KR102337814B1 - 바이오 3d 프린터의 생체물질　적층을 위한 하방 분사 방식 네블라이저의 누액 방지 시스템 - Google Patents

바이오 3d 프린터의 생체물질　적층을 위한 하방 분사 방식 네블라이저의 누액 방지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 바이오 3D 프린터의 생체물질　적층을 위한 하방 분사 방식 네블라이저의 누액 방지 시스템은, 바이오 3D 프린터의 출력부를 구성하는 시스템으로서, 기판을 향해 바이오 물질을 미스트 형태로 하향 분무하는 네블라이저; 상기 네블라이저의 상부에 착탈 가능하게 설치된 진공 캡; 상기 진공 캡에 호스를 통해 연결된 분배기; 상기 분배기와 호스를 통해 연결된 진공 발생 모듈; 상기 진공 발생 모듈에 공기압을 발생시키는 컴프레셔; 및 상기 진공 발생 모듈과 상기 네블라이저에 전기적으로 연결되어, 상기 진공 발생 모듈의 출력 압력을 제어하며, 상기 네블라이저의 작동을 제어하는 제어기;를 포함한 것을 특징으로 한다.

Description

바이오 3D 프린터의 생체물질　적층을 위한 하방 분사 방식 네블라이저의 누액 방지 시스템{leakage prevention system of downward spray type nebulizer in 3D printer for stacking a biomaterial}
본 발명은 바이오 3D 프린터에 관한 기술로서, 생체물질을 미스트 형태로 하방으로 분사시키는 네블라이저를 포함한 3D 프린터 장치에서 중력에 의해 바이오 물질이 예기치 않게 네블라이저로부터 누액되는 것을 방지하는 기술에 관한 것이다.
3차원 프린터는 XYZ 축을 구성하는 프레임과, 입체적 형태를 평면 형태로 적층할 수 있는 액상 또는 분상의 소재가 분사되는 노즐을 포함한다. 3차원 프린터는 방식에 따라 예컨대, 카르테시안(Cartesian) 방식, 멘델(Mendel) 방식, 델타(Delta) 방식, 코어XY(Core XY) 방식 등이 있다. 상기 카르테시안 방식은 베드가 X,Y축으로 이동하고 노즐이 Z축으로 이동하여 3차원 프린팅을 구현하는 방식이다. 상기 멘델 방식은 베드가 Z축으로 이동하고 노즐이 X,Y축으로 이동하여 3차원 프린팅을 구현하는 방식이다. 상기 델타 방식은 노즐이 X,Y,Z축으로 이동하여 3차원 프린팅을 구현하는 방식이다. 상기 코어XY 방식은 노즐이 2개의 모터에 의해 연결된 벨트에 의해 X,Y축 방향으로 이동되며, 베드는 Z방향으로 이동하는 방식이다. 상기 코어 최근에는 노즐의 위치를 가장 정밀하게 제어할 수 있는 코어XY 방식이 널리 사용되고 있다.
바이오 3차원(3D) 프린터는 3차원 프린터의 노즐을 통해 바이오 물질을 토출시켜 생체 조직이나 장기를 입체적으로 생성할 수 있도록 구조적으로 변형된 장치이다.
이러한 바이오 3차원 프린터는 바이오 물질의 토출을 위한 디스펜서(dispenser) 형태의 노즐을 포함한다. 바이오 3차원 프린터는 노즐에 콜라겐, 젤라틴 등과 같은 점성이 있는 바이오 물질을 채워 넣는다. 점성이 있는 바이오 물질이 채워진 노즐에 공압 시스템을 연결하여 바이오 물질을 밀어내면서 토출하는 방식을 사용한다.
이러한 바이오 3차원 프린터의 일 예가 대한민국 등록특허 제1828345호에 개시되어 있다.
한편, 바이오 3D 프린터에 채용되는 바이오 물질의 종류에 따라 점도가 낮은 경우에는 위와 같은 디스펜서 형태의 노즐을 사용할 수 없다. 바이오 물질의 점도가 낮아 유동성이 지나치게 큰 경우 물질을 짜내는 압출 방식을 사용하는 노즐 형태의 디스펜서는 유체 제어가 힘들어 사용할 수 없다. 이런 경우에는 작은 물방울 형태로 바이오 물질을 소량 제어하여 분사하는 밸브 타입 디스펜서를 사용해야 한다. 유동성이 큰 바이오 물질을 출력하는 경우, 예컨대, 미국공개특허 제2011-0212501호에 개시된 바와 같이 네블라이저를 채용하여 바이오 물질을 기판 상에 미스트 형태로 분무하면서 층상 가교 또는 혼합 가교를 하는 방식을 사용할 수 있다.
그런데, 위와 같은 네블라이저를 채용하는 경우, 그 네블라이저는 바이오 물질을 기판을 향해 하향 분무하도록 구성되어야 한다. 바이오 3D 프린터에 사용되는 바이오 물질은 대부분 고가이다. 그런데 하향 분무식 네블라이저의 경우 네블라이저에 수용된 바이오 물질이 출력이 정지된 상태에서 중력에 의해 예기치 않게 네블라이저 하방으로 누액되는 문제점이 있다. 통상적으로 바이오 3D 프린터에서 바이오 물질을 출력할 때 30분~60분 정도의 출력시간이 소요된다. 이 경우 출력-->배양-->출력-->배양-->관찰 순으로 연구를 진행할 경우 2주 이상의 기간이 소요될 수 있다. 이와 같은 과정에서 네블라이저에 수용된 바이오 물질이 예기치 않게 누액되는 경우 경제적인 손실은 물론 치명적인 오류가 발생할 수 있는 문제점이 있다.
001 US 2011/0212501 A1 (2011.09.01) 002 KR 10-1828345 B1 (2018.02.06)
본 발명의 목적을 상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 바이오 물질이 하방 분사되도록 구성된 네블라이저를 포함한 바이오 3D 프린터 시스템의 구조를 개선함으로써 바이오 물질의 누액이 방지된 바이오 3D 프린터의 생체물질　적층을 위한 하방 분사 방식 네블라이저의 누액 방지 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 바이오 3D 프린터의 생체물질　적층을 위한 하방 분사 방식 네블라이저의 누액 방지 시스템은, 바이오 3D 프린터의 출력부를 구성하는 시스템으로서,
기판을 향해 바이오 물질을 미스트 형태로 하향 분무하는 네블라이저;
상기 네블라이저의 상부에 착탈 가능하게 설치된 진공 캡;
상기 진공 캡에 호스를 통해 연결된 분배기;
상기 분배기와 호스를 통해 연결된 진공 발생 모듈;
상기 진공 발생 모듈에 공기압을 발생시키는 컴프레셔; 및
상기 진공 발생 모듈과 상기 네블라이저에 전기적으로 연결되어, 상기 진공 발생 모듈의 출력 압력을 제어하며, 상기 네블라이저의 작동을 제어하는 제어기;를 포함한 점에 특징이 있다.
상기 진공 발생 모듈에서 출력되는 공기압은 -1.5KPa 내지 0KPa인 것이 바람직하다.
상기 진공 캡은 상기 네블라이저와 접촉되는 부위에 오링이 구비된 것이 바람직하다.
상기 네블라이저의 인근에 배치되며 상기 기판에 분무된 바이오 물질의 건조를 촉진시키도록 공기를 송풍하는 건조 팬을 포함한 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 바이오 3D 프린터의 생체물질　적층을 위한 하방 분사 방식 네블라이저의 누액 방지 시스템은 네블라이저가 작동하지 않은 시간에 미리 설정된 범위의 대기압 이하의 공기압이 상기 네블라이저에 가해지도록 구성함으로써 중력에 의한 바이오 물질의 누출을 방지하는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 시스템의 구성도이다.
도 2에 도시된 네블라이저 주변의 구성의 분리 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 네블라이저 주변의 구성을 확대한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 Ⅳ - Ⅳ 선 부분 절단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 시스템의 구성도이다. 도 2에 도시된 네블라이저 주변의 구성의 분리 사시도이다. 도 3은 도 1에 도시된 네블라이저 주변의 구성을 확대한 도면이다. 도 4는 도 3에 도시된 Ⅳ - Ⅳ 선 부분 절단면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 3D 프린터의 생체물질　적층을 위한 하방 분사 방식 네블라이저의 누액 방지 시스템(이하. "네블라이저의 누액 방지 시스템"은 네블라이저 카트리지(10)와, 네블라이저(20)와, 진공 캡(30)과, 분배기(40)와, 진공 발생 모듈(50)과, 컴프레셔(60)와, 제어기(70)와, 건조 팬(80)을 포함한다.
상기 네블라이저의 누액 방지 시스템은 바이오 3D 프린터의 출력부를 구성하는 시스템이다.
상기 네블라이저 카트리지(10)는 바이오 3D 프린터의 하우징(1)에 고정된다. 상기 네블라이저 카트리지(10)는 막대 형상의 구조물로서 복수의 네블라이저(20)가 착탈 가능하게 설치될 수 있도록 지면에 수직인 방향으로 관통 형성된 복수의 설치공(25)을 구비한다. 상기 네블라이저 카트리지(10)의 측면에는 상기 네블라이저(20)에서 분무된 바이오 물질(100)의 건조를 촉진시키도록 공기를 송풍하는 건조 팬(80)이 설치될 수 있다.
상기 네블라이저(20)는 기판을 향해 바이오 물질(100)을 미스트 형태로 하향 분무하는 장치다. 상기 네블라이저(20)는 상기 설치공(25)에 일부 수용된 상태로 설치된다. 상기 네블라이저(20)는 상기 설치공(25)의 측방에 나사 조립되는 고정 부재(27)에 의해 견고하게 상기 네블라이저 카트리지(10)에 고정될 수 있다. 상기 네블라이저(20)는 상부에 바이오 물질(100)을 수용하는 공간이 구비된다. 상기 네블라이저(20)는 하부에 진동 멤브레인(22)이 설치되어 있다. 본 발명에서 채용되는 네블라이저(20)는 진동 멤브레인 타입이다. 상기 진동 멤브레인(22)은 후술하는 제어기(70)의 신호에 의해 고주파로 진동함으로써 상기 네블라이저(20)에 수용된 바이오 물질(100)이 진동 멤브레인(22)의 하방으로 미스트 형태로 분할되어 분무된다. 본 발명에서 채용되는 네블라이저(20)의 원리는 공지된 진동 멤브레인 타입의 네블라이저와 동일하다. 상기 네블라이저(20)에서 분무되는 바이오 물질(100)의 입자크기는 5㎛이하인 것이 바람직하다. 상기 네블라이저(20)는 복수 구비될 수 있다.
상기 진공 캡(30)은 상기 네블라이저(20)의 상부에 착탈 가능하게 설치된다. 상기 진공 캡(30)은 사람의 손으로 설치 및 분리가 가능한 정도의 결합력을 가지도록 상기 네블라이저(20)에 설치된다. 더 구체적으로 상기 진공 캡(30)과 네블라이저(20)의 결합 또는 분리를 위해 가해지는 힘은 20N 내지 100N인 것이 바람직하다.
상기 진공 캡(30)은 후술하는 분배기(40)와 호스에 의해 연결된다. 상기 진공 캡(30)에는 오링(35)이 결합된다. 상기 오링(35)은 상기 진공 캡(30)과 상기 네블라이저(20)의 접촉 부위에 설치됨으로써 진공 캡(30)과 네블라이저(20) 틈이 발생하는 것을 방지한다.
상기 분배기(40)는 상기 진공 캡(30)에 호스를 통해 연결된다. 상기 분배기(40)는 후술하는 진공 발생 모듈(50)에서 발생하는 부압의 공기 압력을 일정하게 분배하여 각각의 네블라이저(20)에 작용시키는 역할을 수행한다. 상기 분배기(40)는 공지된 구조를 채용할 수 있다. 상기 진공 발생 모듈(50)에서 출력되는 공기압은 -1.5KPa 내지 0KPa인 것이 바람직하다. 상기 진공 발생 모듈(50)의 출력 공기압이 -1.5KPa 미만인 경우 상기 네블라이저(20)에 수용된 바이오 물질(100)이 분배기(40) 쪽으로 역류할 수 있는 문제점이 있다. 상기 진공 발생 모듈(50)의 출력 공기압이 0KPa를 초과하는 경우 네블라이저(20)에 수용된 바이오 물질(100)이 하방으로 누액되는 것을 방지할 수 없는 문제점이 있다.
상기 진공 발생 모듈(50)은 상기 분배기(40)와 호스를 통해 연결된다. 상기 진공 발생 모듈(50)은 분무기의 원리를 이용하여 특정 분기관에 대기압 보다 낮은 공기 압력이 발생하도록 하는 장치이다. 상기 진공 발생 모듈(50)은 공지된 진공 발생 모듈을 채용하여 구성될 수 있다. 상기 진공 발생 모듈(50)은 후술하는 제어기(70)에 전기적으로 연결됨으로써 그 제어기(70)의 신호에 의해 발생되는 압력을 가변적으로 조절할 수 있다.
상기 컴프레셔(60)는 상기 진공 발생 모듈(50)에 공기압을 작용시키는 장치다. 상기 컴프레셔(60)에서 발생된 공기압이 상기 진공 발생 모듈(50)을 통해 외부로 배출됨으로써 상기 진공 발생 모듈(50)의 특정 부분에 대기압 보다 낮은 공기압이 형성된다.
상기 진공 캡(30)과 상기 분배기(40) 사이 또는 상기 분배기(40)와 상기 진공 발생 모듈(50) 사이에는 수분 제거 필터(미도시)가 설치될 수 있다. 상기 수분 제거 필터는 상기 진공 발생 모듈(50)에서 발생된 압력이 적정 범위를 벗어나 바이오 물질(100)의 필요 이상의 큰 음압을 발생시키는 경우 바이오 물질(100)이 네블라이저(20)로부터 진공 발생 모듈(50) 쪽으로 역류하는 할 수 있는데, 이 경우에 역류된 바이오 물질(100)에 의해 진공 발생 모듈(50)이 손상되는 것을 방지하는 작용을 수행한다.
상기 제어기(70)는 상기 진공 발생 모듈(50)과 상기 네블라이저(20)에 전기적으로 연결된다. 상기 제어기(70)는 상기 진공 발생 모듈(50)의 출력 압력을 제어한다. 또한, 상기 제어기(70)는 상기 네블라이저(20)의 작동을 제어한다.
상기 건조 팬(80)은 상기 네블라이저(20)의 인근에 배치된다. 상기 건조 팬(80)은 상기 기판에 분무된 바이오 물질(100)의 건조를 촉진시키도록 공기를 송풍하는 장치다. 상기 건조 팬(80)은 상기 제어기(70)에 의해 제어될 수 있다. 상기 건조 팬(80)은 상기 네블라이저 카트리지(10)에 설치되는 것이 바람직하다. 상기 건조 팬(80)은 축류팬 또는 시로코 팬이 채용될 수 있다. 상기 건조 팬(80)은 상기 네블라이저(20)의 측방으로부터 공기를 흡입하여 상기 네블라이저(20)의 하방으로 배출하도록 구성된다.
상술한 바와 같은 구성요소를 포함한 바이오 3D 프린터의 생체물질　적층을 위한 하방 분사 방식 네블라이저의 누액 방지 시스템의 작용 효과를 네블라이저의 작동 순서에 따라 상세하게 설명하게로 한다.
먼저, 네블라이저(20)에 바이오 물질(100)을 충전 한 후 상부를 진공 캡(30)으로 밀봉한다. 상기 진공 캡(30)은 분배기(40)와 호스로 연결된다. 또한, 상기 분배기(40)는 다른 호스를 통해 진공 발생 모듈(50)에 연결된다. 상기 컴프레셔(60)와 진공 발생 모듈(50)은 호스에 의해 연결된다.
이 상태에서, 제어기(70)의 신호에 의해 네블라이저(20)가 작동된다. 네블라이저(20)의 진동 멤브레인(22)이 고주파로 진동하면서 바이오 물질(100)이 네블라이저(20)의 하방으로 분무된다. 이와 같은 분무를 일정 시간 유지한 후 네블라이저(20)가 정지된다. 상기 컴프레셔(60)는 네블라이저(20)의 작동과 상관없이 바이오 3D 프린터의 전원이 켜짐과 동시에 항상 작동한다. 이에 따라 진공 발생 모듈(50)에서 대기압 보다 낮은 공기 압력이 발생하여 분배기(40)를 통해 각각의 네블라이저(20)에 대기압 이하의 일정 범위 압력이 작용한다. 네블라이저(20)에 수용된 바이오 물질(100)은 상기 진동 멤브레인(22)이 진동하지 않은 경우에도 중력에 의해 상기 진동 멤브레인(22)의 기공을 통해 상기 네블라이저(20)의 하방으로 누출될 수 있다. 그런데, 상기 진공 발생 모듈(50)이 발생시키는 대기압 이하의 압력에 의해 네블라이저(20)에 수용된 바이오 물질(100)이 네블라이저(20)로부터 누액되지 않게 된다.
제어기(70)에 의해 다시 네블라이저(20)가 작동되는 경우 진동 멤브레인(22)의 진동에 의해 네블라이저(20)는 정상적인 바이오 물질(100)의 출력 작용을 수행한다.
이와 같이 본 발명에 따른 본 발명에 따른 바이오 3D 프린터의 생체물질　적층을 위한 하방 분사 방식 네블라이저의 누액 방지 시스템은 에 미리 설정된 범위의 대기압 이하의 공기압이 상기 네블라이저에 가해지도록 구성됨으로써 네블라이저가 작동하지 않은 동안에 중력에 의한 바이오 물질의 누출을 방지하는 효과를 제공한다.
이상, 바람직한 실시 예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명이 그러한 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 실시 예가 구체화될 수 있을 것이다.
10 : 네블라이저 카트리지
20 : 네블라이저
22 : 진동 멤브레인
25 : 설치공
27 : 고정 부재
30 : 진공 캡
35 : 오링
40 : 분배기
50 : 진공 발생 모듈
60 : 컴프레셔
70 : 제어기
80 : 건조 팬
100 : 바이오 물질

Claims (4)

  1. 바이오 3D 프린터의 출력부를 구성하는 시스템으로서,
    기판을 향해 바이오 물질을 미스트 형태로 하향 분무하는 네블라이저;
    상기 네블라이저의 상부에 착탈 가능하게 설치된 진공 캡;
    상기 진공 캡에 호스를 통해 연결된 분배기;
    상기 분배기와 호스를 통해 연결된 진공 발생 모듈;
    상기 진공 발생 모듈에 공기압을 발생시키는 컴프레셔; 및
    상기 진공 발생 모듈과 상기 네블라이저에 전기적으로 연결되어, 상기 진공 발생 모듈의 출력 압력을 제어하며, 상기 네블라이저의 작동을 제어하는 제어기;를 포함하며,
    상기 네블라이저는, 지면에 수직인 방향으로 관통 형성된 복수의 설치공이 구비된 막대 형상의 구조물인 네블라이저 카트리지에 착탈 가능하게 설치되며,
    상기 네블라이저는, 상부에 바이오 물질을 수용하는 공간이 구비되며, 하부에 진동 멤브레인이 설치됨으로써, 상기 제어기의 신호에 의해 상기 진동 멤브레인이 고주파로 진동하여 바이오 물질을 미스트 상태로 분무하도록 구성된 것을 특징으로 하는 바이오 3D 프린터의 생체물질　적층을 위한 하방 분사 방식 네블라이저의 누액 방지 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진공 발생 모듈에서 출력되는 공기압은 -1.5KPa 내지 0KPa인 것을 특징으로 하는 바이오 3D 프린터의 생체물질　적층을 위한 하방 분사 방식 네블라이저의 누액 방지 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 진공 캡은 상기 네블라이저와 접촉되는 부위에 오링이 구비된 것을 특징으로 하는 바이오 3D 프린터의 생체물질　적층을 위한 하방 분사 방식 네블라이저의 누액 방지 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 네블라이저의 인근에 배치되며 상기 기판에 분무된 바이오 물질의 건조를 촉진시키도록 공기를 송풍하는 건조 팬을 포함한 것을 특징으로 하는 바이오 3D 프린터의 생체물질　적층을 위한 하방 분사 방식 네블라이저의 누액 방지 시스템.

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