KR102623703B1 - 바이오 프린터 및 제어방법 - Google Patents

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KR102623703B1
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전경휘
강석훈
김성엽
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Abstract

본 발명은 바이오 프린터 및 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 양상인 3D 바이오 프린터는, 노즐을 통해 재료를 출력하는 복수의 채널; 상기 복수의 채널 중 적어도 일부로부터 출력되는 재료가 적층되는 빌드 플레이트 (Build plate); 상기 복수의 채널 중 적어도 일부를 z축 이동시키는 z축 변위 이동부; 상기 빌드 플레이트를 X축 및 Y축 중 적어도 하나로 이동시키는 평면 이동부; 및 상기 복수의 채널, 빌드 플레이트, z축 변위 이동부 및 평면 이동부의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 재료의 점도 및 상기 노즐에 적용되는 공압의 세기를 조절함으로써, 상기 재료의 출력량을 조절하며, 상기 복수의 채널의 복수의 노즐 간의 제 1 높이차 정보 및 상기 빌드 플레이트의 바닥면과 상기 바닥면 위에 배치되는 디쉬 (dish) 간의 제 2 높이차 정보를 이용하여, 상기 재료가 적층되는 동작을 제어할 수 있다.

Description

바이오 프린터 및 제어방법 {Bioprinters and Control Methods}
본 발명은 바이오 프린터 및 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 인체나 동물은 여러 가지의 장기가 유기적으로 결합되어 구성된다.
이들 구성 장기들은 여러 종류의 세포들로 구성되어 있고, 세포들을 기본 단위로 다양한 세포환경이 개개인의 세포의 신진대사, 세포분열, 세포성장, 세포 사망 (Apoptosis)을 도울 수 있게 한다. 최근 재생의학의 발전과 줄기세포의 발견으로, 질병에 걸린 특정 신체조직/장기를 건강한 신체조직으로 바꿔주는 소위, 재생의학이 대두되었다.
여기서 중요한 사항은, 세포(줄기세포 포함)가 수용액이나, 평면에서 배양되면, 대부분 본질의 구실을 못하게 되는 경우가 많으므로. 개개의 세포들을 생체조직과 같이 3차원으로 조합하는 것이 이상적이다.
이를 위해서는 세포의 정상적 대사작용에 필요한 세포성장인자 (cytokine 과 chemokine), 혈관생성물질 및 조혈관세포, 세포 사이에 분포되는 ECM(extra cellular matrix)도 세포와 아울러 3차원으로 구성해야 한다.
그러나, 이와 같은 이상적인 조건들은 정밀하게 구현하기 어렵고 매우 까다로운 조건을 필요로 하기 때문에 이 분야에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 종전의 방법으로는 생체적으로 호환 가능한 폴리머로 구성된 비계(scaffold, 지지체)를 세포들이 잘 부착되도록 표면처리를 한 후, 성장호르몬과 함께 심어주는 방식이 이용되었다.
이들 세포-비계는 인공적이나 생리적 배양환경에서 성장/분열하여 이식된 생체조직에 융합하게 되어, 정상적인 생리활동을 도와주거나, 질병/파괴된 조직/장기의 역할을 교체하게 된다. 그리고, 비계는 시간이 지남에 따라 자연적으로 인체에 흡수되거나 제거된다.
최근 3차원 조형(3D Rapid prototyping) 기술은, 평면의 조형물을 순차적으로 수직으로 조합하여 복잡한 3차원 구조물을 모형으로 조형하게 하는데, 이는 생체 물질로 된 비계 제작에 사용되게 되었다.
3D 프린터는 1984년 미국의 3D Systems에서 SLA(Stereo Lithography Apparatus) 방식의 3D 프린터를 최초로 출시한 이래, 2002년 스트라타시스(Stratasys)사에서 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식을 개발하는 등 발전을 거듭하여 왔다.
최근에는 의학 분야의 수요 증가에 따라 생체 물질을 이용하는 바이오 3D 프린터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
예컨대, 2011. 9. 1. 공지된 미국 특허출원공보 제2011/0212501호는 페트리 디쉬(petri dish)를 기판으로 삼아 그 위에 가교-결합 물질을 코팅하고, 하이드로겔(hydrogel)을 프린팅한 뒤, 하이드로겔 레이어 속에 세포를 위치시키고 다시 가교-결합 물질로 표면 코팅을 하는 방법을 개시하고 있다.
바이오 3D 프린터는 생체 물질을 분사하는 노즐을 포함하는 디스펜서(dispenser), 분사된 생체 물질이 적층될 용기인 바이오웨어를 고정하는 스테이지, 그리고 스테이지 또는 디스펜서를 x, y, z축 방향으로 이동시킬 수 있는 프레임으로 구성된다.
생체 물질을 소재로 3D 프린터를 이용하여 출력하는 과정은, 먼저 하이드로겔(hydrogel)과 세포 등을 섞어 출력 소재로 사용할 생체 물질을 제작하고, 3D CAD 모델로 제작된 STL 파일을 슬라이싱하여 그에 따라 분사 노즐로 생체 물질을 분사하는 방식으로 이루어진다.
US 2011/0212501 A1 (2011.09.01) KR 10-1828345 B1 (2018.02.06)
본 발명의 목적은 적층 가능 생체물질 점도에 있어, 저 점도에서부터 고 점도까지 모두 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 저점도 생체물질의 적층이 가능하고, 출력 방식으로 Droplet 방식과 Extrusion 방식을 모두 적용 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 온도 조절이 가능하고 (0°C to 250°C), 가교(Crosslink) 방식(생체물질 결합방식)으로서 5개의 요소 (UV / 온도 / 화학, 효소, pH)를 선택적으로 제어할 수 있는 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 목적은 저점도 생체물질의 3차원 적층이 가능하고, 생산성을 높이기 위한 다채널 동시출력이 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명은 인체구성성분인 저점도 콜라겐을 사용하고, 네뷸라이져 (Nebulizer)를 사용하여 지지체 없이 3D 프린팅이 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로 본 발명은 저점도 생체 물질을 분사하기 위한 Droplet 타입 출력 모듈을 적용하여 동시 6개 이상 서브모듈 출력이 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 저점도/중점도 생체 물질을 분사하기 위한 Extrusion 타입 출력 모듈을 적용하여 동시 6개 이상 서브모듈 출력이 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 저점도 생체 물질을 분사하기 위한 Droplet 타입 출력 모듈과 저점도/중점도 생체 물질을 분사하기 위한 Extrusion 타입 출력 모듈 두 가지를 모두 포함한 모듈 구성을 적용하여 동시 3개 이상 서브모듈 출력이 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 고점도 생체 물질 및 필라멘트 형태의 물질 인쇄용 압출 방식의 출력 모듈이 적용된 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상인 3D 바이오 프린터는, 노즐을 통해 재료를 출력하는 복수의 채널; 상기 복수의 채널 중 적어도 일부로부터 출력되는 재료가 적층되는 빌드 플레이트 (Build plate); 상기 복수의 채널 중 적어도 일부를 z축 이동시키는 z축 변위 이동부; 상기 빌드 플레이트를 X축 및 Y축 중 적어도 하나로 이동시키는 평면 이동부; 및 상기 복수의 채널, 빌드 플레이트, z축 변위 이동부 및 평면 이동부의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 재료의 점도 및 상기 노즐에 적용되는 공압의 세기를 조절함으로써, 상기 재료의 출력량을 조절하며, 상기 복수의 채널의 복수의 노즐 간의 제 1 높이차 정보 및 상기 빌드 플레이트의 바닥면과 상기 바닥면 위에 배치되는 디쉬 (dish) 간의 제 2 높이차 정보를 이용하여, 상기 재료가 적층되는 동작을 제어할 수 있다.
또한, 하단에 칠러 (물탱크를 - 5°C 정도) 및 보일러 (55°C)를 배치하고, 계속 순환시키다가 밸브를 개폐하는 방식으로 펌프로 온수 또는 냉수를 공급하여 PID 제어를 통해 전자적으로 온도를 맞추는 구성을 적용 가능하고, Build plate 또한 물로 온도 제어가 가능하다.
또한, 드롭렛 (droplet)의 경우 밸브의 오픈 정도 정보를 추가적으로 이용하는 구성이 적용될 수 있다.
또한, 고점도는 문제가 없지만 저점도는, 출력을 멈추면 역류가 발생하기 ‹š문에, 토출 반대방향으로 진공을 만들어 새는 것을 방지하는 구성이 적용될 수 있다.
또한, 익스트루전 (Extrusion) 압출 방식에서 노즐의 높낮이 차이 및 바닥면과 디쉬 간의 높낮이 차이를 이용하여 레이어 적층하는 구성이 적용될 수 있다.
또한, 복수의 채널에서 같은 파라미터를 동시에 출력하여 전체 소요시간을 단축하는 구성이 적용될 수 있다.
또한, 정밀한 조율을 위해, 노즐 오프셋 (offset) 카메라로 밑에서 비춰 볼 수 있고, 가운데 동심원의 십자를 기준으로 층 처리하여 동일한 위치로 배치하는 구성이 적용될 수 있다.
또한, 밸브 내 물질이 경화되어 막히게 되는 경우를 방지하기 위해 UV를 켤 때, 셔터가 밸브를 막아주고 분사할 때는 열어주는 구성이 적용될 수 있다.
또한, 외기 (바깥 공기)가 구멍(창문)으로 들어와서 뒤쪽으로 간 다음 헤파 필터를 통해 내부에 깨끗한 공기가 공급되고, 바깥쪽으로 배출되는 것도 필터링하여 배출할 수 있다.
본 발명이 제안하는 장비를 소형화하는 경우, 프린터 뒷부분에 칠러를 만들고, 펠티어 소자를 이용하여 좀 더 소형화할 수 있다.
이때, 알루미늄 탱크 내 2L 냉각수 및 펠티어소자 4개 부착한 후 전기 인가함으로써, 물탱크는 저온을 유지하고, 펠티어의 발열부분으로 히트씽크와 팬을 구성하여 온도를 낮추는 구조를 적용할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 적층된 재료를 기초로 생체물질을 결합하는 가교 (Crosslink) 방법에 있어서, 열에 의한 반응, UV 반응, 화학 반응, 중화 반응 (pH) 및 효소 반응 중 적어도 일부를 제어할 수 있다.
상기 열에 의한 반응은 Gelatin , Agar(한천) , Pluronic F-127, Chitosan/βglycerophosphate, Xyloglucan, Poly(N-isoprolylacrylamide), Poly (Organophosphazene)를 포함하고, 상기 UV 반응은 GelMA(gelatin methacryloyl), AlMA (alginate methacryloyl), HaMA (hyaluronic acid methacryloyl), CMA (carboxymethyl cellulose methacryloyl)+ LAP, irgacure (photoinitiator) + UV 를 포함하며, 상기 화학 반응은 Alginate + CaCl2 를 포함하고, 상기 중화 반응 (pH)은 Collagen, Chitosan + NaHCO3을 포함하며, 상기 효소 반응은 Fibrinogen + Thrombin, Gelatin + microbial transglutaminase (mTG)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 채널과 상기 제 2 채널은 총 12개의 채널로 구성되고, 상기 PID 제어에 따라 상기 물의 온도는 4°C ~ 50°C로 변화 가능할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 프린터의 제어방법은, z축 변위 이동부가 복수의 채널 중 적어도 일부를 z축 이동시키는 제 1 단계; 평면 이동부가 빌드 플레이트 (Build plate)를 X축 및 Y축 중 적어도 하나로 이동시키는 제 2 단계; 복수의 채널이 노즐을 통해 재료를 출력하는 제 3 단계; 상기 복수의 채널 중 적어도 일부로부터 출력되는 재료가 빌드 플레이트에 적층되는 제 4 단계; 및 제어부가 상기 복수의 채널, 빌드 플레이트, z축 변위 이동부 및 평면 이동부의 동작을 제어하는 제 5 단계;를 포함하고, 상기 제 5 단계에서 상기 제어부는, 상기 재료의 점도 및 상기 노즐에 적용되는 공압의 세기를 조절함으로써, 상기 재료의 출력량을 조절하며, 상기 복수의 채널의 복수의 노즐 간의 제 1 높이차 정보 및 상기 빌드 플레이트의 바닥면과 상기 바닥면 위에 배치되는 디쉬 (dish) 간의 제 2 높이차 정보를 이용하여, 상기 재료가 적층되는 동작을 제어할 수 있다.
본 발명은 적층 가능 생체물질 점도에 있어, 저 점도에서부터 고 점도까지 모두 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 저점도 생체물질의 적층이 가능하고, 출력 방식으로 Droplet 방식과 Extrusion 방식을 모두 적용 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 온도 조절이 가능하고 (0°C to 250°C), 가교(Crosslink) 방식(생체물질 결합방식)으로서 5개의 요소 (UV / 온도 / 화학, 효소, pH)를 선택적으로 제어할 수 있는 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 저점도 생체물질의 3차원 적층이 가능하고, 생산성을 높이기 위한 다채널 동시출력이 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 인체구성성분인 저점도 콜라겐을 사용하고, 네뷸라이져 (Nebulizer)를 사용하여 지지체 없이 3D 프린팅이 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 3D 프린팅이 적용되는 경우, 실제 조직과 유사한 성분으로 높은 항암제 감수성 Test 신뢰도가 예상되고, 실제 인체구성 성분인 저점도 콜라겐을 사용하여 지지체 없이 3D 암 Organoid 프린팅이 가능해지는 장점이 제공될 수 있다.
구체적으로 본 발명은 저점도 생체 물질을 분사하기 위한 Droplet 타입 출력 모듈을 적용하여 동시 6개 이상 서브모듈 출력이 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 저점도 / 중점도 생체 물질을 분사하기 위한 Extrusion 타입 출력 모듈을 적용하여 동시 6개 이상 서브모듈 출력이 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 저점도 생체 물질을 분사하기 위한 Droplet 타입 출력 모듈과 저점도 / 중점도 생체 물질을 분사하기 위한 Extrusion 타입 출력 모듈 두 가지를 모두 포함한 모듈 구성을 적용하여 동시 3개 이상 서브모듈 출력이 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 고점도 생체 물질 및 필라멘트 형태의 물질 인쇄용 압출 방식의 출력 모듈이 적용된 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 3D 바이오프린팅 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 Gelatin 사용으로 실제 조직과 구성이 상이하고, 3D 조직 형성 불가로 Gelatin bath에서 프린팅하는 종래 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 인체구성성분인 저점도 콜라겐을 사용하고, Nebulizer를 사용하여 지지체 없이 3D 프린팅이 가능한 본 발명에 따른 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명이 제안하는 가교 방식에 따른 바이오프린터 U-FAB에서 제어 가능한 요소를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명이 제안하는 장치의 블록 구성도를 도시한 것이다.
도 6 및 도 7은 도 5에서 설명한 장치의 세부 구성을 설명하는 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명이 제안하는 프린터에 탑재된 핵심적 구성 및 기술요소를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a 내지 도 10c는 본 발명에 따른 온도제어부의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명에 따른 빌드플레이트의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 12a 내지 도 12e는 본 발명에 따른 3D 바이오 프린팅부의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 디스펜서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명에 따른 네블라이저 및 교차결합/중합반응부의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 3D 프린터의 동작을 설명하는 순서도이다.
도 16은 본 발명에 따른 효과를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 연결되어 있거나 접속되어 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 직접 연결되어 있거나 직접 접속되어 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
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 포함할 수 있다.
본 명세서에서, 포함하다 또는 구비하다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
본 발명이 제안하는 바이오 프린팅 방식
3차원 프린터는 XYZ 축을 구성하는 프레임과, 입체적 형태를 평면 형태로 적층할 수 있는 액상 또는 분상의 소재가 분사되는 노즐을 포함한다.
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 유체 형태의 바이오 물질을 채워 넣는다. 유체 형태의 바이오 물질이 채워진 노즐에 공압 시스템을 연결하여 바이오 물질을 밀어내면서 토출하는 방식을 사용한다.
바이오 3D 프린터에서 세포와 같은 생체 물질을 출력하기 위해서는 배양액과 세포가 균일하게 혼합된 현탁액을 제조한다. 이와 같이 제조된 생체 물질 현탁액은 주사기와 같은 시린지에 수용되고, 상기 시린지로부터 공급된 생체 물질이 분사노즐에 의해 원하는 형태로 기판 상에 출력된다.
바이오 3D 프린터는 생체 물질을 분사하는 노즐을 포함하는 디스펜서(dispenser), 분사된 생체 물질이 적층될 용기인 바이오웨어를 고정하는 스테이지, 그리고 스테이지 또는 디스펜서를 x, y, z축 방향으로 이동시킬 수 있는 프레임으로 구성된다.
생체 물질을 소재로 3D 프린터를 이용하여 출력하는 과정은, 먼저 하이드로겔(hydrogel)과 세포 등을 섞어 출력 소재로 사용할 생체 물질을 제작하고, 3D CAD 모델로 제작된 STL 파일을 슬라이싱하여 그에 따라 분사 노즐로 생체 물질을 분사하는 방식으로 이루어진다.
도 1은 3D 바이오프린팅 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 1의 (a)는 잉크젯 방식이고 (b)는 익스트루젼 (extrusion) 방식이며, (c)는 laser-assisted 방식을 도시한 것이다.
액추에이터는 (a)는 온도와 전압에 의해 구동되고, (b)는 압력에 의해 구동되며 (c)는 레이저에 의해 구동된다.
바이오 잉크 점도는 (1)의 저점도에 적용되고 (2)는 고점도에 적용되며, (c)는 넓은 범위 점도에 적용가능하다.
또한, 기계적 및 구조적 무결성 (mechanical and Structural Integrity) 관련하여, (b)가 높고, (a)와 (c)는 낮은 결과를 보인다.
또한, 프린트 스피드는 (a)가 가장 빠르고, (c) (b) 순서이다.
또한, 해상도 (resolution)는 (a)와 (c)가 높고, (b)가 낮은 모습을 보인다.
세포 생존능 (Cell viability)은 (a)는 70-90%, (b)가 45-98%, (c)가 95% 이상의 결과를 보인다.
가격은 (c)가 가장 비싸고 (b), (c) 순서이다.
본 발명은 고점도를 대상으로 (b)의 Extrusion 방식을 적용하면서도, 저점도를 대상으로 (a)와 다른 Droplet Process 방식을 적용한다.
저점도 프린팅(Droplet)은 (a)의 Inkjet과 유사하나, 장점은 유지하고 단점을 극복한 혁신적 방식이 될 수 있다.
(a)의 Inkjet 프린팅은 저점도 출력이 가능하고, 해상도가 높으며, Cell viability가 Extrusion 대비 상대적으로 높다는 장점이 있다.
그러나 Inkjet 프린팅은 출력 후 Gel화 과정에서 액체가 퍼져 3차원 구조화에 한계가 있고, 출력 중 충격 혹은 Gel화 과정에서 열과 UV에 의해 세포가 괴사되는 문제점이 있다.
따라서 본 발명에서는 저점도 출력에서는 Droplet 방식을 적용하여 이러한 문제점을 해결한다.
또한, 본 발명에서는 고점도에서는 Extrusion 프린팅 방식을 적용하고, 소프트웨어를 통해 고점도 복합물질을 보다 정밀하게 출력하고자 한다.
즉, 본 발명에서는 고점도를 대상으로 Extrusion 방식을 적용하고, 저점도를 대상으로 Droplet 방식을 적용하여 정밀한 프린팅이 가능하도록 하고 있다.
도면을 참조하여 Droplet 방식을 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 Gelatin 사용으로 실제 조직과 구성이 상이하고, 3D 조직 형성 불가로 Gelatin bath에서 프린팅하는 종래 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 를 참조하면, Inkjet 프린팅이 적용되고, Gelatin 사용으로 실제 조직과 구성 상이해지며, 3D 조직 형성 불가로 Gelatin bath에서 프린팅되는 문제점이 발생된다.
도 3은 인체구성성분인 저점도 콜라겐을 사용하고, Nebulizer를 사용하여 지지체 없이 3D 프린팅이 가능한 본 발명에 따른 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 본 발명에 따른 Droplet 방식이 적용되고, 인체구성성분인 저점도 콜라겐을 사용하고, Nebulizer 사용하여 지지체 없이 3D 프린팅을 할 수 있다.
예를 들어, 실제 인체구성 성분인 저점도 콜라겐을 사용하여 지지체 없이 3D 암 Organoid 프린팅이 가능하다.
따라서 실제 조직과 유사한 성분으로 높은 항암제 감수성 Test 신뢰도가 예상된다.
특히, 본 발명에서는 5가지의 가교 방식에 따른 BioInk 소재 제어가 가능하다.
도 4는 본 발명이 제안하는 가교 방식에 따른 바이오프린터 U-FAB에서 제어 가능한 요소를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 열에 의한 반응으로 Gelatin , Agar(한천) , Pluronic F-127, Chitosan/βglycerophosphate, Xyloglucan, Poly(N-isoprolylacrylamide), Poly (Organophosphazene) 소재 제어 및 적용이 가능하다.
다음으로, UV 반응으로 GelMA(Gelatin methacrylate), AlMA (alginate methacryloyl), HaMA (hyaluronic acid methacryloyl), CMA (carboxymethyl cellulose methacryloyl)+ LAP, irgacure (photoinitiator) + UV 소재 제어 및 적용이 가능하다.
또한, 화학적 반응으로 Alginate + CaCl2 소재 제어 및 적용이 가능하다.
또한, 중화반응(pH)으로 Collagen, Chitosan + NaHCO3 소재 제어 및 적용이 가능하다.
또한, 효소 반응으로, Fibrinogen + Thrombin, Gelatin + microbial transglutaminase (mTG) 소재 제어 및 적용이 가능하다.
즉, 가교(Crosslink) 방식(생체물질 결합방식)에 따라 5개 요소 (UV/온도/ 화학,효소,pH)를 선택적으로 제어/적용할 수 있다는 것이 본 발명의 장점이다.
이하에서는, 본 발명이 제안하는 바이오 프린터에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
본 발명이 제안하는 바이오 프린터
도 5는 본 발명이 제안하는 장치의 블록 구성도를 도시한 것이고, 도 6 및 도 7은 도 5에서 설명한 장치의 세부 구성을 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 프린터 (1)는 3D 바이오프린팅부 (10), 교차결합/중합반응부 (20), 빌드 플레이트부 (30), 제어부 (40), 사용자 편의부 (50), 셀 프린팅부 (60), 모니터링부 (70)를 포함한다.
좀 더 구체적으로 도 6의 (a)를 참조하면, 3D 바이오프린팅부 (10)는 저점도 독립출력 디스펜서 (11), 고점도 독립출력 디스펜서 (12), 디스펜서 장착 모듈 (13), 6-well 플레이트 (14) 및 필라멘트 압출부 (15)를 포함한다.
여기서 6-well 플레이트 (14)는 3D 바이오프린팅부 (10)에 속하는 것으로 설명하였으나 이에 제한되지 않고, 6-well 플레이트 (14)는 빌드 플레이트부 (30)에 속할 수 있다.
본 발명에서는 저점도 독립출력 디스펜서 (11)가 복수로 배치될 수 있고, 대표적으로 6개의 모듈이 함께 배치될 수 있고, 이는 저점도 생체 물질을 분사하기 위한 Droplet 타입 출력 모듈이다.
또한, 고점도 독립출력 디스펜서 (12)가 복수로 배치될 수 있고, 대표적으로 6개의 모듈이 함께 배치될 수 있다.
나아가 본 발명에서는 저점도 독립출력 디스펜서 (11)와 고점도 독립출력 디스펜서 (12)가 적어도 일부 포함되도록 복수 배치될 수 있고, 이는 저점도 / 중점도 생체 물질을 분사하기 위한 Extrusion 타입 출력 모듈이다.
또한, 별도의 압출기를 통해 고점도 생체 물질 및 필라멘트 형태의 물질 인쇄용 압출 방식의 출력 모듈이 적용될 수도 있다.
저점도 독립출력 디스펜서 (11) 및 고점도 독립출력 디스펜서 (12)는 대표적으로 서브모듈로 구성되어 다양한 생체 물질의 복합 구성으로 생체조직 구현이 가능하고, 저점도 물질부터 고점도 물질 출력이 가능하다.
또한, 디스펜서 장착 모듈 (13)는 저점도 독립출력 디스펜서 (11) 및 고점도 독립출력 디스펜서 (12)를 장착시키기 위한 장비로서, 별도의 압출기를 구비할 수도 있다.
또한, 6-well 플레이트 (14)는 6-well 플레이트에 맞춤 설계된 6개의 서브모듈 구조로 6가지 생체 물질 동시 출력이 가능하다.
6-well 플레이트 (14)는 한 번의 프린팅으로 다수의 일관된 조직을 출력함으로써 연구진행 속도 향상이 가능하다.
또한, 필라멘트 압출부 (15)는 Fused-deposition-modeling (FDM) 방식의 Filament Extruder가 장착되어 저점도부터 1.75mm 직경의 Filament형 고점도 바이오 물질사용이 가능하다.
또한, 필라멘트 압출부 (15)는 상온~285º까지 재료에 알맞은 온도 설정 및 출력이 가능하다.
또한, 도 6의 (b)를 참조하면, 교차결합/중합반응부 (20)는 네블라이저 (21), UV LED (22) 및 서브모듈 온도제어부 (23)를 포함한다.
네블라이저 (21)는 저점도 물질 적층에는 물질 특성에 맞는 다양한 경화 방식이 요구됨에 따라, 산도 조절, 화학 반응, 효소 작용 등 물질 경화를 시켜주는 Nebulizer 장치로 활용된다.
본 발명에 따라 분사되는 미세입자 크기는 4um이며, 분사 세기 조절이 가능하다.
또한, UV LED (22)는 Photo-crosslinkable 물질 경화를 위한 UV LED(365nm) 장착하여 사용되고, 연구 목적에 맞게 UV 조사 시간을 설정하고, Layer 단위 또는 Drop 단위로 생체 물질 경화 수행한다.
필요에 따라 맞춤형 LED 파장을 적용하는 것도 가능하다.
또한, 서브모듈 온도제어부 (23)는 프린팅 대기시간 동안 생체 물질의 안정성을 유지할 수 있는 온도제어 기능을 제공하는 모듈로서, 3D 조직 샘플 출력에 적합한 환경을 유지한다.
대표적으로, 4~50ºC(13 개 서브모듈), 실온~180º(서브모듈 1개), 실온~285º(서브모듈 1개) 로 온도를 설정할 수 있다.
또한, 도 6의 (c)를 참조하면, 빌드 플레이트부 (30)는 빌드 플레이트 (31), 툴 마운트 (32), 연결부 (33), 빌드 플레이트 온도 제어부 (34), 노즐 정렬 카메라 (35), 노즐 클리너 (36) 및 플러싱 디쉬 (37)을 포함한다.
빌드 플레이트 (31)와 툴 마운트 (32)는 도 10a 내지 11b를 이용하여 구체적으로 후술한다.
연결부 (33)는 빌드 플레이트부 (30)는 빌드 플레이트 (31), 툴 마운트 (32), 연결부 (33), 빌드 플레이트 온도 제어부 (34), 노즐 정렬 카메라 (35), 노즐 클리너 (36) 및 플러싱 디쉬 (37) 중 적어도 일부를 구조적 네트워크적으로 연결하는 기능을 제공한다.
빌드 플레이트 온도 제어부 (34)는 Build plate (31)의 온도를 4~50º의 범위로 제어하여, 온도에 민감한 물질 출력 시 물질의 경화나 sacrificial 구조물 구성을 조절할 수 있다.
이러한 빌드 플레이트 온도 제어부 (34)의 동작은 출력 후 3D 조직 샘플 안정성 유지에 효과적일 수 있다.
노즐 정렬 카메라 (35)는 정밀한 프린팅을 위한 출력 노즐의 위치 화면을 모니터로 보면서 0.01mm 단위 미세 보정 수행하기 위한 모듈이다.
이는 다수의 서브모듈 복합 출력 시 효과적일 수 있다.
노즐 클리너 (36)는 출력 노즐의 잔존 물질과 이물질 청소하는 기능을 제공한다.
플러싱 디쉬 (37)는 출력 전/후 카트리지로 사용하는 시린지 청소 및 출력 노즐 상태 안정화를 도모할 수 있다.
또한, 도 7의 (a)를 참조하면, 사용자 편의부 (50)는 탈착 연결부 (51), 통합 바이오 안전 캐비닛 (52), 콘트롤 PC (53)을 포함할 수 있다.
탈착 연결부 (51)는 장비 업그레이드 시, 추가 모듈의 용이한 설치를 위한 모듈식 구성으로 제작될 수 있다.
탈착 연결부 (51)는 사용자가 신속한 부품교체를 직접 수행할 수 있게 함으로써, 빠른 A/S 제공할 수 있다.
또한, 통합 바이오 안전 캐비닛 (52)은 Bio-Safety Cabinet(BSC) Class Ⅱ에 상응하는 제품 설계로, 3D 조직 출력물을 외부 오염으로부터 보호할 수 있다.
본 발명에 따른 통합 바이오 안전 캐비닛 (52)은 별도의 BSC 설치 없이 바로 연구에 사용할 수 있고, 이동이 용이하다는 장점이 있다.
콘트롤 PC (53)는 본 발명 장치에 대한 전용 소프트웨어 가 탑재된 터치스크린 PC로, 연구자의 실험 환경에 따라 위치 조절이 가능하다.
대표적으로 콘트롤 PC (53)의 기본 사양은 CPU i5(9세대) / 8GB RAM / 128GB SSD이 될 수 있다.
본 장치는 본 발명에 따른 제어부 (40) 및/또는 콘트롤 PC (53)에 따라 동작 제어 가능하다.
또한, 도 7의 (b)를 참조하면, 셀 프린팅부 (60)는 독립 출력량 조절 서브 모듈 (61) 및 세포 균질화부 (62)를 포함할 수 있다.
독립 출력량 조절 서브 모듈 (61)은 공압과 Valve opening time을 조절하여 사용자가 원하는 양을 출력함으로써, 나노리터 단위의 생체 물질 출력을 수행할 수 있다.
이를 통해 보다 정밀한 3D 바이오프린팅을 제공한다.
세포 균질화부 (62)는 세포를 포함한 배양액이나 물질이 포함된 시린지 안의 물질 자동 순환 기능으로, 세포 및 생체 물질의 응집 현상 없이 조직 샘플 내에 균일한 분포로 유지되며 출력되도록 할 수 있다.
또한, 도 7의 (c)를 참조하면, 모니터링부 (70)는 세포 확인용 카메라 (71), 모니터링 카메라 (72)를 포함할 수 있다.
세포 확인용 카메라 (71)는 노즐을 통해 출력된 배양액이나 생체물질에 포함된 세포의 수 또는 세포의 형태를 장착된 현미경 카메라이다.
이를 통해, 구현하고자 하는 3D 조직에 적용된 세포의 농도와 상태 확인이 가능하다.
또한, 모니터링 카메라 (72)는 3D 바이오프린팅 진행 상황을 실시간 관찰하기 위한 고화질 카메라로서, 전용 소프트웨어 화면에서 고화질 영상을 사용자가 실시간으로 확인할 수 있고 녹화가 가능해질 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명이 제안하는 프린터에 탑재된 핵심적 구성 및 기술요소를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 3D 바이오프린팅부 (10)의 저점도 독립출력 디스펜서 (11), 고점도 독립출력 디스펜서 (12), 6-well 플레이트 (14) 및 필라멘트 압출부 (15)가 도시된다.
저점도 독립출력 디스펜서 (11), 고점도 독립출력 디스펜서 (12)와 관련하여, - 드롭렛 (droplet) 채널은 방울의 크기 (볼륨)을 조절할 수 있다.
본 발명의 특징으로서, 볼륨을 조절하는 파라미터는 크게 3가지로 볼 수 있는데, 이는 (1) 점도, (2) 공압의 세기, (3) 밸브의 오픈 정도이다.
본 발명에서는 전기를 준 시간 만큼만 밸브가 오픈되어 분사를 하게 되어 있다.
여기서, 밸브는 시간에 대한 내용이고, 공압은 해당 시간에 물질이 많이 나가느냐의 조절을 의미한다.
특히, 본 발명은 고점도는 문제가 없지만 저점도는, 출력을 멈추면 질질 새기 때문에, 뒤로 빨아들이는 기법을 추가적으로 사용한다.
또한, 저점도 독립출력 디스펜서 (11), 고점도 독립출력 디스펜서 (12)과 관련하여, 본 발명에서는 주력인 6개의 저점도 채널 모듈이 2개 있고, 3개의 고점도 채널 모듈이 1개 있어 총 15개의 채널을 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 특징으로서, 모듈식 구성은 분리가 가능하고, 결합시 뒤쪽에 원터치로 끼워 맞추면 전기, 냉수, 온수가 한꺼번에 커넥팅이 될 수 있다.
이는 유지 보수를 편하게 하기 위해, 탈부착 식으로 적용한 것이다.
6-well 플레이트 (14)는 시간의 단축이 가능하다는 장점이 있는데, 같은 파리미터로 6개에 동시에 구동 신호를 줌으로써, 전체 소요 시간의 단축이 가능하다.
필라멘트 압출부 (15)와 관련하여, 필라멘트는 열가소성 플라스틱을 실처럼 감아 놓은 것이다.
인체에 삽입할 형태의 플라스틱 PLA PCL PLG 물질들은 알갱이의 팰릿 형태로 출력하나 이러한 팰릿 형태는 나오는 양이 불균질하고, 공압으로 제어하기 까다롭다는 문제점이 있다.
따라서 본 발명의 특징으로서, 필라멘트는 실처럼 말려 있고, 모터로 나오는 양을 조절이 제어 가능하므로, 출력하기 전 형태를 잡고, 필라멘트 익스트루전 (Extrusion) 압출 방식 사용시 보다 정밀하게 출력이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 교차결합/중합반응부 (20)의 네블라이저 (21), UV LED (22) 및 서브모듈 온도제어부 (23)가 도시된다.
네블라이저 (21)와 관련하여, 저점도 콜라젠, 효소 등의 가교제를 뿌려주기 위한 용도로 사용된다.
본 발명에 따른 특징으로서, 네블라이저 (21)가 모듈당 3개 배치될 수 있는데, 이는 6개의 채널을 동시에 뿌리기 위해, 저점도도 생산성을 높이기 위해 3개 배치한 것이다.
UV LED (22) 관련하여, 대부분의 바이오 물질은 UV에 감응하는 물질을 포함하여 분사, 출력을 하고 한층 쌓고 가서 UV 조사해서 경화를 시키게 된다.
본 발명의 특징으로서, 한 층씩 여러 층까지 쌓게 되면 시간이 너무 오래 걸리므로, 디스펜서 바로 앞에 UV LED를 배치하여 사용된다.
이러한 배치에서 밸브 안에 물질이 UV LED 때문에 경화되서 막히게 되는 경우가 있는데, 이를 막기 위해 UV를 켤 때는 셔터가 밸브를 막아주고 분사할 때는 열어주는 기능을 적용할 수 있다.
또한, 빌드 플레이트부 (30)의 빌드 플레이트 온도 제어부 (34), 노즐 정렬 카메라 (35), 노즐 클리너 (36) 및 플러싱 디쉬 (37)가 도시된다.
노즐 정렬 카메라 (35)는 여러가지 채널을 한 번에 만들어서 출력할 때, 조립에 따른 노즐로 인해 위치가 달라질 수 있고, 빗겨 나가서 똑 같은 위치에 층이 올라가지 않을 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 특징으로서, 정밀하게 맞춰주기 위해, 노즐 오프셋 (offset) 카메라로 밑에서 비춰 볼 수 있고, 가운데 동심원의 십자를 기준으로 층 처리하여 동일한 위치로 배치하는 방식이 적용될 수 있다.
빌드 플레이트 온도 제어부 (34)와 관련된 본 발명의 특징으로서, 칠러 (물탱크를 마이너스 5도 정도) 및 보일러 (55도)를 배치하고, 계속 순환시키다가 밸브가 열고 닫으면서 펌프로 온수 또는 냉수를 공급하여 PID 제어를 통해 전자적으로 온도를 맞출 수 있다.
Build plate (31) 또한 물로 온도 제어가 가능하다.
또한, 저점도 채널 12개, 고점도에서는 1개 총 채널에서는 13개 채널이 4도에서 50도까지 제어가 가능하다.
종래기술의 경우, 펠티어 소재를 사용하는 경우가 빈번한데 뜨겁게 되는 부분에서의 방열을 반드시 해줘야 하므로, 팬이나 히트씽크가 반드시 붙고, 부피가 커지게 되고 공간을 잡아먹는다.
이에 반해 본 발명이 제안하는 장치는 물을 이용하기 때문에 15개 채널을 작은 공간에 배치하여 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.
도 9를 참조하면, 사용자 편의부 (50)의 탈착 연결부 (51), 통합 바이오 안전 캐비닛 (52), 콘트롤 PC (53)가 도시된다.
통합 바이오 안전 캐비닛 (52)은 외기 (바깥 공기)가 구멍(창문)으로 들어와서 뒤 쪽으로 간 다음 헤파 필터를 통해 내부에 깨끗한 공기가 공급되고, 바깥쪽으로 배출되는 것도 필터링하여 배출한다.
특히, 장비 내부적으로 깨끗한 공기를 제공하고 외부에도 깨끗한 공기를 제공함으로써, 연구자에게 좋은 공기를 마실 수 있도록 환경을 조성하는 측면에서 차별화 포인트가 있다.
또한, 셀 프린팅부 (60)의 독립 출력량 조절 서브 모듈 (61) 및 세포 균질화부 (62)가 도시된다.
독립 출력량 조절 서브 모듈 (61) 관련, 드롭렛 (droplet)은 바이오 표면에서 3cm 정도 떨어져서 분사. 이에 반해 익스트루전 (Extrusion) 압출 방식은 바닥에 거의 붙어서 밀어내야 한다 (명함 한장 정도의 이격만 존재).
본 발명에 따른 메인 특징으로서, 익스트루전 (Extrusion) 압출 방식에서 이격을 자동으로 맞춰주는 구조가 제공된다.
즉, 1) 노즐의 높낮이를 측정할 수 있고 (복수의 경우 복수개 모두 파악), 2) 바닥면과 dish가 올라가 있는 표면을 각각 찍어서 높이차를 파악할 수 있다.
이를 통해, 노즐의 높낮이, 표면과 dish 간의 높이차 정보 등을 이용하여 익스트루전 (Extrusion) 압출 방식에서의 정확한 이격 거리 조정을 통해, 자동으로 한번에 출력이 가능하다.
본 발명은 dish 높이차 정보까지 활용하고 있어 더 정밀한 출력물을 제공하는 것이 가능하다.
세포 균질화부 (62)와 관련하여, 실린지 안에 드롭렛 (droplet) 채널에서 세포 배양액을 넣게 되면 5분만 지나도 중력에 의해 가라앉게 되고, 가라앉은 세포가 뭉쳐서 안나오거나 균질하지 않게 섞이는 문제점이 있다.
따라서 파이프를 이용해서 빨았다가 뱉어서 섞어주게 되는데, 전체 출력하는 것이 1시간에서 2시간이 걸리므로 지속적으로 섞어주는 방법이 필요하다.
본 발명에 따른 세포 균질화부 (62)는 시린지 내부에 팁을 넣어서 공압을 넣어주고, 파이프 외부 공압을 높여 내부에서 공압을 높여야 하는 니즈를 만들고 이를 위해 물질이 빨려들어가도록 한다.
반대로 시린지 내부에 팁을 통해 공압을 낮춰주면 물질이 토해짐으로써 자동으로 섞는 것이 가능하다.
또한, 모니터링부 (70)는 세포 확인용 카메라 (71), 모니터링 카메라 (72)가 도시된다.
세포 확인용 카메라 (71)와 관련하여, 콜라젠으로 인공피부 모델 출력, 한쪽은 콜라젠으로 스케폴드 만들고 한쪽은 세포를 넣어둠, 세포가 시린지 안에 계속 있으면 뭉치거나 죽거나 농도가 달라지는 문제가 발생한다.
따라서 본 발명은 현미경을 통해 세포가 단위면적당 들어가 있는 것을 확인 가능하다.
즉, 세포를 출력하기 전에 확인하기 위한 현미경으로 활용된다.
본 발명의 전체 기능을 축소하여 소형 버전으로 제공하는 것도 가능하다.
이 경우, 칠러와 보일러를 동일한 방식으로 줄이기는 어려우므로, 프린터 뒷부분에 칠러를 만들고, 펠티어 소자를 이용하여 좀 더 소형화 하는 것이 가능하다.
종래기술의 경우, 펠티어 소재를 채널에 직접 부착하는 방법을 많이 사용했지만 펠티어 소재를 사용하게 되는 경우, 소형화가 안되므로 이를 채용하지 않고, 프린터 뒷부분에 칠러를 만들고, 펠티어 소자를 이용하여 좀 더 소형화 하는 것이 가능하다.
이때, 알루미늄 탱크 2L 냉각수 및 펠티어소자 4개 부착해서 전기 인가하는데, 물탱크는 차갑게 유지하고, 펠티어 반대편 열이 발생되는 부분은 히트씽크와 팬을 만들어 열을 식혀주는 구조를 적용할 수 있다.
툴마운트 구조
도 10a 내지 도 10c는 본 발명에 따른 온도제어부의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a를 참조하면, 온수, 냉수 전환 밸브 (111), 수위 센서 (112), 방열판 구조 (113), 탱그 가열용 히터 (114) 및 펌프 (115)가 도시된다.
또한, 도 10b를 참조하면, 덕트 (116), 펠티어 방영팬 (117), 펠티어 방열 판 (118) 및 퇴수밸브 (119)가 도시된다.
또한, 도 10c를 참조하면, 냉각측 모듈 (120), 펠티어 소자 (121) 및 방열측 모듈 (122)가 도시된다.
빌드 플레이트 구조
도 11a 및 도 11b는 본 발명에 따른 빌드플레이트의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 11a를 참조하면, 출력 모니터링 카메라 (72), 노즐 클리팅 스틱 거치대 (211), 출력 공간 (212), 노즐높이 센서 (213) 및 노즐 XY 오프셋 확인 카메라 (214)가 도시된다.
또한, 도 11b를 참조하면, 충돌 방지용 슬라이딩 기구물 (215)이 도시된다.
한편, 도 12a 내지 도 12e는 본 발명에 따른 3D 바이오 프린팅부의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 12a를 참조하면, 드롭렛 (droplet) 디스펜서 (11) 및 공압, 온도 제어용 부동액 매니폴드 (13)가 도시된다.
도 12b를 참조하면, 6채널 공압 실린더 상하 운동 매커니즘 구조물 (311)이 도시된다.
도 12c를 참조하면, 공압 실린더 제어 밸브 (312), 전공레규레이터 (313), 온도 제어 펌프 (318), 온도제어 밸브 매니폴드 (314)가 도시된다.
도 12d를 참조하면, 냉각수 커플러 (315) 및PCB 접속 커넥터 (316)이 도시된다.
도 12e를 참조하면, 온도 제어용 워터 자켓 (317)이 도시된다.
디스펜서 구조
도 13a 및 도 13b는 본 발명에 따른 디스펜서의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 13a를 참조하면, 시린지 어댑터 (411) 및 마이크로 밸브 고정장치 (412)가 도시된다.
도 13b를 참조하면, UV LED (414), 마이크로 밸브 (413) 및 마이크로 밸브 UV 차단용 셔터 (415)가 도시된다.
네블라이저 및 교차결합/중합반응부의 구조
도 14a 및 도 14b는 본 발명에 따른 네블라이저 및 교차결합/중합반응부의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 14a를 참조하면, 네블라이저 (21), 필라멘트 거치대 (517), 현미경 카메라 및 독축 조명 구조 (516)가 도시된다. 또한, 도 14b를 참조하면, 네블라이저 (21)와 관련된 구조가 함께 도시된다.
3D 바이오 프린터의 동작
도 15는 본 발명에 따른 3D 프린터의 동작을 설명하는 순서도이다.
도 15를 참조하면, 복수의 채널이 노즐을 통해 재료를 출력하는 단계 (S1)가 진행된다.
이후, 복수의 채널 중 적어도 일부로부터 출력되는 재료가 빌드 플레이트 (Build plate)에 적층되는 단계 (S2)가 진행된다.
또한, z축 변위 이동부가 복수의 채널 중 적어도 일부를 z축 이동시키는 단계 (S3)가 진행된다.
또한, 평면 이동부가 빌드 플레이트를 X축 및 Y축 중 적어도 하나로 이동시키는 단계 (S4)가 진행된다.
또한, 제어부가 복수의 채널, 빌드 플레이트, z축 변위 이동부 및 평면 이동부의 동작을 제어하는 단계 (S5)가 수행된다.
또한, 제어부가 재료의 점도 및 노즐에 적용되는 공압의 세기를 조절함으로써, 재료의 출력량을 조절하는 단계 (S6)가 진행된다.
또한, 제어부가 복수의 채널의 복수의 노즐 간의 제 1 높이차 정보 및 빌드 플레이트의 바닥면과 바닥면 위에 배치되는 디쉬 (dish) 간의 제 2 높이차 정보를 이용하여, 재료가 적층되는 동작을 제어하는 단계 (S7)를 수행한다.
또한, 하단에 칠러 (물탱크를 - 5°C 정도) 및 보일러 (55°C)를 배치하고, 계속 순환시키다가 밸브를 개폐하는 방식으로 펌프로 온수 또는 냉수를 공급하여 PID 제어를 통해 전자적으로 온도를 맞추는 구성 적용이 가능하고, Build plate 또한 물로 온도 제어가 가능하다.
또한, 드롭렛 (droplet)의 경우 밸브의 오픈 정도 정보를 추가적으로 이용하는 구성이 적용될 수 있다.
또한, 저점도는 문제가 없지만 고점도는, 출력을 멈추면 역류가 발생하기 ‹š문에, 토출 반대방향으로 진공을 만들어 새는 것을 방지하는 구성이 적용될 수 있다.
또한, 익스트루전 (Extrusion) 압출 방식에서 노즐의 높낮이 차이 및 바닥면과 디쉬 간의 높낮이 차이를 이용하여 레이어 적층하는 구성이 적용될 수 있다.
또한, 복수의 채널에서 같은 파라미터를 동시에 출력하여 전체 소요시간을 단축하는 구성이 적용될 수 있다.
또한, 정밀한 조율을 위해, 노즐 오프셋 (offset) 카메라로 밑에서 비춰 볼 수 있고, 가운데 동심원의 십자를 기준으로 층 처리하여 동일한 위치로 배치하는 구성이 적용될 수 있다.
또한, 밸브 내 물질이 경화되어 막히게 되는 경우를 방지하기 위해 UV를 켤 때, 셔터가 밸브를 막아주고 분사할 때는 열어주는 구성이 적용될 수 있다.
또한, 외기 (바깥 공기)가 구멍(창문)으로 들어와서 뒤쪽으로 간 다음 헤파 필터를 통해 내부에 깨끗한 공기가 공급되고, 바깥쪽으로 배출되는 것도 필터링하여 배출할 수 있다.
본 발명이 제안하는 장비를 소형화하는 경우, 프린터 뒷부분에 칠러를 만들고, 펠티어 소자를 이용하여 좀 더 소형화할 수 있다.
이때, 알루미늄 탱크 내 2L 냉각수 및 펠티어소자 4개 부착한 후 전기 인가함으로써, 물탱크는 저온을 유지하고, 펠티어의 발열부분으로 히트씽크와 팬을 구성하여 온도를 낮추는 구조를 적용할 수 있다.
효과
본 발명은 적층 가능 생체물질 점도에 있어, 저 점도에서부터 고 점도까지 모두 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 저점도 생체물질의 적층이 가능하고, 출력 방식으로 Droplet 방식과 Extrusion 방식을 모두 적용 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 온도 조절이 가능하고 (0°C to 250°C), 가교(Crosslink) 방식(생체물질 결합방식)으로서 5개의 요소 (UV / 온도 / 화학, 효소, pH)를 선택적으로 제어할 수 있는 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 저점도 생체물질의 3차원 적층이 가능하고, 생산성을 높이기 위한 다채널 동시출력이 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 인체구성성분인 저점도 콜라겐을 사용하고, 네뷸라이져 (Nebulizer)를 사용하여 지지체 없이 3D 프린팅이 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 3D 프린팅이 적용되는 경우, 실제 조직과 유사한 성분으로 높은 항암제 감수성 Test 신뢰도가 예상되고, 실제 뇌의 성분인 저농도 콜라겐을 사용하여 지지체 없이 3D 암 Organoid 프린팅이 가능해지는 장점이 제공될 수 있다.
구체적으로 본 발명은 저점도 생체 물질을 분사하기 위한 Droplet 타입 출력 모듈을 적용하여 동시 6개 이상 서브모듈 출력이 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 저점도 / 중점도 생체 물질을 분사하기 위한 Extrusion 타입 출력 모듈을 적용하여 동시 6개 이상 서브모듈 출력이 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 저점도 생체 물질을 분사하기 위한 Droplet 타입 출력 모듈과 저점도 / 중점도 생체 물질을 분사하기 위한 Extrusion 타입 출력 모듈 두 가지를 모두 포함한 모듈 구성을 적용하여 동시 3개 이상 서브모듈 출력이 가능한 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 고점도 생체 물질 및 필라멘트 형태의 물질 인쇄용 압출 방식의 출력 모듈이 적용된 3D 바이오 프린터 및 그 제어방법을 제공할 수 있다.
도 16은 본 발명에 따른 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 16을 참조하면, (a) 및 (b)는 종래의 바이오 프린터 방식에 따를 때의 결과를 나타낸 것이고 (c)는 본 발명이 적용되었을 때의 결과를 나타낸 것이다.
먼저, 동시 출력 가능한 생체물질 수 관련 출력 노즐 수의 경우, (a) 및 (b)는 4개 또는 6개의 출력 노즐이 적용되나 본 발명은 15개 이상의 출력 노즐이 적용될 수 있다.
다음으로, 3D 적층 가능한 생체물질 점도의 경우, (a) 및 (b)는 중점도~고점도 또는 고점도 만을 처리할 수 있으나 본 발명은 저점도에서부터 고점도까지 모두 처리 가능하다.
또한, 저점도 생체물질 적층 가능여부와 관련하여 (a) 및 (b)는 불가능하나 본 발명의 경우 가능한 장점이 있다.
또한, 출력 방식과 관련하여 (a) 및 (b)는 Extrusion(5개) / Droplet(1개) 또는 Extrusion(4개)를 적용하나 본 발명은 Droplet(6~12개) / Extrusion(3~9개)를 동시 출력 적용할 수 있다는 차별점이 있다.
또한, 온도 조절 범위와 관련하여, (a) 및 (b)는 0°C to 350°C 또는 RT~250°C가 가능하나 본 발명은 0°C to 250°C의 더 넓은 조절 범위를 갖는다.
또한, 가교(Crosslink) 방식(생체물질 결합방식) 관련하여 (a) 및 (b)는 2개 요소 (UV / 온도) 또는 1개 요소 (온도)만을 제어하나 본 발명은 5개의 요소 (UV/온도/ 화학,효소,pH)를 선택적으로 제어 가능하다는 장점이 있다.
또한, 저점도 생체물질 3차원 적층 가능여부와 관련하여, (a) 및 (b)는 불가능하나 본 발명은 저점도 생체물질 3차원 적층이 가능하다.
또한, 다채널 동시출력 가능여부 (생산성)와 관련하여, (a) 및 (b)는 불가능하나 본 발명은 다채널 동시출력이 가능하다는 장점이 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최대한 광의의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최대한 광의의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

Claims (13)

  1. 노즐을 통해 재료를 출력하는 복수의 채널;
    상기 복수의 채널 중 적어도 일부로부터 출력되는 재료가 적층되는 빌드 플레이트 (Build plate);
    상기 복수의 채널 중 적어도 일부를 z축 이동시키는 z축 변위 이동부;
    상기 빌드 플레이트를 X축 및 Y축 중 적어도 하나로 이동시키는 평면 이동부; 및
    상기 복수의 채널, 빌드 플레이트, z축 변위 이동부 및 평면 이동부의 동작을 제어하는 제어부; 를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 재료의 점도 및 상기 노즐에 적용되는 공압의 세기를 조절함으로써, 상기 재료의 출력량을 조절하며,
    상기 복수의 채널의 복수의 노즐 간의 제 1 높이차 정보 및 상기 빌드 플레이트의 바닥면과 상기 바닥면 위에 배치되는 디쉬 (dish) 간의 제 2 높이차 정보를 이용하여, 상기 재료가 적층되는 동작을 제어하고,

    상기 제어부는,
    상기 제 1 높이차 정보 및 상기 제 2 높이차 정보를 이용하여, 상기 상기 복수의 노즐 중 적어도 하나와 상기 디쉬 간의 이격 거리 조정을 통해 상기 재료가 적층되는 동작을 제어하며,

    상기 재료가 미리 지정된 수치 이하의 저점도를 갖는 경우,
    상기 제어부는 상기 재료를 방울로 출력하는 Droplet 방식으로 상기 재료가 출력되도록 제어하고,

    상기 재료가 상기 미리 지정된 수치 이상의 고점도를 갖는 경우,
    상기 제어부는 상기 재료를 압력에 의한 힘으로 출력하는 Extrusion 방식으로 상기 재료가 출력되도록 제어하며,

    상기 Droplet 방식이 적용되는 경우,
    상기 제어부는, 상기 방울 출력의 정도를 제어하는 밸브의 오픈 정도를 추가적으로 제어하여 상기 재료의 출력량을 조절하고,

    상기 Extrusion 방식이 적용된 후 상기 출력이 멈추는 경우,
    상기 재료가 출력되는 방향의 반대 방향으로 진공 공간을 만들어 역류에 의한 상기 재료의 흘러내림을 방지하며,

    상기 복수의 채널은, 상기 Droplet 방식 출력을 위한 적어도 하나의 제 1 채널 및 상기 Extrusion 방식 출력을 위한 적어도 하나의 제 2 채널을 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제 1 채널 및 상기 제 2 채널이 동시에 출력하도록 제어하여 전체 출력 시간을 단축하며

    상기 제어부는 상기 적층된 재료를 기초로 생체물질을 결합하는 가교 (Crosslink) 방법에 있어서, 열에 의한 반응, UV 반응, 화학 반응, 중화 반응 (pH) 및 효소 반응 중 적어도 일부를 제어하는 프린터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 프린터 내에서 순회하는 물을 가열하기 위해 상기 프린터의 적어도 일부에 배치되는 보일러; 및
    상기 프린터의 적어도 일부에 배치되고, 상기 보일러에 의해 가열된 물을 냉각하기 위한 칠러;를 더 포함하고,
    상기 보일러 및 칠러와 연관된 밸브의 개폐 여부에 따라 상기 물의 온도가 제어되며,
    상기 물의 온도는, 일정 기간 내의 온도차, 온도 상승, 온도 하강 및 시간 중 적어도 하나의 요소를 기초로 PID (Proportional　Integral　Derivative) 제어되고,
    상기 제어된 물의 온도를 통해 상기 노즐을 통해 출력되는 상기 재료의 온도가 제어되는 프린터.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 2항에 있어서,
    하단이 투명하고, 적어도 일부에 배치된 동심원의 기준 마커; 및
    상기 기준 마커를 촬영 가능한 노즐 오프셋 (offset) 카메라;를 더 포함하고,
    상기 노즐 오프셋 (offset) 카메라를 통해 획득된 이미지를 이용하여, 상기 동심원의 중앙을 기준으로 상기 디쉬 및 상기 노즐의 위치를 변경하여 미리 지정된 위치로 상기 출력되는 재료가 적층되도록 하는 프린터.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 출력된 재료의 경화를 위해 UV (Ultraviolet Ray)가 조사되는 경우, 상기 노즐 내의 물질이 경화되어 막히는 것을 방지하기 위해, 상기 노즐은, 상기 UV가 조사되는 기간에 상기 노즐 말단을 막기 위한 셔터를 더 포함하는 프린터.
  9. 제 8항에 있어서,
    외부 가스를 흡입하여 필터를 통해 허용되는 가스만이 필터링되어 상기 프린터 내에 공급되도록 제어하는 캐비닛;을 더 포함하는 프린터.
  10. 삭제
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 열에 의한 반응은 Gelatin , Agar(한천) , Pluronic F-127, Chitosan/βglycerophosphate, Xyloglucan, Poly(N-isoprolylacrylamide), Poly (Organophosphazene) 를 포함하고,
    상기 UV 반응은 GelMA(Gelatin methacrylate), AlMA (alginate methacryloyl), HaMA (hyaluronic acid methacryloyl), CMA (carboxymethyl cellulose methacryloyl)+ LAP, irgacure (photoinitiator) + UV 를 포함하며,
    상기 화학 반응은 Alginate + CaCl2 를 포함하고,
    상기 중화 반응 (pH)은 Collagen, Chitosan + NaHCO3을 포함하며,
    상기 효소 반응은 Fibrinogen + Thrombin, Gelatin + microbial transglutaminase (mTG)을 포함하는 프린터.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 제 1 채널과 상기 제 2 채널은 총 12개의 채널로 구성되고, 상기 PID 제어에 따라 상기 물의 온도는 4°C ~ 50°C로 변화 가능한 프린터.
  13. z축 변위 이동부가 복수의 채널 중 적어도 일부를 z축 이동시키는 제 1 단계;
    평면 이동부가 빌드 플레이트 (Build plate)를 X축 및 Y축 중 적어도 하나로 이동시키는 제 2 단계;
    복수의 채널이 노즐을 통해 재료를 출력하는 제 3 단계;
    상기 복수의 채널 중 적어도 일부로부터 출력되는 재료가 빌드 플레이트에 적층되는 제 4 단계; 및
    제어부가 상기 복수의 채널, 빌드 플레이트, z축 변위 이동부 및 평면 이동부의 동작을 제어하는 제 5 단계;를 포함하고,

    상기 제 5 단계에서 상기 제어부는,
    상기 재료의 점도 및 상기 노즐에 적용되는 공압의 세기를 조절함으로써, 상기 재료의 출력량을 조절하며,
    상기 복수의 채널의 복수의 노즐 간의 제 1 높이차 정보 및 상기 빌드 플레이트의 바닥면과 상기 바닥면 위에 배치되는 디쉬 (dish) 간의 제 2 높이차 정보를 이용하여, 상기 재료가 적층되는 동작을 제어하고,

    상기 제 5 단계에서 상기 제어부는,
    상기 제 1 높이차 정보 및 상기 제 2 높이차 정보를 이용하여, 상기 상기 복수의 노즐 중 적어도 하나와 상기 디쉬 간의 이격 거리 조정을 통해 상기 재료가 적층되는 동작을 제어하며,

    상기 재료가 미리 지정된 수치 이하의 저점도를 갖는 경우,
    상기 제 5 단계에서 상기 제어부는 상기 재료를 방울로 출력하는 Droplet 방식으로 상기 재료가 출력되도록 제어하고,

    상기 재료가 상기 미리 지정된 수치 이상의 고점도를 갖는 경우,
    상기 제 5 단계에서 상기 제어부는 상기 재료를 압력에 의한 힘으로 출력하는 Extrusion 방식으로 상기 재료가 출력되도록 제어하며,

    상기 Droplet 방식이 적용되는 경우,
    상기 제 5 단계에서 상기 제어부는, 상기 방울 출력의 정도를 제어하는 밸브의 오픈 정도를 추가적으로 제어하여 상기 재료의 출력량을 조절하고,

    상기 Extrusion 방식이 적용된 후 상기 출력이 멈추는 경우,
    상기 재료가 출력되는 방향의 반대 방향으로 진공 공간을 만들어 역류에 의한 상기 재료의 흘러내림을 방지하는 제 6 단계;를 더 포함하며,

    상기 복수의 채널은, 상기 Droplet 방식 출력을 위한 적어도 하나의 제 1 채널 및 상기 Extrusion 방식 출력을 위한 적어도 하나의 제 2 채널을 포함하고,
    상기 제 5 단계에서 상기 제어부는,
    상기 제 1 채널 및 상기 제 2 채널이 동시에 출력하도록 제어하여 전체 출력 시간을 단축하며

    상기 제 5 단계에서 상기 제어부는 상기 적층된 재료를 기초로 생체물질을 결합하는 가교 (Crosslink) 방법에 있어서, 열에 의한 반응, UV 반응, 화학 반응, 중화 반응 (pH) 및 효소 반응 중 적어도 일부를 제어하는 프린터의 제어방법.
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110212501A1 (en) 2008-09-12 2011-09-01 The Brigham And Women's Hospital, Inc. 3-dimensional multi-layered hydrogels and methods of making the same
US20160096326A1 (en) * 2014-10-03 2016-04-07 Tyco Electronics Corporation Selective zone temperature control build plate
KR20170062965A (ko) * 2015-11-30 2017-06-08 주식회사 포머스팜 3d 프린터용 히팅노즐 구조
KR20170124961A (ko) * 2016-05-03 2017-11-13 제록스 코포레이션 상이한 빌드 재료로 3-차원으로 인쇄된 물체 내에 통합된 인터페이스를 형성하기 위한 시스템 및 방법
KR101828345B1 (ko) 2016-10-19 2018-03-29 주식회사 로킷 바이오 3차원 프린터
KR20180099838A (ko) * 2015-12-31 2018-09-05 에꼴 센트랄 데 낭트 적층 가공 장치의 조정 시스템 및 이의 조정 방법
US20190047309A1 (en) * 2016-03-02 2019-02-14 Massivit 3D Printing Technologies Ltd. A System For Shielding Printer Heads And Nozzles From Curing Radiation
KR20200027393A (ko) * 2018-08-31 2020-03-12 주식회사 큐비콘 3d 프린터용 다중 노즐의 위치 보정방법

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110212501A1 (en) 2008-09-12 2011-09-01 The Brigham And Women's Hospital, Inc. 3-dimensional multi-layered hydrogels and methods of making the same
US20160096326A1 (en) * 2014-10-03 2016-04-07 Tyco Electronics Corporation Selective zone temperature control build plate
KR20170062965A (ko) * 2015-11-30 2017-06-08 주식회사 포머스팜 3d 프린터용 히팅노즐 구조
KR20180099838A (ko) * 2015-12-31 2018-09-05 에꼴 센트랄 데 낭트 적층 가공 장치의 조정 시스템 및 이의 조정 방법
US20190047309A1 (en) * 2016-03-02 2019-02-14 Massivit 3D Printing Technologies Ltd. A System For Shielding Printer Heads And Nozzles From Curing Radiation
KR20170124961A (ko) * 2016-05-03 2017-11-13 제록스 코포레이션 상이한 빌드 재료로 3-차원으로 인쇄된 물체 내에 통합된 인터페이스를 형성하기 위한 시스템 및 방법
KR101828345B1 (ko) 2016-10-19 2018-03-29 주식회사 로킷 바이오 3차원 프린터
KR20200027393A (ko) * 2018-08-31 2020-03-12 주식회사 큐비콘 3d 프린터용 다중 노즐의 위치 보정방법

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