KR102382214B1 - 인공 생체조직 성형 장치 및 이를 이용한 인공 생체조직 성형 방법 - Google Patents

인공 생체조직 성형 장치 및 이를 이용한 인공 생체조직 성형 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 거치판재 상에 고정되고, 광경화 생체물질의 가교(Crosslink)를 위한 가시광선을 출력하는 평면디스플레이; 인공 생체조직 출력을 위한 수화젤(Hydrogel) 또는 살아있는 세포가 포함된 광경화 생체물질을 각각 저장하며, 공압에 의해 저장된 광경화 생체물질을 밸브의 개방에 의해 평면디스플레이에 각각 분사하고, 냉매 또는 열매의 순환 공급에 의해 광경화 생체물질의 온도가 각각 조절되도록 하며, 서로 상이한 광경화 생체물질을 각각 저장하도록 다수로 이루어지는 생체물질분사모듈; 생체물질분사모듈 각각을 승강시키는 분사모듈승강부; 생체물질분사모듈로부터 평면디스플레이 상에 각각 분사되는 광경화 생체물질을 가시광선에 의한 가교(Crosslink)에 의해 부착하여, 일면에 순차적으로 적층되도록 하는 프린팅베드모듈; 프린팅베드모듈이 광경화 생체물질의 적층을 위해 승강되도록 하는 베드모듈승강부; 거치판재의 이송 또는 생체물질분사모듈 및 프린팅베드모듈의 이송에 의해 평면디스플레이 상에 광경화 생체물질이 분사되는 위치를 조절하도록 하는 이송부; 및 평면디스플레이에 의한 광경화 생체물질의 가교 영역을 패터닝하도록 평면디스플레이의 가시광선 조사 영역을 제어하고, 프린팅베드모듈에 광경화 생체물질이 순차적으로 적층되도록 제어하는 제어부;를 포함하도록 한 인공 생체조직 성형 장치 및 이를 이용한 인공 생체조직 성형 방법에 관한 것이다.

Description

인공 생체조직 성형 장치 및 이를 이용한 인공 생체조직 성형 방법{Artificial biological tissue shaping apparatus and artificial biological tissue shaping method using the same}
본 발명은 인공 생체조직 성형 장치 및 이를 이용한 인공 생체조직 성형 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세포가 포함되어 성장할 수 있는 물질 또는 생체 세포가 포함된 물질(이하 '광경화 생체물질'이라 함)을 다양하게 사용하여, 하나의 3차원 수화젤(Hydrogel) 형태로 가교(crosslink)하는 인공 생체조직 성형 장치 및 이를 이용한 인공 생체조직 성형 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 인체나 동물은 여러 가지의 장기가 유기적으로 결합되어 구성된다. 이를 구성하는 장기들은 여러 종류의 세포들로 구성되어 있고, 세포들을 기본단위로 다양한 세포환경이 개개인의 세포의 신진대사, 세포분열, 세포성장, 세포사망 (Apoptosis)을 도울 수 있게 한다.
최근 재생의학의 발전과 줄기세포의 발견으로, 질병에 걸린 특정 신체조직 및 장기를 건강한 신체조직으로 바꾸어 주는 소위, 재생의학(Tissue Engineering) 이 대두되었다. 여기서 중요한 사항은 세포(줄기세포 포함)가 광경화 생체물질이나, 평면에서 배양되면, 대부분 본질의 구실을 못하게 되는 경우가 많으므로, 개개의 세포들을 생체조직과 같이 3차원으로 조합하는 것이 이상적이며, 이를 위해 세포의 정상적 성장에 필요한 성장 호르몬(cytokine과 chemokine), 혈관생성물질 및 조혈관세포, 세포 사이에 분포되는 ECM(extra cellular matrix)도 세포와 아울러 3차원으로 구성되어야 한다.
그러나, 이와 같은 이상적이 조건들은 정밀하게 구현하기 어려울 뿐만 아니라, 구조물에 포함될 모든 물질의 특성과 세포의 종류에 맞는 분사방식과 가교(crosslink)방식을 필요로 하기 때문에 이 분야에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 종래의 방법으로는, 생체적으로 호환 가능한 수화젤(Hydrogel)을 사용하여 3차원 비계(scaffold, 뼈대)를 만든 후, 그 안에 세포를 심어주거나, 세포가 포함된 수화젤(Hydrogel)을 3차원 구조물로 사용하는 방식이 이용되었다.
최근, 3차원 조형(3D Rapid prototyping)방식 중 가장 정밀한 구조체를 제작할 수 있는 광경화 방식은 평면의 성형물을 순차적으로 수직 조합하여, 복잡한 3차원 구조물을 모형으로 성형하는데, 대표적인 방식으로는 SLA(stereolithography apparatus)방식, DLP(digital light processing)와 MSLA(Masked stereolithography)방식 등이 있다.
SLA방식은 레이저 튜브를 거쳐 나온 레이저 빔이 X축과 Y축으로 회전하는 거울(Galvanometer)에 반사된다. 반사된 레이저 빔은 렌즈를 통과하여, 광경화성 레진을 담은 탱크(vat) 속의 액상 레진 표면에 정확하게 초점이 맞춰진다. 초점이 맞춰진 레이저 빔은 광경화성 레진 표면에서 얇은 선 형태로 도면을 그리고(patterning), 조사된 광경화성 레진 표면은 가교(Crosslink)반응을 일으켜 고체로 변화하며, 프린팅 베드 위에 쌓여서 적층된다. 여기서 프린팅베드는 레진(resin)의 위에서 내려올수도 있다.
DLP와 MSLA방식은 선으로 그리는(patterning) SLA 방식과는 달리, 면(layer)단위로 그려 가교(crosslink)시키는 방식이다. 따라서, DLP와 MSLA방식은 선으로 그리는 SLA방식보다 2차원 평면에 액상 레진을 가교시키는 속도가 빠르다. 이와 같이 면 형태로 그리는 광경화 3차원 조형 방식은 대게 높은 전력의 램프나 LED 등을 별도의 광원으로 사용한다. 광원에서 나온 빛은 렌즈를 사용하여 퍼지지 않게 면 형태로 모아주며, 모여진 광원은 LCD(liquid-crystal display) 패널을 통과하여 LCD 패널과 프린팅 베드(Printing bed) 위에 경화된 레진 사이에 채워진 액상 광경화성 레진을 가교 반응시키고, 고체로 변화된 레진은 프린팅 베드의 아래에 적층된다.
그러나, 이와 같은 종래의 광경화 방식의 3차원 성형방식은 광경화 생체물질과 실제 살아있는 세포를 사용해야 하는 바이오 3차원 성형기술에 적용하면 다음과 같은 심각한 문제점을 발생시킨다.
앞서 언급한 이상적인 3차원 생체 조직에서는 정교한 성형기술 뿐만 아니라, 다양한 생체 물질과 세포를 출력할 수 있어야 한다. 하지만, 종래의 광경화 방식의 3차원 성형방식에서는 레진 탱크(vat)에 한 가지 물질만을 채워 사용하기 때문에 다양한 물질을 사용할 수 없는 구조이다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 종래의 광경화 방식의 3차원 성형기술에서도, 출력 도중에 탱크를 수시로 교환해주어 다양한 광경화 생체물질을 사용하는 방법도 생각해 볼 수 있지만, 이 경우 교환하기 전 광경화 생체물질이 프린팅 베드와 적층물 사이에 많은 양을 머금고 있기 때문에, 교환된 광경화성 생체 물질의 성분과 섞이게 되고, 이 과정으로 인하여 가교가 잘 안되거나, 원하는 적층물과는 다른 결과나 물질을 형성하게 된다.
또한, 종래의 광경화 방식의 3차원 성형방식에서는 높은 출력과 짧은 파장대의 UV(ultraviolet)광원을 사용한다. 이러한 이유는 액상 레진이 높은 빛 에너지를 받아 빠르게 가교되게 하기 위함이다. 그러나 실제 살아있는 세포를 사용해야하는 바이오 3차원 성형 방식에서는 높은 출력과 낮은 파장의 UV(ultraviolet)광원이 세포의 DNA를 파괴하여 생존율을 낮추거나, 세포의 성질을 변형시키기 때문에 사용해서는 안된다.
그리고, 종래 사용하는 광경화성 액상 레진은 가교된 후에 고체 상태로 변하여 프린팅 베드에 쌓이는데, 세포는 고체상태가 아닌 수화젤(hydrogel)상태 안에서만 생존할 수 있어서 딱딱한 고체로 쌓아 적층되는 광경화 레진은 사용할 수 없다는 문제점을 가진다.
한국등록특허 제10-1805774호, 3차원 바이오 프린트 장치 및 이를 이용한 3차원 바이오 프린트 방법, 2017.11.30 등록
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 바이오 3D 광경화 성형방식에서 다양한 광경화 생체물질과 세포를 탱크(VAT)없이 사용할 수 있도록 하는데 목적이 있다.
또한 본 발명은 다양한 광경화 생체물질과 세포가 서로 섞이는 것을 획기적으로 줄이도록 하는데 목적이 있다.
또한 본 발명은 높은 출력과 낮은 파장의 광원을 가시광선 주파수로 바꿔 세포의 생존율을 높이고, 손상을 줄이도록 하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시례에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 거치판재 상에 고정되고, 광경화 생체물질의 가교(Crosslink)를 위한 가시광선을 출력하는 평면디스플레이; 인공 생체조직 출력을 위한 수화젤(Hydrogel) 또는 살아있는 세포가 포함된 광경화 생체물질을 각각 저장하며, 공압에 의해 저장된 광경화 생체물질을 밸브의 개방에 의해 상기 평면디스플레이에 각각 분사하고, 냉매 또는 열매의 순환 공급에 의해 상기 광경화 생체물질의 온도가 각각 조절되도록 하며, 서로 상이한 광경화 생체물질을 각각 저장하도록 다수로 이루어지는 생체물질분사모듈; 상기 생체물질분사모듈 각각을 승강시키는 분사모듈승강부; 상기 생체물질분사모듈로부터 상기 평면디스플레이 상에 각각 분사되는 광경화 생체물질을 상기 가시광선에 의한 가교(Crosslink)에 의해 부착하여, 일면에 순차적으로 적층되도록 하는 프린팅베드모듈; 상기 프린팅베드모듈이 상기 광경화 생체물질의 적층을 위해 승강되도록 하는 베드모듈승강부; 상기 거치판재의 이송 또는 상기 생체물질분사모듈 및 상기 프린팅베드모듈의 이송에 의해 상기 평면디스플레이 상에 상기 광경화 생체물질이 분사되는 위치를 조절하도록 하는 이송부; 및 상기 평면디스플레이에 의한 상기 광경화 생체물질의 가교 영역을 패터닝하도록 상기 평면디스플레이의 가시광선 조사 영역을 제어하고, 상기 프린팅베드모듈에 광경화 생체물질이 순차적으로 적층되도록 제어하는 제어부;를 포함하는, 인공 생체조직 성형 장치가 제공된다.
상기 평면디스플레이는, 상기 거치판재 상에 마련되는 고정클립에 의해 착탈 가능하게 고정될 수 있다.
상기 생체물질분사모듈은, 상기 광경화 생체물질이 저장되는 생체물질탱크; 상기 생체물질탱크에 공압을 공급하기 위해 마련되는 공압포트; 상기 생체물질탱크로부터 저장된 광경화 생체물질이 공압에 의해 분사되기 위한 통로를 제공하는 생체물질이동관; 상기 생체물질이동관에 광경화 생체물질의 분사를 개폐시키도록 설치되는 밸브; 및 상기 생체물질탱크의 외측에 설치되고, 냉각수 또는 고온수의 공급 및 배출을 위해 입수포트 및 입출포트가 마련되는 워터자켓;을 포함할 수 있다.
상기 프린팅베드모듈은, 상기 광경화 생체물질이 하면에 적층되도록 하는 판상의 프린팅베드; 상기 프린팅베드의 상면에 마련되는 결속구; 상기 결속구에 결속되고, 끝단에 볼이 마련되는 마운트; 상기 볼에 볼 결합됨으로써, 상기 마운트의 전방위 회전을 허용하고, 제 1 고정볼트의 조임에 의해 상기 볼에 고정되는 볼조인트; 상기 볼조인트에 상방으로 연장되도록 마련되는 샤프트; 및 상기 샤프트에 슬라이딩 결합됨으로써, 상기 샤프트의 높이 조절이 가능하고, 제 2 고정볼트의 조임에 의해 상기 샤프트의 위치를 고정시키며, 상기 베드모듈승강부에 연결되는 샤프트가이드;를 포함할 수 있다.
상기 이송부는, 이송스테이지; 상기 이송스테이지 상에 위치하는 이송체; 상기 이송체를 상기 이송스테이지 상에서 제 1 수평방향으로 왕복 이송시키는 제 1 이송구동부; 상기 이송체 상에 위치하는 거치판재를 상기 제 1 수평방향에 직교하는 제 2 수평방향으로 이송시키는 제 2 이송구동부; 및 상기 이송스테이지를 승강시키는 스테이지승강부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 인공 생체조직 출력을 위한 수화젤(Hydrogel) 또는 살아있는 세포가 포함되는 광경화 생체물질을 서로 상이하도록 각각 저장하는 다수의 생체물질분사모듈 중에서, 원하는 생체물질분사모듈이 평면디스플레이의 상측에 위치한 상태에서, 분사모듈승강부에 의해 하강하여 평면디스플레이 상에 광경화 생체물질을 분사시킨 후, 분사모듈승강부에 의해 상승하여 복귀하도록 하는 분사단계; 이송부에 의해 프린팅베드모듈의 하방에 상기 평면디스플레이가 위치하면, 상기 프린팅베드모듈이 베드모듈승강부에 의해 하강하여 상기 평면디스플레이 상의 광경화 생체물질에 접촉하여 프린팅베드의 하면에 상기 평면디스플레이로부터 조사되는 가시광선의 영역에 해당하는 광경화 생체물질이 가교(Crosslink)되면서 부착되도록 한 후, 상기 베드모듈승강부에 의해 상승하여 복귀하도록 하는 부착단계; 및 상기 분사단계 및 상기 부착단계를 반복함으로써, 상기 프린팅베드의 하면에 원하는 광경화 생체물질이 순차적으로 적층되도록 하는 반복단계;를 포함하는, 인공 생체조직 성형 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 인공 생체조직 성형 장치 및 이를 이용한 인공 생체조직 성형 방법에 의하면, 바이오 3D 광경화 성형방식에서 다양한 광경화 생체물질과 세포를 탱크(VAT)없이 사용할 수 있도록 하고, 다양한 광경화 생체물질과 세포가 서로 섞이는 것을 획기적으로 줄이도록 하며, 높은 출력과 낮은 파장의 광원을 가시광선 주파수로 바꿔 세포의 생존율을 높이고, 가시광선을 이용한 생체조직의 가교(Crosslink)에 의해 생체조직에 대한 손상을 줄이도록 하며, 연구의 다양성이 높아지도록 할 뿐만 아니라, 수치화된 성형방법을 바탕으로 연구의 재현성이 높이지도록 하고, 고가의 광경화 생체물질을 사용해야 하는 바이오 산업에서 연구의 재현성이 높아지도록 하여, 연구의 경제성과 생산성을 향상시키는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 인공 생체조직 성형 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 인공 생체조직 성형 장치를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 인공 생체조직 성형 장치의 거치판재와 평면디스플레이를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 인공 생체조직 성형 장치의 생체물질탱크모듈을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시례에 따른 인공 생체조직 성형 장치의 프린팅베드모듈을 도시한 사시도이다.
도 6 내지 도 19는 본 발명의 다른 실시례에 따른 인공 생체조직 성형 방법을 순차적으로 설명하기 위한 개략도 및 단계별 프린팅 베드 적층 상태를 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 인공 생체조직 성형 장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시례에 따른 인공 생체조직 성형 장치를 도시한 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시례에 따른 인공 생체조직 성형 장치(100)는 평면디스플레이(120), 생체물질분사모듈(140), 분사모듈승강부(150), 프린팅베드모듈(160), 베드모듈승강부(170), 이송부(180) 및 제어부(310)를 포함할 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 평면디스플레이(120)는 거치판재(110) 상에 고정되고, 광경화 생체물질의 가교(Crosslink)를 위한 가시광선을 출력하는데, 이때, 가시광선이 조사되는 패턴을 조절할 수 있고, 이로 인해 광경화성 생체물질의 가교 영역 역시, 가시광선의 조사 패턴에 의해 조절할 수 있게 된다. 또한 평면디스플레이(120)는 예컨대 본 실시례에서처럼, 거치판재(110) 상에 마련되는 고정클립(111)에 의해 착탈 가능하게 고정될 수 있다. 고정클립(111)은 예컨대 평면디스플레이(120) 각각의 모서리에 대응하도록 다수로 설치되고, 휨에 대한 복원력을 가지는 재질로 이루어져서 회전 가능하게 결합될 수 있으며, 평면디스플레이(120) 상에서 광경화 생체물질의 출력 영역을 벗어나도록 위치함으로써 평면디스플레이(120)가 거치판재(110)에 밀착되도록 할 수 있다.
평면디스플레이(120)는 HD 이상의 해상도를 가지도록 구성될 수 있는 디스플레이장치의 일종으로서, 이용되는 평면 디스플레이 방식에는 가시광선 파장대의 OLED, 퀀텀닷, LED, LCD 등의 기술이 사용될 수 있으며, 원하는 형태의 광출력에 의해, 상면에 도포된 광경화 생체물질이 광경화성 수화젤(Hydrogel)을 포함하는 경우, 이러한 광경화 생체물질이 원하는 형태로 광경화가 이루어지도록 할 수 있다. 그리고 필요에 따라 평면디스플레이(120) 표면에는 가교(crosslink)된 광경화 생체물질이 잘 분리될 수 있도록 도와주는 필름의 부착이나 코팅층을 형성할 수 있다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 생체물질분사모듈(140)은 인공 생체조직 출력을 위한 수화젤(Hydrogel) 또는 살아있는 세포가 포함된 광경화 생체물질을 각각 저장하고, 공압에 의해 저장된 광경화 생체물질을 밸브(144)의 개방에 의해 평면디스플레이(120)에 각각 분사하고, 냉매 또는 열매의 순환 공급에 의해 광경화 생체물질의 온도가 각각 조절되도록 하고, 서로 상이한 광경화 생체물질을 각각 저장하도록 다수로 이루어진다. 또한 생체물질분사모듈(140)은 적층하고자 하는 광경화 생체물질의 종류수보다 같거나 많은 개수로 이루어질 수 있다.
생체물질분사모듈(140)은 광경화 생체물질이 저장되는 생체물질탱크(141)와, 생체물질탱크(141)에 공압을 공급하기 위해 마련되는 공압포트(142)와, 생체물질탱크(141)로부터 저장된 광경화 생체물질이 공압에 의해 분사되기 위한 통로를 제공하는 생체물질이동관(143)과, 생체물질이동관(143)에 광경화 생체물질의 분사를 개폐시키도록 설치되는 밸브(144)와, 생체물질탱크(141)의 외측에 설치되고, 냉각수 또는 고온수의 순환을 위한 공급 및 배출을 위해 입수포트(145a) 및 입출포트(145b)가 각각 마련되는 워터자켓(145)을 포함할 수 있다.
광경화 생체물질에 공급하는 공압은 별도의 콤프레셔와 같은 공압공급부(190)로부터 공급되는데, 공압공급부(190)로부터의 공압 공급은 제어부(210)에 의해 제어될 수 있다. 생체물질탱크(141)에 가해지는 공압은 5~15psi 범위 내일 수 있다. 밸브(144)는 광경화 생체물질을 정해진 양만큼 공급되도록 제어하되, 일례로 방울 형태로 분사되도록 할 수 있고, 1회 최소로 분사되는 광경화 생체물질의 양이 최대 100nL 이하일 수 있는데, 이때, 밸브(144)는 제어부(210)의 제어신호에 의해 개폐 동작을 수행하기 위한 제어밸브로 이루어질 수 있다.
워터자켓(145)에 의해 조절되는 광경화 생체물질의 온도는 4~50℃ 범위에 해당될 수 있고, 이러한 온도로 유지하기 위해 별도의 냉각을 위한 칠러와 가열을 위한 보일러를 별도로 구성함으로써, 광경화 생체물질에 적합한 온도를 설정시, 제어부(210)는 광경화 생체물질의 온도를 감지하는 온도센서의 감지신호를 수신받아 설정된 온도에 해당하도록 칠러로부터 냉각수 또는 보일러로부터 고온수를 개폐밸브의 제어와 함께 펌프의 펌핑에 의해 공급받아 워터자켓에 순환 공급되도록 구성할 수 있다. 칠러와 보일러는 제어부(210)에 의해 동작이 제어되는데, 칠러의 경우 예컨대 냉각사이클에 의해 냉각수를 생성하도록 구성될 수 있고, 보일러의 경우 히터에 의해 고온수를 생성하도록 구성될 수 있는데, 이는 하나의 예시로서 이와 달리하여 다양한 방법에 의하여, 냉각수와 고온수를 각각 생성하도록 구성할 수 있다. 또한 워커자켓(145)은 광경화 생체물질의 저장 온도를 일정하게 유지하도록 하는 역할 뿐만 아니라, 외부 광의 유입을 차단하는 역할도 할 수 있다.
분사모듈승강부(150)는 생체물질분사모듈(140) 각각을 승강시키도록 하는데, 이를 위해, 거치판재(110)의 상부에 설치되는 상부설치재(130)에 고정된 상태에서 생체물질분사모듈(140) 각각이 결합되고, 상부설치재(130)로부터 생체물질분사모듈(140) 각각에 대한 승강을 위하여, 생체물질분사모듈(140)의 개수에 상응하는 개수로 이루어져서 각각 독립적으로 구동하도록 제어부(210)에 의해 제어될 수 있는데, 일례로 리니어모터가 사용되거나, 다른 예로서, 회전모터의 회전력을 직선 운동으로 전환하는 볼스크루와 리드스크루 또는 그 밖의 다양한 구동력 전환장치를 사용하거나, 또 다른 예로서, 실린더 등을 사용할 수도 있다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 프린팅베드모듈(160)은 생체물질분사모듈(140)로부터 평면디스플레이(120) 상에 각각 분사되는 광경화 생체물질을 평면디스플레이부(120)로부터 조사되는 가시광선에 의한 가교(Crosslink)에 의해 부착하여 순차적으로 적층되도록 한다.
프린팅베드모듈(160)은 예컨대 본 실시례에서처럼 광경화 생체물질이 하면에 적층되도록 하는 판상의 프린팅베드(161)와, 프린팅베드(161)의 상면에 마련되는 결속구(162)와, 결속구(162)에 결속되고, 끝단에 볼(163a)이 마련되는 마운트(163)와, 볼(163a)에 볼 결합됨으로써, 마운트(163)의 전방위 회전을 허용하고, 제 1 고정볼트(164a)의 조임에 의해 볼(163a)에 고정되는 볼조인트(164)와, 볼조인트(164)에 상방으로 연장되도록 마련되는 샤프트(165)와, 샤프트(165)에 슬라이딩 결합됨으로써, 샤프트(165)의 높이 조절이 가능하고, 제 2 고정볼트(166a)의 조임에 의해 샤프트(165)의 위치를 고정시키며, 베드모듈승강부((170)에 연결되는 샤프트가이드(166)를 포함할 수 있다.
프린팅베드(161)는 플라스틱이나 금속 등의 다양한 재질로 제작될 수 있다. 프린팅베드(161)는 마운트(163)와 볼조인트(164)에 의한 볼 결합에 의해 평면디스플레이(120)와의 밀착도록 높이도록 할 수 있다. 결속구(162)는 억지 끼움, 걸림 또는 그 밖의 다양한 결합 구조 또는 자력 등을 이용하여, 프린팅베드(161)와 마운트(163)의 결합을 서로 매개할 수 있다.
베드모듈승강부(170)는 프린팅베드모듈(160)이 광경화 생체물질의 적층을 위해 승강되도록 한다. 베드모듈승강부(170)는 상부설치재(130)에 설치되는데, 프린팅베드모듈(160)의 승강을 위하여, 일례로 리니어모터가 사용되거나, 다른 예로서, 회전모터의 회전력을 직선 운동으로 전환하는 볼스크루와 리드스크루 또는 그 밖의 다양한 구동력 전환장치를 사용하거나, 또 다른 예로서 실린더 등을 사용할 수도 있다.
이송부(180)는 거치판재(110)의 이송 또는 생체물질분사모듈(140) 및 프린팅베드모듈(160)의 이송에 의해, 평면디스플레이(120) 상에 광경화 생체물질이 분사되는 위치를 조절하도록 한다.
이송부(180)는 예컨대 본 실시례에서처럼, 거치판재(110)를 이송시키도록 구성될 수 있는데, 이를 위해 이송스테이지(181)와, 이송스테이지(181) 상에 위치하는 이송체(183)와, 이송체(183)를 이송스테이지(181) 상에서 제 1 수평방향(예컨대 X축방향)으로 왕복 이송시키는 제 1 이송구동부(182)와, 이송체(183) 상에 위치하는 거치판재(110)를 제 1 수평방향에 직교하는 제 2 수평방향(예컨대 Y축방향)으로 이송시키는 제 2 이송구동부(184)와, 이송스테이지(181)를 승강시키는 스테이지승강부(185)를 더 포함할 수 있다.
제 1 이송구동부(182), 제 2 이송구동부(184), 그리고 스테이지승강부(185)는 이송 동작을 위하여, 일례로 리니어모터가 사용되거나, 다른 예로서, 회전모터의 회전력을 직선 운동으로 전환하는 볼스크루와 리드스크루 또는 그 밖의 다양한 구동력 전환장치를 사용하거나, 또 다른 예로서 실린더 등을 사용할 수도 있다.
제어부(210)는 평면디스플레이(120)에 의한 광경화 생체물질의 가교 영역을 패터닝하도록 평면디스플레이(120)의 가시광선 조사 영역을 제어하고, 프린팅베드모듈(160)에 광경화 생체물질이 순차적으로 적층되도록 제어한다. 제어부(210)는 조작부(211)의 조작신호를 수신받아, 조작신호에 상응하는 명령을 수행하기 위한 제어를 수행하는데, 적층되는 광경화 생체물질의 종류 및 적층 영역 등이 미리 정해지면, 이러한 정해진 정보에 따라 필요한 동작을 수행하도록 제어할 수 있는데, 이에 대해서는 후술하는 본 발명의 다른 실시례에 따른 인공 생체조직 성형 방법에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 다른 실시례에 따른 인공 생체조직 성형 방법은 분사단계, 부착단계 및 이들 단계의 반복단계로 이루어질 수 있다. 이하에서는 상기와 같은 구성을 가지는 인공 생체조직 성형 장치(100)를 이용하여, 4가지 광경화 생체물질의 복합출력을 예로 들어 설명하기로 한다. 예시로 사용될 4가지 광경화 생체물질에는 광경화성 수화젤 A(이하 '광경화 생체물질 A'라 함), 광경화성 수화젤 B(이하 '광경화 생체물질 B'라 함), 살아있는 세포 a가 들어있는 광경화성 수화젤 A(이하 '광경화 생체물질 C'라 함), 살아있는 세포 b가 포함된 광경화성 수화젤 B(이하 '광경화 생체물질D'라 함)로 구성될 수 있다. 한편, 이러한 단계들은 제어부(210)가 정해진 프로세스에 따른 각 동작구성들에 대한 제어를 통해 수행될 수 있다. 또한 본 발명의 다른 실시례에 따른 인공 생체조직 성형 방법은 본 발명의 일 실시례에 따른 인공 생체조직 성형 장치(100)를 이용하므로, 인공 생체조직 성형 장치(100)와 동일한 명칭의 구성들에 대해서는 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
부착단계의 실행 전에, 재료 로딩 단계, 장비 셋팅 단계 및 캘리브레이션 단계를 수행하게 되는데, 재료 로딩 단계는, 빛 차단 및 온도 제어용 워터자켓(145)의 온도를 각 광경화 생체물질 A, 광경화 생체물질 B, 광경화 생체물질 C, 광경화 생체물질 D의 광경화 생체물질에 맞게 설정하여 예열하고, 사용할 광경화 생체물질 A, 광경화 생체물질 B, 광경화 생체물질 C, 광경화 생체물질 D의 광경화 생체물질을 각 생체물질탱크(141)에 주입한다. 그리고, 광경화 생체물질 A, 광경화 생체물질 B, 광경화 생체물질 C, 광경화 생체물질 D의 광경화 생체물질이 채워진 생체물질탱크(141) 각각의 상단에 공압포트(142)를 통해 공압이 공급될 수 있도록 한다. 또한 장비 셋팅 단계는 평면디스플레이(120)를 거치판재(110)에 올린 후 고정클립(111)으로 고정시킨다. 또한, 캘리브레이션 단계는 프린팅베드(161)를 결속구(162)를 사용하여 마운트(163)에 결속시킨다. 그런 다음, 이송부(180)의 제 1 및 제 2 이송구동부(182,184)에 의해 평면디스플레이(120)의 중심이 프린팅베드(161) 중심에 올 수 있도록 이송시킨 후, 거치판재(110)를 스테이지승강부(185)에 의해 상승시켜서 프린팅베드(161)가 평면디스플레이(120) 표면에 근접하도록 위치시킨다. 그리고, 샤프트가이드(166)의 제 2 고정볼트(166a)를 풀어서 샤프트(165)를 하강시킨 다음, 볼조인트(164)의 제 1 고정볼트(164a)를 풀어서 프린팅베드(161)와 평면디스플레이(120)가 완벽하게 면접촉되도록 조절한 후, 제 1 및 제 2 고정볼트(164a,166a)의 조임에 의해 프린팅베드(161)의 자세가 유지될 수 있도록 한다.
분사단계는 인공 생체조직 출력을 위한 수화젤(Hydrogel) 또는 살아있는 세포가 포함되는 광경화 생체물질을 서로 상이하도록 각각 저장하는 다수의 생체물질분사모듈(140) 중에서, 원하는 생체물질분사모듈(140)이 평면디스플레이(120)의 상측에 위치한 상태에서, 분사모듈승강부(150)에 의해 하강하여 평면디스플레이(120) 상에 광경화 생체물질을 분사시킨 후, 분사모듈승강부(150)에 의해 상승하여 복귀하도록 한다.
분사단계는 광경화 생체물질이 본 실시례에서처럼 광경화성 수화젤을 포함할수 있는데, 필요에 따라 온도, pH, 화학 반응 및 효소 반응을 제공함으로써, 광경화 생체물질이 온도 감응성 수화젤, pH 감응성 수화젤, 화학 반응성 수화젤 또는 효소 반응성 수화젤이 사용되도록 구성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 분사단계로서, 예컨대, 해당하는 생체물질분사모듈(140)에 의해 광경화 생체물질 A를 평면디스플레이(120)에 분사한다. 이때 제어부(210)에 의해 각 광경화 생체물질의 분사량과 분사 위치는 소프트웨어에서 미리 계산되어 있어야 하며, 설정된 평면구조의 형태에 맞도록 도포되기 위하여 평면디스플레이(120)의 움직임이 이송부(180)의 동작 제어에 의해 이루어지도록 할 수 있다. 이때, 도포되는 양은 정해진 평면 구조의 한 층(layer)을 출력할 정도가 되도록 계산 또는 미리 저장된 데이터를 이용하여 제어될 수 있다. 또한, 본 실시례에서는 직사각형의 평면 형태를 나타내었으나, 이에 한하지 않고, 다양하면서도 이보다 더 복잡한 형태의 평면 형태로도 분사가 가능하다. 이때, 도 7에서와 같이, 프린팅베드(160)에는 어떠한 생체조직도 적층되지 않은 상태이다.
부착단계는 이송부(180)에 의해 프린팅베드모듈(160)의 하방에 평면디스플레이(120)가 위치하면, 프린팅베드모듈(160)이 베드모듈승강부(170)에 의해 하강하여 평면디스플레이(120) 상의 광경화 생체물질에 접촉하여 프린팅베드(161)의 하면에 평면디스플레이(120)로부터 조사되는 가시광선의 영역에 해당하는 광경화 생체물질이 가교(Crosslink)되면서 부착되도록 한 후, 베드모듈승강부(170)에 의해 상승하여 복귀하도록 한다. 부착단계는 상기한 광경화 생체물질이 적층 조형 방식과 가교 방식을 이용하여 적층되도록 한다.
도 8을 참조하면, 부착단계로서, 예컨대, 이송부(180)에 의한 평면디스플레이(120)의 이동에 의해, 도포된 광경화 생체물질 A에 프린팅 베드(161)가 근접하고, 평면디스플레이(120)에서는 광경화 생체물질 A의 정해진 평면구조에 해당하는 가시광을 조사하여(patterning), 광경화 생체물질 A를 가교(crosslink)시킨다. 이때, 첫 층(layer)에서는 프린팅베드(161)의 평면과 평면디스플레이(120), 그 이후 층(layer)에서는 가교(crosslink)된 이전 층과 평면디스플레이(120) 사이의 간격이 50㎛ 이내가 되는 것이 바람직하다. 이송부(180)의 스테이지승강부(185)에 의해 평면디스플레이(120)를 아래로 내리면, 가교(crosslink)된 광경화 생체물질 A는 프린팅베드(161)의 표면에 부착됨으로써, 평면디스플레이(120) 표면으로부터 분리된다. 만약 가교(crosslink)되지 않고 평면디스플레이(120) 표면에 광경화 생체물질이 잔존한다면, 멸균된 거즈 등으로 닦아주는 것이 바람직하며, 이를 대신하여 자동으로 닦아주는 장치를 별도로 장착하여 사용할 수도 있다. 이때, 도 9에서와 같이, 프린팅베드(161)의 하면에는 광경화 생체물질 A가 적층되어 있는 상태이다.
반복단계는 앞서 설명한 분사단계 및 부착단계를 반복함으로써, 프린팅베드(161)의 하면에 원하는 광경화 생체물질이 순차적으로 적층되도록 한다. 반복단계는 예컨대, 앞서 도 6 및 도 8을 참조하여 설명한 단계 이후, 도 10에서와 같이, 평면디스플레이(120)는 제 1 및 제 2 이송구동부(182,184)에 의해 광경화 생체물질 B가 담겨있는 생체물질분사모듈(140)의 하측으로 이동한다. 그리고, 도 12에서와 같이, 앞서 설명한 분사단계와 동일한 방법으로 광경화 생체물질 B를 평면디스플레이(120)에 도포한다. 그런 다음, 앞서 설명한 부착단계와 동일한 방법으로 광경화 생체물질 B가 프린팅베드(161)의 하측에 적층되도록 한다. 따라서, 도 11에서 프린팅베드(161)의 하측에 광경화 생체물질 A가 적층된 상태에서, 도 13에서와 같이, 프린팅베드(161)의 하측에 광경화 생체물질 A와 광경화 생체물질 B가 순차적으로 적층되게 된다.
그런 다음, 도 14에서와 같이, 제 1 및 제 2 이송구동부(182,184)에 의해 평면디스플레이(120)가 광경화 생체물질 C가 담겨 있는 생체물질분사모듈(140)의 하측으로 이송되고, 앞서 설명한 분사 단계에서와 동일한 방법으로, 광경화 생체물질 C를 평면디스플레이(120)에 도포한다. 그 후, 도 16에서와 같이, 제 1 및 제 2 이송구동부(182,184)에 의해 평면디스플레이(120)가 광경화 생체물질 D가 담겨있는 생체물질분사모듈(140)의 하측으로 이송되고, 앞서 설명한 분사단계에서와 동일한 방법으로, 광경화 생체물질 D를 광경화 생체물질 C와 동일 층을 이루도록 평면디스플레이(120)에 도포한다. 이후, 도 18에서와 같이, 앞서 설명한 부착단계에서와 동일한 방법으로, 평면디스플레이(120)에 도포된 광경화 생체물질 C와 광경화 생체물질 D를 프린팅베드(161) 하측에 적층되도록 한다. 따라서, 도 15 및 도 17에서 프린팅베드(161)의 하측에 광경화 생체물질 A와 광경화 생체물질 B가 순차적으로 적층된 상태에서, 도 19에서와 같이, 프린팅베드(161)의 하측에서 광경화 생체물질 A와 광경화 생체물질 B가 적층된 구조체에 광경화 생체물질 C 및 광경화 생체물질 D가 동일한 층을 이루도록 적층된다.
이와 같은 본 발명에 따른 인공 생체조직 성형 장치 및 이를 이용한 인공 생체조직 성형 방법에 따르면, 바이오 3D 광경화 성형방식에서 다양한 광경화 생체물질과 세포를 탱크(VAT)없이 사용할 수 있도록 하고, 다양한 광경화 생체물질과 세포가 서로 섞이는 것을 획기적으로 줄이도록 하며, 높은 출력과 낮은 파장의 광원을 가시광선 주파수로 바꿔 세포의 생존율을 높이고, 손상을 줄이도록 한다.
또한 본 발명에 따르면, 연구의 다양성이 높아지도록 할 뿐만 아니라, 수치화된 성형방법을 바탕으로 연구의 재현성이 높이지도록 하고, 고가의 광경화 생체물질을 사용해야 하는 바이오 산업에서 연구의 재현성이 높아지도록 하여, 연구의 경제성과 생산성을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시례에 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
110 : 거치판재 111 : 고정클립
120 : 평면디스플레이 130 : 상부설치재
140 : 생체물질분사모듈 141 : 생체물질탱크
142 : 공압포트 143 : 생체물질이동관
144 : 밸브 145 : 워터자켓
145a : 입수포트 145b : 입출포트
150 : 분사모듈승강부 160 : 프린팅베드모듈
161 : 프린팅베드 162 : 결속구
163 : 마운트 163a : 볼
164 : 볼조인트 164a : 제 1 고정볼트
165 : 샤프트 166 : 샤프트가이드
166a : 제 2 고정볼트 170 : 베드모듈승강부
180 : 이송부 181 : 이송스테이지
182 : 제 1 이송구동부 183 : 이송체
184 : 제 2 이송구동부 185 : 스테이지승강부
190 : 공압공급부 210 : 제어부
211 : 조작부

Claims (6)

  1. 거치판재 상에 고정되고, 광경화 생체물질의 가교(Crosslink)를 위한 가시광선을 출력하는 평면디스플레이;
    인공 생체조직 출력을 위한 수화젤(Hydrogel) 또는 살아있는 세포가 포함된 광경화 생체물질을 각각 저장하며, 공압에 의해 저장된 광경화 생체물질을 밸브의 개방에 의해 상기 평면디스플레이에 각각 분사하고, 냉매 또는 열매의 순환 공급에 의해 상기 광경화 생체물질의 온도가 각각 조절되도록 하며, 서로 상이한 광경화 생체물질을 각각 저장하도록 다수로 이루어지는 생체물질분사모듈;
    상기 생체물질분사모듈 각각을 승강시키는 분사모듈승강부;
    상기 생체물질분사모듈로부터 상기 평면디스플레이 상에 각각 분사되는 광경화 생체물질을 상기 가시광선에 의한 가교(Crosslink)에 의해 부착하여, 일면에 순차적으로 적층되도록 하는 프린팅베드모듈;
    상기 프린팅베드모듈이 상기 광경화 생체물질의 적층을 위해 승강되도록 하는 베드모듈승강부;
    상기 거치판재의 이송 또는 상기 생체물질분사모듈 및 상기 프린팅베드모듈의 이송에 의해 상기 평면디스플레이 상에 상기 광경화 생체물질이 분사되는 위치를 조절하도록 하는 이송부; 및
    상기 평면디스플레이에 의한 상기 광경화 생체물질의 가교 영역을 패터닝하도록 상기 평면디스플레이의 가시광선 조사 영역을 제어하고, 상기 프린팅베드모듈에 광경화 생체물질이 순차적으로 적층되도록 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 생체물질분사모듈은,
    상기 광경화 생체물질이 저장되는 생체물질탱크;
    상기 생체물질탱크에 공압을 공급하기 위해 마련되는 공압포트;
    상기 생체물질탱크로부터 저장된 광경화 생체물질이 공압에 의해 분사되기 위한 통로를 제공하는 생체물질이동관;
    상기 생체물질이동관에 광경화 생체물질의 분사를 개폐시키도록 설치되는 밸브; 및
    상기 생체물질탱크의 외측에 설치되고, 냉각수 또는 고온수의 공급 및 배출을 위해 입수포트 및 입출포트가 마련되는 워터자켓;
    을 포함하고,
    상기 프린팅베드모듈은,
    상기 광경화 생체물질이 하면에 적층되도록 하는 판상의 프린팅베드;
    상기 프린팅베드의 상면에 마련되는 결속구;
    상기 결속구에 결속되고, 끝단에 볼이 마련되는 마운트;
    상기 볼에 볼 결합됨으로써, 상기 마운트의 전방위 회전을 허용하고, 제 1 고정볼트의 조임에 의해 상기 볼에 고정되는 볼조인트;
    상기 볼조인트에 상방으로 연장되도록 마련되는 샤프트; 및
    상기 샤프트에 슬라이딩 결합됨으로써, 상기 샤프트의 높이 조절이 가능하고, 제 2 고정볼트의 조임에 의해 상기 샤프트의 위치를 고정시키며, 상기 베드모듈승강부에 연결되는 샤프트가이드;
    를 포함하고,
    상기 이송부는,
    이송스테이지;
    상기 이송스테이지 상에 위치하는 이송체;
    상기 이송체를 상기 이송스테이지 상에서 제 1 수평방향으로 왕복 이송시키는 제 1 이송구동부;
    상기 이송체 상에 위치하는 거치판재를 상기 제 1 수평방향에 직교하는 제 2 수평방향으로 이송시키는 제 2 이송구동부; 및
    상기 이송스테이지를 승강시키는 스테이지승강부;
    를 포함하는, 인공 생체조직 성형 장치 및 이를 이용한 인공 생체조직 성형 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 평면디스플레이는,
    상기 거치판재 상에 마련되는 고정클립에 의해 착탈 가능하게 고정되는, 인공 생체조직 성형 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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