그러나 본 실시예에서는 토출구(112) 쪽으로 갈수록 피치가 커지는 가변 피치 스크류(210)를 사용하므로 생세포, 나노 입자 또는 생체활성 분자와 같은 재료의 혼합에 적절하게 사용될 수 있다.
제1 스크류(210)의 타단부에는 구동부(140)가 구비된다. 구동부(140)는 제1 스크류(210)를 회전시키기 위한 기어(214)와 모터(미도시)를 포함한다.
여기서, 기어(214)는 제1 스크류(210)에 일체로 형성되고, 제1 스크류(210)와 제2 스크류(220)의 기어(미도시)가 서로 맞물린 상태에서 모터에 의해 구동될 수 있다.
또는 도 4에 도시한 바와 같이, 구동부(240)는 벨트(미도시)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 스크류(210)와 제2 스크류(220)의 타단부에는 벨트가 감겨지는 드럼이 형성되고, 벨트의 회전에 의해서 스크류(210, 220)가 회전한다.
본 실시예들에서는 세포 등이 하이드로젤에 혼합되는데, 이러한 재료의 특성 상 높은 토크와 낮은 rpm으로 회전하는 것이 필요하다. 예를 들어 제1 스크류(210)는 대략 0 rpm 초과 내지 15 rpm 이하로 회전할 수 있다. 바람직하게는 최대 60 rpm 이하로 회전할 수 있다.
여기서, 제1 스크류(210)와 제2 스크류(220)는 다음과 같은 여러 방법으로 회전시킬 수 있다.
일 예로, 도 3에 도시한 바와 같이 제1 및 제2 스크류(210, 220)는 기어를 이용하여 구동되며, 서로 동일 방향으로 회전한다. 또는 제1 및 제2 스크류(210, 220)는 기어를 이용하여 구동되되 서로 반대 방향으로 회전할 수 있다.
또는 도 4에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 스크류(210, 220)는 벨트를 이용하여 구동되되 서로 동일 방향으로 회전할 수 있다.
여기서, 이중 스크류 압출 혼합 시스템(100)은 컴퓨터 등과 연동되어서 압출 헤드(110)의 압출 속도를 제어할 수 있으므로 보다 균일하고 효과적으로 재료를 혼합할 수 있다.
또한, 압출 헤드(110)의 일측에는 온도를 조절하고 가열할 수 있는 온도 컨트롤러(미도시)가 구비될 수 있다. 압출 헤드(110)는 온도 컨트롤러에 의해서 30 ℃ 내지 300 ℃로 조절될 수 있다.
이중 스크류 압출 혼합 시스템(100)은 바이오 프린터의 z 축 헤드에 직접 고정하거나, 이중 스크류 압출 혼합 시스템(100)의 토출구(112) 및 토출 노즐(120)과 바이오 프린터의 헤드에 연결할 수 있다.
이하에서는 도 5와 도 6을 참조하여, 본 실시예들에 따른 이중 스크류 압출 혼합 시스템(100)을 이용한 3D 바이오 프린팅 결과에 대해서 설명한다.
도 5는, 삼인산칼슘 나노입자(4%)를 포함하는 알지네이트 젤(2%, 4%, 6%)로 구성된 다성분 바이오 잉크를 상부 공급부에서 공급한 다음에 24 rpm으로 60초 동안 혼합한다. 20초 후에 18 rpm으로 프린팅 한 바이오 잉크를 in vitro 골 세포배양(2백만/100μl)을 0일, 3일 및 7일 동안 진행한 후에 세포생존성 염색한 결과를 보여주고 있다.
도 5를 참조하면, 일반적인 혼합방법으로 상기와 같은 조건에서 60초 동안 제조된 바이오 잉크를 대조군으로 사용하였고, 젤 형성은 칼슘이온용액을 사용하였다(scale bar: 250 μm). 일반적인 혼합방법을 사용한 샘플에서는 세포들이 균일하게 분포되지 않았으나, 본 발명의 혼합기를 사용하여 3D 바이오프린팅 한 샘플에서는 세포들이 균일하게 분포되어 생존하고 있음을 확인할 수 있다.
도 6은 도 5에서 7일 동안 in vitro 세포배양하여 얻은 샘플에 대하여 H&E 염색과 MT(콜라겐) 염색을 통하여 세포외기질 형성과 조직재생 결과이다. 참고적으로 도 6에서 검은색의 검은 입자는 뭉쳐진 삼인산칼슘이며, H&E 염색에서는 핵은 청색, 세포외기질은 분홍색으로 표기되며, MT 샘플에서는 핵은 갈색, 세포내기질은 분홍색, 콜라겐은 청색/초록색으로 표현되고 있다(scale bar 100 μm). 도 6을 참조하면, 일반적인 혼합방법을 사용한 샘플에서는 세포들이 균일하게 조직을 재생하지 못하고 있으나, 본 발명의 이중 스크류 압출 혼합 시스템(100)을 사용하여 3D 바이오 프린팅 한 샘플에서는 세포들이 균일하게 조직을 재생하고 있음을 확인할 수 있다.
본 실시예들에 따르면, 이중 스크류 압출 혼합 시스템(100)은 나노 또는 마이크로 입자들을 균일하게 혼합할 수 있으며, 세포 등과 같은 생물학적 제제를 균일하게 혼합할 수 있고, 세포와 생체활성물질의 손상을 최소화하여 혼합할 수 있는 혼합 시스템으로서, 3D 바이오 프린터에 장착하여 사용할 수 있다. 또한, 압출 헤드(110) 내부에서 재료가 혼합되므로, 더 다양한 바이오 잉크를 사용할 수 있으며, 바이오 프린팅 과정에서 바이오 잉크의 오염 가능성이 줄어든다.
또한, 본 실시예에 따른 압출 헤드(110)는 주사형 젤과 3D 프린팅용 젤의 혼합기로서 적용 가능하며, 세포, 생체활성물질, 약물 등이 포함된 젤을 전달할 수 있어서, 상처치유, 조직재생 등과 관련된 의료용, 약물전달, 조직공학, 3D 프린팅 등의 영역에 사용할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 이중 스크류 압출 혼합 시스템(100)은 다양한 3D 바이오 프린팅에서 생세포를 적합한 매트릭스와 혼합하여 3D 생물학적 구조물을 인쇄하기 위해서 생세포 및 세포의 생존을 지지하는데 필요한 다른 생체 분자를 갖는 중합체 하이드로젤을 균일하게 혼합하여 인쇄할 수 있다.
한편 상술한 실시예에서는 바이오 프린팅에 대해서 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 나노-마이크로 입자의 균일한 혼합이 요구되는 다양한 분야, 예를 들어, 화장품 산업 등에서 사용될 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
100: 이중 스크류 압출 혼합 시스템
110: 압출 헤드
111: 배럴
112: 토출구
113, 114: 주입구
120: 토출 노즐
130: 공급부
140, 240: 구동부
210, 220: 스크류
211: 축
212: 나사산

Claims (10)

  1. 배럴과, 상기 배럴 내부에서 나란하게 배치되어는 제1 스크류 및 제2 스크류를 포함하고, 세포, 젤, 나노 또는 마이크로 입자, 생체활성 분자, 폴리머, 가교결합제 및 혼합물을 포함하는 생체 또는 비생체를 포함하는 재료를 혼합하는 압출 헤드;
    상기 배럴의 토출구에 구비되는 토출 노즐;
    상기 배럴 일측에 구비되어서 상기 배럴 내부로 상기 재료를 주입하는 제1 주입구와 제2 주입구; 및
    상기 제1 및 제2 주입구에 설치되어서 상기 재료를 공급하는 공급부;
    를 포함하고,
    상기 제1 스크류와 상기 제2 스크류는 상기 토출구를 향해 점차 피치가 커지는 가변 피치를 갖고,
    상기 제1 주입구는 상기 제1 및 제2 스크류에서 피치가 작은 위치에 형성되고, 상기 제2 주입구는 상기 제1 및 제2 스크류에서 피치가 큰 위치에 형성되는 이중 스크류 압출 혼합 시스템.

  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스크류는, 서로 동일하게 형성되며, 각각
    축직경이 0.4 mm 내지 10 mm이고, 외경이 0.5 mm 내지 20 mm이고,
    축직경과 스크류 길이의 비가 1:4 내지 1:40이고,
    상기 스크류의 리드각이 0.1° 내지 60°인
    이중 스크류 압출 혼합 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스크류는 피치의 위상차가 45° 내지 135°가 되도록 배치되는 이중 스크류 압출 혼합 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 주입구에는 세포가 주입되는 이중 스크류 압출 혼합 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압출 헤드의 토출량은 0.1 ml 내지 20 ml인 이중 스크류 압출 혼합 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스크류와 상기 압출 헤드는 금속 재질, 비금속 재질 및 플라스틱 재질 중 어느 하나의 재질로 형성되는 이중 스크류 압출 혼합 시스템.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 압출 헤드는 온도를 조절하는 온도 컨트롤러가 구비되고,
    상기 온도 컨트롤러는 상기 압출 헤드의 온도를 30 ℃ 내지 300 ℃로 조절하는 이중 스크류 압출 혼합 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 압출 헤드는 상기 제1 및 제2 스크류를 회전시키기 위한 구동부가 구비되고,
    상기 구동부는 상기 제1 및 제2 스크류에 구비되는 기어 또는 벨트를 포함하고, 상기 제1 및 제2 스크류를 동일 방향으로 회전시키거나, 반대 방향으로 회전시키는 이중 스크류 압출 혼합 시스템.
  10. 제1항 기재의 이중 스크류 압출 혼합 시스템을 이용하여 살아있는 세포를 포함하는 다성분 물질로 이루어지는 재료를 생체적합 매트릭스와 혼합하여 인쇄하는 이중 스크류 압출 혼합 시스템을 이용한 프린팅 방법.
KR1020200048105A 2020-04-21 2020-04-21 이중 스크류 압출 혼합 시스템 및 방법 KR102286073B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200048105A KR102286073B1 (ko) 2020-04-21 2020-04-21 이중 스크류 압출 혼합 시스템 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200048105A KR102286073B1 (ko) 2020-04-21 2020-04-21 이중 스크류 압출 혼합 시스템 및 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102286073B1 true KR102286073B1 (ko) 2021-08-06

Family

ID=77315096

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200048105A KR102286073B1 (ko) 2020-04-21 2020-04-21 이중 스크류 압출 혼합 시스템 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102286073B1 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114147936A (zh) * 2021-12-27 2022-03-08 芜湖市爱三迪电子科技有限公司 一种多样化的线材挤出设备
CN115056451A (zh) * 2022-06-20 2022-09-16 江苏奇鹰电线电缆有限公司 一种用于电缆保护管的锥形双螺杆挤出装置
KR20230085102A (ko) 2021-12-06 2023-06-13 주식회사 매트릭셀바이오 혼합균질성을 개선하기 위한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법
WO2023106789A1 (ko) * 2021-12-06 2023-06-15 주식회사 매트릭셀바이오 혼합균질성을 개선하기 위한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법
KR20240024730A (ko) 2022-08-16 2024-02-26 주식회사 매트릭셀바이오 바이오잉크 또는 하이드로젤 입자 크기 조절이 가능한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0655612A (ja) * 1992-08-04 1994-03-01 Kobe Steel Ltd 二軸押出機のスクリュー
JP2004181954A (ja) * 2002-11-21 2004-07-02 Calp Corp 混練押出機及びそれを用いて製造したマスターバッチ
KR20070099562A (ko) * 2004-11-17 2007-10-09 오웬스-코닝 파이버글라스 테크놀로지 인코퍼레이션 압출 제품 강화용 습식 촙드 스트랜드 유리
JP5738792B2 (ja) * 2012-03-27 2015-06-24 富士フイルム株式会社 ポリエステルフィルムの製造方法並びにポリエステルフィルム、太陽電池用保護シート及び太陽電池モジュール
KR20160117621A (ko) * 2008-08-21 2016-10-10 티피케이 홀딩 컴퍼니 리미티드 개선된 표면, 코팅 및 관련 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0655612A (ja) * 1992-08-04 1994-03-01 Kobe Steel Ltd 二軸押出機のスクリュー
JP2004181954A (ja) * 2002-11-21 2004-07-02 Calp Corp 混練押出機及びそれを用いて製造したマスターバッチ
KR20070099562A (ko) * 2004-11-17 2007-10-09 오웬스-코닝 파이버글라스 테크놀로지 인코퍼레이션 압출 제품 강화용 습식 촙드 스트랜드 유리
KR20160117621A (ko) * 2008-08-21 2016-10-10 티피케이 홀딩 컴퍼니 리미티드 개선된 표면, 코팅 및 관련 방법
JP5738792B2 (ja) * 2012-03-27 2015-06-24 富士フイルム株式会社 ポリエステルフィルムの製造方法並びにポリエステルフィルム、太陽電池用保護シート及び太陽電池モジュール

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230085102A (ko) 2021-12-06 2023-06-13 주식회사 매트릭셀바이오 혼합균질성을 개선하기 위한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법
WO2023106789A1 (ko) * 2021-12-06 2023-06-15 주식회사 매트릭셀바이오 혼합균질성을 개선하기 위한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법
CN114147936A (zh) * 2021-12-27 2022-03-08 芜湖市爱三迪电子科技有限公司 一种多样化的线材挤出设备
CN115056451A (zh) * 2022-06-20 2022-09-16 江苏奇鹰电线电缆有限公司 一种用于电缆保护管的锥形双螺杆挤出装置
CN115056451B (zh) * 2022-06-20 2023-10-13 江苏奇鹰电线电缆有限公司 一种用于电缆保护管的锥形双螺杆挤出装置
KR20240024730A (ko) 2022-08-16 2024-02-26 주식회사 매트릭셀바이오 바이오잉크 또는 하이드로젤 입자 크기 조절이 가능한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102286073B1 (ko) 이중 스크류 압출 혼합 시스템 및 방법
Bhattacharyya et al. Bioink homogeneity control during 3D bioprinting of multicomponent micro/nanocomposite hydrogel for even tissue regeneration using novel twin screw extrusion system
JP6898353B2 (ja) 三次元プリンティング用インクを供給する方法およびこれを用いた三次元印刷方法
Ding et al. Jammed micro‐flake hydrogel for four‐dimensional living cell bioprinting
Wang et al. Controlled dual drug release by coaxial electrospun fibers–impact of the core fluid on drug encapsulation and release
JP6100373B2 (ja) 分散したナノ粒子を含む連続した誘電体膜の形成方法
US8128591B2 (en) Multiple component mixing and delivery system
CN110234314A (zh) 在包含纳米原纤纤维素的水凝胶中干燥无细胞组织提取物的方法以及包含纳米原纤纤维素和无细胞组织提取物的干燥水凝胶
Kim et al. Biomimetic gelatin/HA biocomposites with effective elastic properties and 3D-structural flexibility using a 3D-printing process
CA2543617A1 (en) Preparing active polymer extrudates
JP2017526432A (ja) 移植可能な物品を製造するために有用な組成物、方法、及び装置
CN108379666A (zh) 一种明胶微球/磷酸镁基骨水泥药物缓释载体及其制备方法
Della Porta et al. Microcapsule technology for controlled growth factor release in musculoskeletal tissue engineering
CN104001205A (zh) 一种流体敷料及其制备方法
KR101892731B1 (ko) 구형 세라믹 과립 및 이의 제조방법
CN109568674A (zh) 载药型仿生骨修复多孔支架的制备方法及其产品和应用
Seok et al. Bio-plotted hydrogel scaffold with core and sheath strand-enhancing mechanical and biological properties for tissue regeneration
US20210187156A1 (en) Collagen Biomaterials And Methods For Manufacturing Collagen Biomaterials
Wu et al. Optimization of freeform reversible embedding of suspended hydrogel microspheres for substantially improved three-dimensional bioprinting capabilities
KR20230085102A (ko) 혼합균질성을 개선하기 위한 바이오 펜 구조와 그를 이용한 바이오 프린팅 방법
Zepon et al. Influence of process parameters on microstructure and mechanical properties of starch-cellulose acetate/silver sulfadiazine matrices prepared by melt extrusion
US20220212410A1 (en) Multi-Material In Situ Bioprinting
Felgueiras et al. Biodegradable wet-spun fibers modified with antimicrobial agents for potential applications in biomedical engineering
Tuftee et al. Emerging granular hydrogel bioinks to improve biological function in bioprinted constructs
Sekyi et al. Comparative analysis of granule properties in continuous granulators

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant