KR102659885B1 - 초유연 이중 곡률 구조를 이용한 결손부 자가 맞춤형 4d 이식재 및 그 제조장치와 제조방법 - Google Patents

초유연 이중 곡률 구조를 이용한 결손부 자가 맞춤형 4d 이식재 및 그 제조장치와 제조방법 Download PDF

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Abstract

초유연 이중 곡률 구조를 이용한 결손부 자가 맞춤형 4D 이식재 및 그 제조장치와 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 결손부에 이식되는 4D 이식재를 제조하는 장치로서, micro-CT를 이용한 상기 결손부의 형상 및 크기에 대한 스캔 결과에 기초하여 상기 결손부에 삽입 가능하도록 상기 4D 이식재의 형상 데이터를 설계하는 설계부; 및 상기 형상 데이터에 따라 4D 거동이 가능하도록 상기 4D 이식재를 프린팅 제작하는 제작부를 포함하되, 상기 4D 이식재는 초유연 이중 곡률 구조면을 가지는 이식재 프레임과; 상기 이식재 프레임의 내부공간에 탑재되며, 습윤 팽창하는 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 4D 이식재 제조장치가 제공된다.

Description

초유연 이중 곡률 구조를 이용한 결손부 자가 맞춤형 4D 이식재 및 그 제조장치와 제조방법{Self-intimate-matched 4D scaffold with a super flexible double curvature structure and fabricating device and fabricating method thereof}
본 발명은 초유연 이중 곡률 구조를 이용한 결손부 자가 맞춤형 4D 이식재 및 그 제조장치와 제조방법에 관한 것이다.
구강은 완벽한 소독이 되지 않는 영역이다. 구강 내 골 결손이 발생하여 재건을 위해 이식재를 이용할 경우, 이식 부위 주변의 감염 문제가 존재한다. 또한, 노화나 외상, 종양, 물혹, 약물성 턱뼈 괴사 등 복잡한 상황에서의 골 결손 발생 빈도가 높아 거의 대부분의 사람들이 평생 1회 이상 구강 내 골이식이 요구된다.
구강 내 골 결손 형태는 많은 빈도로 결손 부위가 보이는 크기보다 내부가 넓은 언더컷 형태로 발생하게 되며, 이는 기존의 3D 프린팅 이식재로는 맞춤형 재건에 한계가 있었다.
한편 의료기기 이식 시 이용되는 골 이식재는 뼈의 생리학적/기계적 특성을 모사하기 위해 다양한 개발이 이루어지고 있다. 골 결손 부위의 형태와 기존의 골 형태에 맞춤형으로 제작하기 위해 3D 프린팅 방법이 이용되고 있다. 하지만, 현재 단층 촬영 기술 및 3D 모델링의 구현에 대한 기술력 부족으로 인해, 실제 결손 부위에 대한 정밀한 형상 구현은 어렵다. 특히 골 결손 부위에 완전히 밀착하여 고정되어야 골 재생이 온전히 잘 이루어지는 것을 고려하였을 때 골 이식재에 대한 정밀 형상 구현과 결손 부위에의 완전 밀착 정도가 매우 중요한 요소이다.
한국공개특허 제10-2019-0095584호 (공개일 2019.08.16.) - 3D 프린팅에 의한 골 이식재의 제조방법
본 발명은 좁게 노출된 결손 부위를 통과할 수 있는 3D 프린팅 이식재의 표면에 초유연 이중 곡률 구조를 적용하여 그 내부에 탑재되는 하이드로젤이 체내 수분에 의해 임의의 방향으로 팽창하게 할 수 있는 초유연 이중 곡률 구조를 이용한 결손부 자가 맞춤형 4D 이식재 및 그 제조장치와 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 제작한 4D 이식재를 언더컷 형태의 골 결손 부위에 삽입하여 이식한 골 이식재가 결손 부위 주변의 수분을 흡수하여 자동으로 팽창함으로써 결손 부위 내부의 넓은 부위에 자가 밀착되어 언더컷 형상의 골 결손 부위에 대한 맞춤형 재건이 가능하게 하는 초유연 이중 곡률 구조를 이용한 결손부 자가 맞춤형 4D 이식재 및 그 제조장치와 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 4D 기능을 하는 3D 프린팅 이식재 내부에 골 생성을 유도하고 항염 기능을 가지는 성분들도 탑재시켜 결손 부위에 이식재를 삽입한 후 발생할 수 있는 합병증의 빈도를 낮추고 골재생성 및 이식성을 증대시킨 초유연 이중 곡률 구조를 이용한 결손부 자가 맞춤형 4D 이식재 및 그 제조장치와 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 바람직한 실시예를 통하여 보다 명확해질 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 결손부에 이식되는 4D 이식재를 제조하는 장치로서, micro-CT를 이용한 상기 결손부의 형상 및 크기에 대한 스캔 결과에 기초하여 상기 결손부에 삽입 가능하도록 상기 4D 이식재의 형상 데이터를 설계하는 설계부; 및 상기 형상 데이터에 따라 4D 거동이 가능하도록 상기 4D 이식재를 프린팅 제작하는 제작부를 포함하되, 상기 4D 이식재는 초유연 이중 곡률 구조면을 가지는 이식재 프레임과; 상기 이식재 프레임의 내부공간에 탑재되며, 습윤 팽창하는 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 4D 이식재 제조장치가 제공된다.
상기 설계부는 상기 결손부 중 노출된 환부의 형상 및 크기에 상응하여 상기 4D 이식재의 형상 및 크기를 설계할 수 있다.
상기 설계부는 상기 결손부의 스캔 형상과 상기 4D 이식재의 기본 설계 형상 간의 공극 크기에 따라 상기 공극을 메우기 위한 팽창 거동을 유도하는 방향으로 상기 초유연 이중 곡률 구조면이 배치되게 할 수 있다.
상기 초유연 이중 곡률 구조면은 음의 푸아송 비를 갖는 패턴으로 형성될 수 있다. 또는 상기 초유연 이중 곡률 구조면은 2차원 미앤더 패턴으로 형성될 수 있다.
상기 제작부는, 프린팅 베드와; 상기 이식재 프레임의 제작을 위한 고분자 재료가 수용된 챔버와; 상기 챔버 내에 공기를 공급하는 공기 공급부와; 상기 챔버의 하부에 설치되며, 공압에 의해 상기 챔버 내의 상기 고분자 재료가 프린팅 베드 상에 토출되는 분사노즐을 포함하는 4D 프린터일 수 있다.
상기 이식재 프레임의 상면과 하면은 상기 초유연 이중 곡률 구조면으로 제작되고, 측면은 상기 4D 프린터를 이용한 드래깅 기법에 의해 제작된 복수의 기둥부와 복수의 스트링을 포함하는 단일 벽 구조를 가질 수 있다.
상기 제작부는, 상기 프린팅 베드 상에 상기 이식재 프레임의 하면에 해당하는 초유연 이중 곡률 구조면을 프린팅하는 단계와; 상기 이식재 프레임의 측면을 드래깅 기법으로 프린팅하는 단계와; 별도 제작되어 젤화된 상기 필러를 상기 하면과 상기 측면이 제작된 상기 이식재 프레임 내에 끼워 넣는 단계와; 상기 이식재 프레임의 상면에 해당하는 초유연 이중 곡률 구조면을 프린팅하는 단계를 수행하여 상기 4D 이식재를 제작할 수 있다.
한편 본 발명의 다른 측면에 따르면, 초유연 이중 곡률 구조면을 가지는 이식재 프레임; 및 상기 이식재 프레임의 내부공간에 탑재되며, 습윤 팽창하는 필러를 포함하되, 결손부에 삽입 설치된 후 체내 수분에 의해 상기 필러가 팽창함에 따라 상기 이식재 프레임의 표면도 유연하게 팽창 거동하는 것을 특징으로 하는 결손부 자가 맞춤형 4D 이식재가 제공된다.
상기 이식재 프레임은 PCL로 이루어지고, 상기 필러는 하이드로젤로 이루어질 수 있다.
상기 초유연 이중 곡률 구조면은 음의 푸아송 비를 갖는 패턴으로 형성될 수 있다. 또는 상기 초유연 이중 곡률 구조면은 2차원 미앤더 패턴으로 형성될 수 있다.
한편 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 결손부에 이식되는 4D 이식재를 제조하는 방법으로서, micro-CT를 통해 스캔한 결과에 기초하여 설계부에서 상기 결손부에 삽입 가능하도록 상기 4D 이식재의 형상 데이터를 설계하는 단계; 및 제작부에서 상기 형상 데이터에 따라 4D 거동이 가능하도록 상기 4D 이식재를 프린팅 제작하는 단계를 포함하되, 상기 4D 이식재는 초유연 이중 곡률 구조면을 가지는 이식재 프레임과; 상기 이식재 프레임의 내부공간에 탑재되며, 습윤 팽창하는 필러를 포함하는 것을 특징으로 하는 4D 이식재 제조방법이 제공된다.
상기 프린팅 제작하는 단계는, 프린팅 베드 상에 상기 이식재 프레임의 하면에 해당하는 초유연 이중 곡률 구조면을 프린팅하는 단계와; 상기 이식재 프레임의 측면을 드래깅 기법으로 프린팅하는 단계와; 별도 제작되어 젤화된 상기 필러를 상기 하면과 상기 측면이 제작된 상기 이식재 프레임 내에 끼워 넣는 단계와; 상기 이식재 프레임의 상면에 해당하는 초유연 이중 곡률 구조면을 프린팅하는 단계를 포함할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 좁게 노출된 결손 부위를 통과할 수 있는 3D 프린팅 이식재의 표면에 초유연 이중 곡률 구조를 적용하여 그 내부에 탑재되는 하이드로젤이 체내 수분에 의해 임의의 방향으로 팽창하게 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 제작한 4D 이식재를 언더컷 형태의 골 결손 부위에 삽입하여 이식한 골 이식재가 결손 부위 주변의 수분을 흡수하여 자동으로 팽창함으로써 결손 부위 내부의 넓은 부위에 자가 밀착되어 언더컷 형상의 골 결손 부위에 대한 맞춤형 재건이 가능하게 하는 효과가 있다.
또한, 4D 기능을 하는 3D 프린팅 이식재 내부에 골 생성을 유도하고 항염 기능을 가지는 성분들도 탑재시켜 결손 부위에 이식재를 삽입한 후 발생할 수 있는 합병증의 빈도를 낮추고 골재생성 및 이식성을 증대시킨 효과도 있다.
도 1은 종래 결손부 맞춤형 3D 프린팅 이식재의 특징을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초유연 이중 곡률 구조를 이용한 결손부 자가 맞춤형 4D 이식재 제조장치의 개략적인 구성블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초유연 이중 곡률 구조를 이용한 결손부 자가 맞춤형 4D 이식재 제조방법의 순서도,
도 4는 결손부위 스캔과정 및 설계과정을 나타낸 도면,
도 5는 제작된 4D 이식재의 예시도,
도 6은 제작과정을 나타낸 도면,
도 7은 제작부로 이용되는 프린터의 개략도,
도 8 및 도 9는 드래깅 기법을 설명하기 위한 도면,
도 10은 초유연 이중 곡률 구조를 갖는 패턴의 설계 알고리즘,
도 11은 3D 프린팅 지지체와 4D 프린팅 지지체의 거동을 나타낸 도면,
도 12는 물에 의해 팽창한 젤라틴 이미지 및 팽창률 그래프,
도 13은 4D 거동 원리의 개략도,
도 14는 맞춤형 재건 및 자가 밀착 기능의 개략도.
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.
도 1은 종래 결손부 맞춤형 3D 프린팅 이식재의 특징을 나타낸 도면이다.
도 1의 (a)에는 결손 부위의 노출된 크기가 넓은 형태가 예시되어 있다. 골 결손이 발생한 경우, 의료용 micro-CT 장비를 이용하여 결손 부위에 대한 스캔 작업이 진행된다. 스캔 결과에 기초하여 결손 부위의 형상과 동일한 형상을 가지는 맞춤형 이식재(2a)를 3D 프린터를 이용하여 제작하고, 결손 부위(1a)에 삽입함으로써 맞춤형 결손부 재건이 가능하다.
하지만, 결손 부위에 따라 도 1의 (b)에 예시된 것과 같이 노출된 크기가 좁은 형태(언더컷 형태)가 있을 수도 있다. 이 경우에는 골 결손이 발생하였지만, 결손 부위(1b)의 형상과 동일한 맞춤형 이식재(2b)를 3D 프린터를 이용하여 제작할 수는 있지만, 이를 결손 부위(1b)에 삽입하는 것이 불가능하다.
종래 3D 프린팅 골 이식재는 골 결손 부위의 형태가 임상 환경에서 외부에 보이는 결손의 크기가 더 큰 형태로, 외부에 노출된 결손의 크기와 형상이 오롯이 노출되어 있어 비교적 맞춤형 재건 시술이 수월하였다. 하지만, 구강과 같은 완전 소독이 어려운 부위에 골 결손이 발생하거나, 다양한 질병이나 외상으로 인해 발생되는 형태가 수술 시 보이는 결손의 크기보다 내부의 결손 공간이 큰 언더컷 형태의 결손 빈도가 높음에 따라, 기존의 3D 프린팅 맞춤형 이식재만으로는 결손 부위의 맞춤형 재건에는 한계가 있다. 특히, 감염이나 괴사 등에 따라 결손 부위 내부 조직이 지속적인 결손이 진행되는 과정에서 결손 부위에 맞춤형으로 재건하는 것 또한 어렵다는 것이 종래 3D 프린팅 맞춤형 골 이식재의 큰 한계점이다.
따라서, 후술할 본 발명의 실시예들에서는 초유연 이중 곡률 구조를 이용한 4D 이식재를 설계하고, 4D 이식재를 이용하여 언더컷 형태의 결손 부위에 대해서도 맞춤형 재건이 가능하게 함으로써 전술한 문제점을 해결하고자 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초유연 이중 곡률 구조를 이용한 결손부 자가 맞춤형 4D 이식재 제조장치의 개략적인 구성블록도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초유연 이중 곡률 구조를 이용한 결손부 자가 맞춤형 4D 이식재 제조방법의 순서도이며, 도 4는 결손부위 스캔과정 및 설계과정을 나타낸 도면이고, 도 5는 제작된 4D 이식재의 예시도이며, 도 6은 제작과정을 나타낸 도면이고, 도 7은 제작부로 이용되는 프린터의 개략도이며, 도 8 및 도 9는 드래깅 기법을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 초유연 이중 곡률 구조를 갖는 패턴의 설계 알고리즘이며, 도 11은 3D 프린팅 지지체와 4D 프린팅 지지체의 거동을 나타낸 도면이고, 도 12는 물에 의해 팽창한 젤라틴 이미지 및 팽창률 그래프이며, 도 13은 4D 거동 원리의 개략도이고, 도 14는 맞춤형 재건 및 자가 밀착 기능의 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초유연 이중 곡률 구조를 이용한 결손부 자가 맞춤형 4D 이식재 제조장치 및 제조방법은 결손 부위에 대한 스캔 결과에 기초하여 초유연 이중 곡률 구조를 가지는 4D 이식재의 형상을 설계하고 프린터를 이용하여 프린팅 방식으로 4D 이식재를 제작하며, 결손 부위(이하, '결손부'라고 칭하기도 함)에 삽입 설치함으로써 수분 흡수에 따른 팽창으로 결손 부위 내에서 자가 밀착이 가능하게 할 수 있다.
본 실시예에 따른 초유연 이중 곡률 구조를 이용한 결손부 자가 맞춤형 4D 이식재 제조장치(10)(이하, 4D 이식재 제조장치라고도 칭함)는 설계부(12), 제작부(13)를 포함할 수 있다. 추가적으로 스캔부(11)를 더 포함할 수도 있다.
의료용 micro-CT 스캔을 통해 얻은 형상 데이터(도 4의 (a) 참조)는 3D 캐드 파일로 변환될 수 있다. 변환된 3D 캐드 파일의 해석을 통해 결손부 중 노출된 환부의 형상 및 크기를 측정할 수 있다(도 4의 (b)의 L1, L2 참조).
또는 결손 부위에 대한 형상 데이터는 스캔부(11)를 통해 획득할 수도 있다(단계 S110). 스캔부(11)는 재건하고자 하는 결손부에 대해 micro-CT 촬영을 진행하여 그 현상을 스캔할 수 있다. micro-CT 촬영을 통해 단순한 카메라 촬영으로는 확인이 불가능한 언더컷 형태의 결손부에 대해서도 그 내부 형상에 대한 정확한 확인이 가능할 수 있다.
설계부(12)는 측정된 형상 및 크기 데이터를 이용하여 결손부 내에 삽입 가능한 4D 이식재 형상을 설계한다(단계 S120). 기본적으로 결손부의 노출된 환부의 형상 및 크기에 상응하는 단면(L1, L2)을 가지고, 결손부의 깊이에 상응하는 높이(D)를 가지는 4D 이식재 형상이 설계될 수 있다.
설계부(12)는 4D 거동이 가능하도록 4D 이식재 형상을 이식재 프레임(210)과 필러(220)의 2중 구조로 설계할 수 있다. 필러(220)는 수분 흡수를 통해 팽창 가능한 재질로 채워진다. 이식재 프레임(210)은 필러(220)가 팽창할 경우 외측을 향해 변형 가능하도록 초유연 특성을 가지는 이중 곡률 구조의 표면을 가지게 할 수 있다.
제작부(13)는 설계부(12)에서 설계된 4D 이식재 형상 데이터에 기초하여 제조장치(10)를 이용한 프린팅을 수행함으로써 4D 이식재(200)를 제작할 수 있다(단계 S130).
이식재 프레임(210) 중 하면과 측면을 프린팅한 이후, 별도 제작된 필러(220)를 삽입 설치한다. 그리고 최종적으로 이식재 프레임(210)의 상면을 프린팅함으로써 4D 이식재(200)를 제작한다.
제작된 4D 이식재(200)는 결손부(1b)의 입구에 상응하는 형상 및 크기를 가져 결손부(1b) 내로 용이하게 삽입 설치할 수 있다(단계 S140).
결손부(1b) 내에 삽입 설치된 4D 이식재(200)는 결손부(1b) 내부의 수분에 의해 필러(220)가 습윤 팽창하고, 이식재 프레임(210)이 초유연 특성을 가져 필러(220)의 습윤 팽창에 따라 외측으로 자유 변형되어 결손부(1b)의 내측면에 자가 밀착됨으로써 맞춤형 재건이 되게 할 수 있다(단계 S150).
도 5를 참조하면, 제작된 4D 이식재(200)의 내부를 확인할 수 있는 도면이 예시되어 있다.
4D 이식재(200)는 이식재 프레임(210)과 필러(220)를 포함한다.
이식재 프레임(210)은 초유연 이중 곡률 구조의 표면을 가진다. 기본적으로 이식재 프레임(210)의 상면과 하면이 초유연 이중 곡률 구조의 표면으로 구현될 수 있다. 또한, 측면도 초유연 이중 곡률 구조의 표면으로 구현될 수 있다.
또는 이식재 프레임(210)의 측면은 드래깅(dragging) 기법으로 제작된 기둥(수직 방향)과 스트링(수평 방향)가 교차하는 메쉬 구조로 구현될 수도 있다.
이식재 프레임(210)은 신체 결손 부위에 삽입되고 실제 맞닿는 부분으로, 생적합성/생분해성 고분자인 PCL(Polycaprolactone)로 이루어질 수 있다.
필러(220)는 건조한 상태에서는 최초 경화된 형태를 유지하지만, 수분을 흡수한 경우 습윤 팽창하는 성질을 가진 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 필러(220)로는 하이드로젤이 이용될 수 있다. 하이드로젤은 수화젤이라고도 하며, 수용성 고분자가 물리적(수소결합, 반데르발스 힘, 소수성 상호작용, 고분자의 결정) 혹은 화학적(공유결합)인 결합으로 3차원의 가교를 형성하고 있는 구조를 가진다. 하이드로젤의 팽창률은 조절 가능하며, 하이드로젤 복합재의 경우 500% 이상 팽창할 수도 있다.
설계부(12)에서는 이식재 프레임(210)과 필러(220)를 가지는 4D 이식재(200)의 형상을 설계할 수 있다.
이 경우 결손부의 형상에 따라 상대적으로 많은 팽창이 요구되는 부분을 초유연 이중 곡률 구조를 가지는 표면(초유연 이중 곡률 구조면)으로 설계하여, 타 부분에 비해 상대적으로 큰 팽창 거동이 일어나게 할 수 있다. 즉, 의료용 micro-CT 스캔에 의해 생성된 스캔 형상과 설계부(12)에서 결손부의 노출 부분에 상응하여 기본 설계된 기본 설계 형상 간의 공극 크기에 따라 공극을 메우기 위한 팽창 거동을 유도하기 위해 초유연 이중 곡률 구조면의 배치가 결정될 수 있다.
이후 제작부(13)에서 4D 이식재(200)를 제작하는 과정이 도 6에 도시되어 있다. 여기서, 4D 이식재(200)는 상면과 하면이 초유연 이중 곡률 구조로 이루어지고, 측면은 드래깅 기법에 따른 단일 벽 구조로 이루어진 경우가 예시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제작부(13)는 3D 플로팅(3D plotting) 방식의 4D 프린터일 수 있다.
도 7을 참조하면, 4D 프린터(20)는 챔버(21), 공기 공급부(22), 분사노즐(23), 프린팅 베드(24)를 포함할 수 있다.
챔버(21)에는 이식재 프레임(210)에 적합한 고분자 재료가 수용된다. 고분자 재료는 별도의 저장탱크(미도시)로부터 필요한 양만큼 공급받을 수도 있다. 고분자 재료는 생분해성, 생적합성 고분자인 PCL일 수 있다.
챔버(21)에는 히터(미도시)가 포함되어 있어, 내부에 수용된 고분자 재료의 토출이 용이하도록 용융시킬 수 있다.
공기 공급부(22)는 챔버(21) 내에 공기를 공급하여 고분자 재료가 공압에 의해 분사노즐(23)을 통해 토출되도록 한다.
분사노즐(23)은 챔버(21)의 하부에 설치되며, 챔버(21) 내에 수용된 고분자 재료가 프린팅 베드(24) 상에 토출된다. 이 경우 하방으로 토출되는 고분자 재료는 분사노즐(23)의 내경에 종속되는 크기를 가지게 된다.
분사노즐(23)이 장착된 챔버(21)는 X, Y, Z 방향으로 자유롭게 이동 가능하게 형성될 수 있다. 또는 프린팅 베드(24)가 X, Y, Z 방향으로 자유롭게 이동 가능하게 형성될 수도 있다. 또는 분사노즐(23)이 장착된 챔버(21)가 X, Y, Z 방향 중 n(n은 2 이하의 자연수) 개의 방향으로 자유롭게 이동 가능하게 형성되고, 프린팅 베드(24)는 나머지 방향으로 자유롭게 이동 가능하게 형성될 수도 있다.
분사노즐(23)이 장착된 챔버(21)와 프린팅 베드(24) 사이의 3차원 이동성으로 인해 3차원 형상의 이식재 프레임(210) 제작이 가능하게 된다.
이식재 프레임(210)은 다수의 수평 층으로 슬라이스된 구조를 가지도록 설계될 수 있다. 본 실시예에 따른 4D 프린터(20)는 수평 층 단위로 공압에 의해 챔버(21) 내의 고분자 재료를 분사노즐(23)을 통해 토출시키면서 경화시켜 수평 층 단위로 구분된 이식재 프레임 조각들(이식재 프레임 슬라이스층)이 차례로 적층되어 완전한 이식재 프레임(210)을 이루도록 한다.
이 경우 플로팅 기법에 따르면 고분자 재료는 분사노즐(23)을 통해 하방으로 토출된다. 따라서, 분사노즐(23)을 통해 토출되는 섬유는 분사노즐(23)의 내경에 상응하는 크기를 가지게 된다. 예컨대, 분사노즐(23)의 내경이 150㎛ 라면 토출된 섬유 역시 150㎛ 정도의 크기를 가지게 된다.
본 실시예에서는 이러한 한계를 극복하고자 분사노즐(23)을 통한 고분자 재료의 토출 과정에서 토출 변수를 제어하는 드래깅 기법을 통해 분사노즐(23)의 내경보다 작은 크기를 가지는 섬유가 토출되게 할 수 있다.
도 8과 도 9에는 구조체(본 실시예에서는 이식재 프레임(210)의 측면)를 제작하기 위한 본 실시예에 따른 드래깅 기법 및 드래깅 기법에 의해 제작된 구조체 모습이 도시되어 있다.
일정 간격 이격된 두 개의 기둥부(31a, 31b)를 가지는 구조체에 대해, 제1 기둥부(31a)에 대해 분사노즐(23)을 통한 플로팅이 이루어진 후 분사노즐(23)의 상승, 수평이동, 하강 과정이 생략되고, 분사노즐(23)을 직접 제2 기둥부(31b)로 수평 이동시킨다.
즉, 드래깅 기법에서는 고분자 재료의 토출 방향에 교차하는 방향(즉, 수평 방향)으로 분사노즐(23)을 이동시켜 분사노즐(23)에서 토출 중이거나 토출이 완료되고 남은 재료가 수평 방향으로 길게 늘어져 직경이 줄어드는 수평 바 구조의 스트링(40)을 만들 수 있다.
이 때 분사노즐(23)을 통해 토출되는 용융된 고분자 재료의 토출 변수를 제어하여 제1 기둥부(31a)에서의 플로팅과 제2 기둥부(31b)에서의 플로팅 사이에서 재료의 점성에 의해 수평으로 길게 늘어지는 형상의 스트링(40)이 만들어지게 할 수 있다.
도면에서 기둥 구조물은 구조체를 이루는 메인 프레임이 되고, 기둥부(31a, 31b) 사이에 만들어지는 스트링(40)은 서브 프레임이 된다. 이 경우 메인 프레임은 플로팅 기법으로 제작되며, 서브 프레임은 플로팅 사이에서 드래깅 기법으로 제작될 수 있다.
드래깅 기법에서 제어 가능한 토출 변수로는 토출 압력(Q), 이동속도(V), 기둥부 사이의 거리(d), 분사노즐(23)의 이동 경로(pathway), 공기압력, 재료의 점성 등이 있을 수 있다.
토출 압력(Q)은 스트링(40)의 크기 및 길이에 관계된다. 토출 압력(Q)이 클 경우에는 드래깅 기법에 의할 때 상대적으로 길이가 긴 스트링(40)의 제작이 가능하게 된다. 또한, 토출 압력(Q)이 작을 경우에는 스트링(40)의 크기(직경)를 작게 제작할 수 있다.
이동속도(V)는 스트링(40)의 크기에 비례한다. 이동속도(V)가 빠를 경우에는 이동경로 상의 각 지점에서 토출 방향으로 하강되는 재료가 적어 스트링(40)의 크기가 작게 된다. 이동속도(V)가 느릴 경우에는 이동경로 상의 각 지점에서 토출 방향으로 하강되는 재료가 많아 스트링(40)의 크기가 크게 된다.
기둥부 사이의 거리(d)는 스트링(40)의 최소 길이가 된다. 드래깅 기법에 의해 만들어지는 스트링(40)이 기둥부 사이의 거리(d)보다 큰 길이를 가져야 최종 제작된 구조체에서 미세 기공을 만들어주는 역할이 가능할 수 있다.
분사노즐(23)의 이동 경로(pathway)는 스트링(40)의 배치와 관계된다. 분사노즐(23)의 이동 경로를 따라 스트링(40)의 두께가 점점 작아지면서 수평하게 만들어질 수 있다. 이러한 드래깅 기법으로 만들어지는 스트링(40)은 메인 프레임에 해당하는 기둥부(31a, 31b)과 비교할 때 상당히 작은 크기(예. 직경)를 가질 수 있어, 구조체에서 기둥부 사이에 형성되는 매크로 기공에 속하는 다수의 마이크로 기공을 구획하는 수단이 될 수 있다.
다시 도 6을 참조하여, 본 실시예에 따른 4D 이식재(200)를 제작하는 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 6의 (a)에서, 제작부(13)는 프린팅 베드(24) 상에 4D 이식재(200)의 하면에 해당하는 초유연 이중 곡률 구조의 표면을 프린팅한다.
초유연 이중 곡률 구조는 단단한 소재(본 실시예에서는 PCL 소재)를 릴리프 커팅(relief cutting(kerfing)) 기법으로 자유 곡면에 대해 초유연하게 바꿔줄 수 있는 패턴을 갖는 구조이다.
본 실시예에서 초유연 이중 곡률 구조는 음의 푸아송 비(Negative Poisson's ratio)를 가지는 패턴을 갖는 구조일 수 있다. 음의 푸아송 비를 갖는 구조는 재료의 물성이 아닌 구조의 형상적 특성으로 인해 소재가 인장 상황에서는 팽창하게 되는 구조를 말한다. 손쉽게 전방향 팽창 조건을 구현할 수 있는 구조이다. 음의 푸아송 비를 갖는 패턴의 예시가 도면에 도시되어 있다.
본 실시예에서 초유연 이중 곡률 구조는 등방성 유연 구조로서, 2차원 미앤더 패턴(2D meander pattern)을 갖는 구조일 수 있다. 도 10을 참조하면, 초유연 이중 곡률 구조를 구현하고자 하는 표면을 다수의 다각형으로 구분하고, 각 다각형에 대해 2차원 미앤더 패턴을 생성시킬 수 있다. 각 다각형을 면의 중심점과 각 모서리의 중심점을 잇는 선분으로 다수의 사각형으로 분할할 수 있다. 분할된 다수의 사각형에 대해서는 면의 중심점에서 출발하는 제1 선과, 각 꼭지점에서 출발하는 제2 선이 사각형의 둘레를 따라 그리고 점차 그 내부를 향해 나선형으로 회전하면서 서로 만나지는 않는 패턴을 만들어낼 수 있고, 이 패턴이 2차원 미앤더 패턴이 될 수 있다.
2차원 미앤더 패턴은 3D 프린팅으로 구현될 수 있으며, 절단 경로가 기공이 되고, 남은 부분이 한 붓 그리기 형태로 적층되도록 설계 및 제작될 수 있다.
도 6의 (b)에서 제작부(13)는 이식재 프레임(210)의 측면을 순차 적층한다. 측면에 대해서는 전술한 드래깅 기법을 이용한 프린팅 방식이 적용될 수 있다.
이식재 프레임(210)의 측면은 둘레를 따라 설계된 간격으로 배치되는 복수의 기둥부(31a, 31b)와, 기둥부(31a, 31b) 사이를 잇는 복수의 스트링(40)을 포함할 수 있다. 기둥부(31a, 31b)와 스트링(40)으로 만들어지는 사이공간이 기공이 된다. 따라서, 단일 벽 구조를 쌓아 올림에도 기공을 갖는 유연한 얇은 벽으로 제작될 수 있다.
도 6의 (c)에서 제작부(13)는 하면과 측면이 제작된 이식재 프레임(210)의 내부공간에 하이드로젤로 제작된 필러(220)를 채워 넣는다.
필러(220)는 이식재 프레임(210)의 내부공간 형상과 치수로 설계된 틀에 액체 상태(젤화 전 상태)인 하이드로젤을 붓고 젤화 과정을 거친다. 그 후 젤화된 하이드로젤을 틀로부터 떼어내고, 3D 프린팅을 통해 제작된 이식재 프레임(210)의 내부공간에 끼워 넣는다.
도 6의 (d)에서 제작부(13)는 필러(220)를 채워 넣은 이식재 프레임(210)에 대해 상면을 프린팅하여, 4D 이식재(200)를 완성한다. 본 실시예에서는 상면도 초유연 이중 곡률 구조면으로 프린팅될 수 있다.
도 11을 참조하면, 기존의 3D 프린팅의 경우 이식 전과 이식 후가 그 형상이 동일하게 유지되는 한계가 있다. 하지만, 본 실시예에 따른 4D 프린팅의 경우, 필러(220)의 소재가 시간에 따라 변화가 있는 감응성 소재로 이루어져 있다. 따라서, 이식 전후에 형태 변화가 없는 PCL 소재에 대해서는 유연한 구조를 갖도록 프린팅하고, 수분을 흡수하여 팽창하는 하이드로젤은 PCL 프레임 내부에 채워 넣음으로써, 4D 이식재(200)를 체내에 삽입할 경우 체내 수분을 흡수하고 이를 통해 팽창 거동을 하는 4D 지지체(스캐폴드)로서 기능할 수 있다.
본 실시예에 따른 4D 이식재(200)는 결손 부위 자가 맞춤형으로, 처음 결손 부위에 이식할 때에는 수술에서 보이는 크기에 맞는 크기로 결손 부위에 삽입된다. 이후 결손 부위 주변의 수분을 흡수함으로써 자가 팽창되어 결손 부위의 내부 공간에도 밀착되어 언더컷 형태의 골 결손뿐만 아니라 결손이 지속해서 이루어지고 있는 부위에도 맞춤형 재건이 가능하여, 종래 3D 프린팅 이식재의 한계점을 극복할 수 있다.
이를 위해 본 실시예에서는 초유연 이중 곡률을 구현할 수 있는 패턴으로 단단한 소재를 이용하더라도 내부 하이드로젤의 팽창에 반응할 수 있는 이식재의 프레임을 3D 프린팅을 통해 제작할 수 있다. 또한, 체내 삽입되어 체내의 환경에서 이식재 내부에 채워질 하이드로젤이 물을 흡수하여 팽창하여야 하는 바, 젤라틴을 이용하여 체내와 유사한 환경을 주기 위해 37도의 증류수에 담가 팽창률을 측정하였다(도 12의 좌측 이미지). 그 결과 약 210% 팽창되었다는 것을 확인할 수 있다(도 12의 우측 이미지).
도 13을 참조하면, 결손부 자가 맞춤형 4D 이식재의 4D 거동 원리가 도시되어 있다. 결손 부위의 골 조직과 4D 이식재 간에 공극이 발생한 경우, 결손 부위 주변의 수분 흡수로 인해 하이드로젤의 4D 팽창이 일어나고, 초유연 이중 곡률 프레임이 이러한 4D 팽창에 대해 유연하게 반응하여 공극이 줄어들면서 완전 밀착이 이루어지게 할 수 있다. 따라서, 골 생장성을 향상시킬 수 있다.
도 14를 참조하면, 언더컷 결손 부위에 대한 맞춤형 재건 및 자가 밀착 기능에 대한 개략도가 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 자가 맞춤형 4D 이식재는 기존의 3D 프린팅 맞춤형 이식재를 적용하는 데 한계가 있는 구강 및 기타 완전 소독이 불가능한 부위의 조직 결손에 맞춤형 재건하는데 이용될 수 있으며, 조직이 감염이나 방사능에 의해 괴사가 진행되고 있는 부위에 맞춤형으로 재건하는 이식재로서도 활용이 가능하다.
또한, 이식재가 결손 부위에 완전히 밀착될수록 조직이 재생됨에 있어 원활한 세포 이동 및 영양분의 공급이 가능하므로, 맞춤형 이식재 설계/제작 시 발생하는 오차가 발생하거나, 이로 인해 실제 수술 시 이식재 고정을 위해 추가 결손 발생이 생기는 문제들을 결손 부위에 자가 밀착하는 기능으로써 이식재 고정을 위한 추가적인 이식용 의료기기 사용 및 결손을 최소화하고, 골 재건을 보다 안정적으로 원활하게 이뤄지게 할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 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.
1a, 1b: 결손부 2a, 2b: 맞춤형 이식재
10: 4D 이식재 제조장치 11: 스캔부
12: 설계부 13: 제작부
20: 4D 프린터 21: 챔버
22: 공기 공급부 23: 분사노즐
24: 프린팅 베드 200: 4D 이식재
210: 이식재 프레임 220: 필러

Claims (14)

  1. 결손부에 이식되는 4D 이식재를 제조하는 장치로서,
    micro-CT를 이용한 상기 결손부의 형상 및 크기에 대한 스캔 결과에 기초하여 상기 결손부에 삽입 가능하도록 상기 4D 이식재의 형상 데이터를 설계하는 설계부; 및
    상기 형상 데이터에 따라 4D 거동이 가능하도록 상기 4D 이식재를 프린팅 제작하는 제작부를 포함하되,
    상기 4D 이식재는 초유연 이중 곡률 구조면을 가지는 이식재 프레임과; 상기 이식재 프레임의 내부공간에 탑재되며, 습윤 팽창하는 필러를 포함하고,
    상기 제작부는,
    프린팅 베드와;
    상기 이식재 프레임의 제작을 위한 고분자 재료가 수용된 챔버와;
    상기 챔버 내에 공기를 공급하는 공기 공급부와;
    상기 챔버의 하부에 설치되며, 공압에 의해 상기 챔버 내의 상기 고분자 재료가 프린팅 베드 상에 토출되는 분사노즐을 포함하는 4D 프린터이며,
    상기 이식재 프레임의 상면과 하면은 상기 초유연 이중 곡률 구조면으로 제작되고, 측면은 상기 4D 프린터를 이용한 드래깅 기법에 의해 제작된 복수의 기둥부와 복수의 스트링을 포함하는 단일 벽 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 4D 이식재 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 설계부는 상기 결손부 중 노출된 환부의 형상 및 크기에 상응하여 상기 4D 이식재의 형상 및 크기를 설계하는 것을 특징으로 하는 4D 이식재 제조장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 설계부는 상기 결손부의 스캔 형상과 상기 4D 이식재의 기본 설계 형상 간의 공극 크기에 따라 상기 공극을 메우기 위한 팽창 거동을 유도하는 방향으로 상기 초유연 이중 곡률 구조면이 배치되게 하는 것을 특징으로 하는 4D 이식재 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 초유연 이중 곡률 구조면은 음의 푸아송 비를 갖는 패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 4D 이식재 제조장치.
  5. 결손부에 이식되는 4D 이식재를 제조하는 장치로서,
    micro-CT를 이용한 상기 결손부의 형상 및 크기에 대한 스캔 결과에 기초하여 상기 결손부에 삽입 가능하도록 상기 4D 이식재의 형상 데이터를 설계하는 설계부; 및
    상기 형상 데이터에 따라 4D 거동이 가능하도록 상기 4D 이식재를 프린팅 제작하는 제작부를 포함하되,
    상기 4D 이식재는 초유연 이중 곡률 구조면을 가지는 이식재 프레임과; 상기 이식재 프레임의 내부공간에 탑재되며, 습윤 팽창하는 필러를 포함하고,
    상기 초유연 이중 곡률 구조면은 2차원 미앤더 패턴으로 형성되고,
    상기 2차원 미앤더 패턴은 상기 초유연 이중 곡률 구조면을 구성하는 다각형에 대해 상기 다각형의 면의 중심점과 상기 다각형의 각 모서리의 중심점을 잇는 선분으로 복수의 사각형으로 분할하고, 분할된 상기 복수의 사각형에 대해 상기 다각형의 면의 중심점에서 출발하는 제1 선과, 상기 다각형의 각 꼭지점에서 출발하는 제2 선이 상기 사각형의 둘레를 따라 그리고 점차 그 내부를 향해 나선형으로 회전하되 서로 만나지 않도록 한 패턴인 것을 특징으로 하는 4D 이식재 제조장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제작부는, 상기 프린팅 베드 상에 상기 이식재 프레임의 하면에 해당하는 초유연 이중 곡률 구조면을 프린팅하는 단계와; 상기 이식재 프레임의 측면을 드래깅 기법으로 프린팅하는 단계와; 별도 제작되어 젤화된 상기 필러를 상기 하면과 상기 측면이 제작된 상기 이식재 프레임 내에 끼워 넣는 단계와; 상기 이식재 프레임의 상면에 해당하는 초유연 이중 곡률 구조면을 프린팅하는 단계를 수행하여 상기 4D 이식재를 제작하는 것을 특징으로 하는 4D 이식재 제조 장치.
  9. 초유연 이중 곡률 구조면을 가지는 이식재 프레임; 및
    상기 이식재 프레임의 내부공간에 탑재되며, 습윤 팽창하는 필러를 포함하되,
    결손부에 삽입 설치된 후 체내 수분에 의해 상기 필러가 팽창함에 따라 상기 이식재 프레임의 표면도 유연하게 팽창 거동하고,
    상기 초유연 이중 곡률 구조면은 2차원 미앤더 패턴으로 형성되고,
    상기 2차원 미앤더 패턴은 상기 초유연 이중 곡률 구조면을 구성하는 다각형에 대해 상기 다각형의 면의 중심점과 상기 다각형의 각 모서리의 중심점을 잇는 선분으로 복수의 사각형으로 분할하고, 분할된 상기 복수의 사각형에 대해 상기 다각형의 면의 중심점에서 출발하는 제1 선과, 상기 다각형의 각 꼭지점에서 출발하는 제2 선이 상기 사각형의 둘레를 따라 그리고 점차 그 내부를 향해 나선형으로 회전하되 서로 만나지 않도록 한 패턴인 것을 특징으로 하는 결손부 자가 맞춤형 4D 이식재.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 이식재 프레임은 PCL로 이루어지고, 상기 필러는 하이드로젤로 이루어진 것을 특징으로 하는 결손부 자가 맞춤형 4D 이식재.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 초유연 이중 곡률 구조면은 음의 푸아송 비를 갖는 패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 결손부 자가 맞춤형 4D 이식재.
  12. 삭제
  13. 결손부에 이식되는 4D 이식재를 제조하는 방법으로서,
    micro-CT를 통해 스캔한 결과에 기초하여 설계부에서 상기 결손부에 삽입 가능하도록 상기 4D 이식재의 형상 데이터를 설계하는 단계; 및
    제작부에서 상기 형상 데이터에 따라 4D 거동이 가능하도록 상기 4D 이식재를 프린팅 제작하는 단계를 포함하되,
    상기 4D 이식재는 초유연 이중 곡률 구조면을 가지는 이식재 프레임과; 상기 이식재 프레임의 내부공간에 탑재되며, 습윤 팽창하는 필러를 포함하고,
    상기 프린팅 제작하는 단계는,
    프린팅 베드 상에 상기 이식재 프레임의 하면에 해당하는 초유연 이중 곡률 구조면을 프린팅하는 단계와;
    상기 이식재 프레임의 측면을 드래깅 기법으로 프린팅하는 단계와;
    별도 제작되어 젤화된 상기 필러를 상기 하면과 상기 측면이 제작된 상기 이식재 프레임 내에 끼워 넣는 단계와;
    상기 이식재 프레임의 상면에 해당하는 초유연 이중 곡률 구조면을 프린팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 4D 이식재 제조방법.
  14. 삭제
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