KR20180054503A - Method for preparation of dual-pore scaffold for medical use by using FDM 3D printing - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for manufacturing a dual pore scaffold and a medical dual pore scaffold manufactured thereby. The method comprises a step of supplying a 3D printing filament prepared by blending a thermosetting biodegradable polymer and a foaming agent decomposed at a temperature equal to or higher than a melting point of the polymer at a decomposition temperature of the foaming agent or less to a fused deposition modeling (FDM) 3D printer, and then printing while maintaining a temperature of a printer nozzle at or above the decomposition temperature of the foaming agent. A first pore has an average diameter of 10-100 μm and a second pore has an average diameter of 100-1000 μm.

Description

FDM 3D 프린팅을 이용한 의료용 이중 기공 스캐폴드의 제조방법{Method for preparation of dual-pore scaffold for medical use by using FDM 3D printing}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a dual-pore scaffold for medical use using FDM 3D printing,

본 발명은 열경화성 생분해성 고분자, 및 상기 고분자의 녹는점 이상의 온도에서 분해되는 발포제를 발포제의 분해 온도 이하에서 블렌딩하여 준비한 3D 프린트용 필라멘트를 용융압출적층모델링(Fused deposition modeling; FDM) 3D 프린터에 공급하여, 프린터 노즐의 온도를 발포제의 분해 온도 이상으로 유지하면서 출력하는 단계를 포함하는, 평균 직경 10 내지 100 μm의 제1기공 및 평균 직경 100 내지 1000 μm의 제2기공을 갖는 이중 기공 스캐폴드의 제조방법 및 이에 따라 제조된 의료용 이중 기공 스캐폴드에 관한 것이다.The present invention provides a 3D printing filament prepared by blending a thermosetting biodegradable polymer and a foaming agent decomposed at a temperature higher than the melting point of the polymer at a decomposition temperature of the foaming agent or lower, to a Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printer Of the double pore scaffold having an average pore size of 10 to 100 mu m and a second pore size of 100 to 1000 mu m in average diameter, including the step of outputting while maintaining the temperature of the printer nozzle at or above the decomposition temperature of the foaming agent And a medical dual-pore scaffold prepared thereby.

최근 조직공학적 접근을 통한 골 재생 및 장기 재생에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 이를 위해 골 결손 충진용 지지체, 즉 이식을 위한 의료용 스캐폴드의 개발에 대한 연구 역시 활발하게 이루어지고 있다.Recently, studies on bone regeneration and organ regeneration through the tissue engineering approach have been actively carried out. For this purpose, researches on the development of scaffolds for bone defect filling, that is, medical scaffolds for implantation, have been actively conducted.

기존의 의료용 스캐폴드의 제조방법으로 전기방사, 솔벤트 캐스팅, 입자 식각법 등 다양한 방법을 이용하여 왔지만 잔류용매의 위험성, 제한적 형태의 스캐폴드, 제조를 위한 복잡한 절차 등의 단점이 있었다.Conventionally, various methods such as electrospinning, solvent casting, and particle etching have been used for manufacturing a medical scaffold, but there have been disadvantages such as a risk of residual solvent, a scaffold in a limited form, and complicated procedures for manufacturing.

따라서, 기존의 의료용 생체 스캐폴드의 문제점인 복잡한 제조 공정을 단순화시켜 장기 이식을 원하는 많은 환자들의 수요를 충족시킬 수 있는 의료용 스캐폴드의 제조방법이 필요하다.Accordingly, there is a need for a method of manufacturing a medical scaffold that can meet the needs of a large number of patients who wish to organ transplant by simplifying a complicated manufacturing process, which is a problem of a conventional medical bio scaffold.

3D(3-Dimension, 3차원) 프린터는 필라멘트를 이용하여 압출기로 녹이고 노즐을 통해 미세한 두께로 층층이 쌓아 올리면서 입체적인 형상물을 제작하는 장비이다. 3D 프린팅은 다양한 분야에서 사용이 확산되어 가고 있다. 다수의 부품으로 구성된 자동차 분야 외에도 의료용 인체모형, 칫솔, 면도기 등의 같은 가정용 제품 및 의류에 이르기까지 다양한 용도로 많은 제조업체에서 사용되고 있다.A 3D (3-Dimension, 3-dimensional) printer is a device that melts with an extruder using a filament, and builds a three-dimensional shape by stacking layers with fine thickness through nozzles. 3D printing is spreading in various fields. In addition to the automotive field consisting of many parts, it is used by many manufacturers for a variety of applications ranging from household products such as medical manikins, toothbrushes, razors, and clothing.

최근에는, 3D 프린터 모델링을 통해서 손상된 골/연골 등의 생체 조직을 환자 개인의 환부에 적합한 형태와 특성을 지닌 대체 물질로 빠르게 제조할 수 있으며, 개별적인 개인 체세포 분열을 통해 장기 제조를 가능하게 하는 맞춤형 의료형 스캐폴드의 제조방법에 대한 개발요구가 있다.In recent years, 3D printer modeling has been used to rapidly produce damaged tissues such as bone / cartilage as a substitute material suitable for a patient's individual lesion, and to customize a long-term manufacturing process by disrupting individual somatic cells There is a need to develop a method of manufacturing a medical type scaffold.

이에, 본 발명자들은 세포의 성장/증식 및/또는 물질의 출입에 유리하도록 표면으로부터 내부로 연결되는 열린 채널 형태의 다양한 크기의 기공을 갖는 의료용 스캐폴드를 제조함에 있어서, 기존의 복잡한 제조공정을 단일화할 수 있는 방법을 발굴하기 위하여 예의 연구 노력한 결과, FDM 3D 프린터를 이용하여 3D 프린터 모델링을 통해 환자 맞춤형 스캐폴드를 제조하되 소정의 열용량 및/또는 용융지수를 갖는 고분자 및 발포제를 선택하여 조합하고, 이에 따라 정해진 온도에서 혼합하여 제조된 필라멘트를 사용함으로써 수십 μm 및 수백 μm 크기의 기공을 동시에 갖는 이중 기공 스캐폴드를 단일 공정으로 제조할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.Accordingly, the present inventors have found that, in the manufacture of medical scaffolds having various sizes of pores in the form of open channels connected to the inside from the surface so as to facilitate growth / proliferation of cells and / As a result, it has been found that a patient-customized scaffold is manufactured through 3D printer modeling using an FDM 3D printer, and a polymer and a foaming agent having a predetermined heat capacity and / or melt index are selected and combined, Accordingly, it has been confirmed that a dual pore scaffold having pores having a size of several tens of micrometers and several hundreds of micrometers can be manufactured in a single process by using the filament manufactured by mixing at a predetermined temperature, and the present invention has been completed.

본 발명의 하나의 목적은 열경화성 생분해성 고분자, 및 상기 고분자의 녹는점 이상의 온도에서 분해되는 발포제를 발포제의 분해 온도 이하에서 블렌딩하여 3D 프린트용 필라멘트를 준비하는 제1단계; 및 제1단계로부터 수득한 필라멘트를 용융압출적층모델링(Fused deposition modeling; FDM) 3D 프린터에 공급하여, 프린터 노즐의 온도를 발포제의 분해 온도 이상으로 유지하면서 출력하는 제2단계를 포함하는, 평균 직경 10 내지 100 μm의 제1기공 및 평균 직경 100 내지 1000 μm의 제2기공을 갖는 이중 기공 스캐폴드의 제조방법을 제공하는 것이다.One object of the present invention is to provide a method for preparing a 3D printing filament by blending a thermosetting biodegradable polymer and a foaming agent decomposed at a temperature equal to or higher than the melting point of the polymer at a decomposition temperature or lower of the foaming agent, And a second step of supplying the filament obtained from the first step to a Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printer to output the temperature of the printer nozzle while maintaining the temperature of the printer nozzle at or above the decomposition temperature of the blowing agent, To provide a process for producing a dual pore scaffold having a first pore of 10 to 100 μm and a second pore of an average diameter of 100 to 1000 μm.

본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조된 의료용 이중 기공 스캐폴드를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a medical dual-pore scaffold prepared by the above method.

상기 목적을 달성하기 위한 하나의 양태로서, 본 발명은 열경화성 생분해성 고분자, 및 상기 고분자의 녹는점 이상의 온도에서 분해되는 발포제를 발포제의 분해 온도 이하에서 블렌딩하여 3D 프린트용 필라멘트를 준비하는 제1단계; 및 제1단계로부터 수득한 필라멘트를 용융압출적층모델링(Fused deposition modeling; FDM) 3D 프린터에 공급하여, 프린터 노즐의 온도를 발포제의 분해 온도 이상으로 유지하면서 출력하는 제2단계를 포함하는, 평균 직경 10 내지 100 μm의 제1기공 및 평균 직경 100 내지 1000 μm의 제2기공을 갖는 이중 기공 스캐폴드의 제조방법을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a method for preparing a 3D printing filament by blending a thermosetting biodegradable polymer and a foaming agent decomposed at a temperature equal to or higher than the melting point of the polymer at a decomposition temperature or lower of the foaming agent, ; And a second step of supplying the filament obtained from the first step to a Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printer to output the temperature of the printer nozzle while maintaining the temperature of the printer nozzle at or above the decomposition temperature of the blowing agent, A first pore of 10 to 100 mu m and a second pore of 100 to 1000 mu m in average diameter.

구체적으로, 본 발명은 조직 재생 등의 목적으로 생체 내 이식하기 위한 의료용 스캐폴드를 제공하는 것을 목적으로 한다.Specifically, the present invention aims to provide a medical scaffold for in vivo implantation for tissue regeneration and the like.

상기 의료용 스캐폴드를 제조함에 있어서, 본 발명은 3D 프린팅 방식 중 용융압출적층모델링(Fused deposition modeling; FDM) 방식을 이용한다. 상기 FDM은 해당 재료를 열에 의해 녹여 일정 압력으로 노즐을 통하여 압출해가며 적층 조형하는 방식이다. 공급되는 재료의 형태는 필라멘트(Filament) 모양으로 되어 있으며, 보호 카트리지나 실타래와 같은 롤(Roll)에 감겨져 지속적으로 공급된다. 이러한 고체의 재료들은 온도 조절이 가능한 용융압출헤드(Temperature Controlled Head)를 통과하면서 액상에 가까운 재질로 연화, 압출되어 한층 한층 융합 적층과정을 거쳐 3차원 모델이 만들어지게 된다. FDM 방식의 특징으로는 표면이 거칠고 다른 방식들의 프린터에 비해 정밀도가 낮지만, 원재료 값이 싸고 강도가 강하고 후가공 처리가 용이하다는 장점이 있다.In manufacturing the medical scaffold, the present invention uses a Fused Deposition Modeling (FDM) method among 3D printing methods. The FDM is a method in which the material is melted by heat and extruded through a nozzle at a constant pressure to form a laminate. The shape of the supplied material is in the form of a filament, which is continuously wound on a roll such as a protective cartridge or a thread. These solid materials are softened and extruded into a material close to the liquid phase through a temperature controlled head, which can be controlled by temperature, and then a three-dimensional model is formed through further fusion lamination. The feature of the FDM method is that the surface is rough and the precision is lower than that of other types of printers, but the advantage is that the raw material is cheap, the strength is strong, and the post-processing is easy.

전술한 바와 같이, 의료용 스캐폴드는 조직 재생을 목적으로 생체 내 이식되며, 생분해성 고분자로 제조된 스캐폴드는 주로 골조직, 연골조직에 사용될 수 있다. 이때, 조직 재생을 촉진하기 위해서는 스캐폴드 내부로 줄기 세포 등의 세포가 침투하여 부착되어 증식 및/또는 분화가 이루어지며, 세포의 출입뿐만 아니라, 이의 증식 및/또는 분화를 위한 영양분을 비롯한 성장인자 등의 물질의 공급이 용이하게 출입하는 것이 중요하다. 따라서, 이에 사용되는 스캐폴드는 이식되는 부위에 적합한 크기 및 형태를 갖는 것은 물론 이의 표면으로부터 내부로 통하는 적절한 크기의 열린 기공을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 3D 모델링된 형태로 프린트하여 스캐폴드를 제조하되 열경화성의 생분해성 고분자를 기반으로 하며 소정의 함량으로 발포제를 포함하는 필라멘트를 사용하여 고온의 노즐을 통해 출력시 입력된 외형을 갖춤은 물론 발포제의 분해를 통해 표면으로부터 내부로 연결되는 기공을 갖도록 한 것이 특징이다.As described above, the medical scaffold is implanted in vivo for the purpose of tissue regeneration, and the scaffold made of the biodegradable polymer can be mainly used for the bone tissue and cartilage tissue. In order to promote tissue regeneration, cells such as stem cells penetrate into the scaffold to adhere and proliferate and / or differentiate. In addition to the entry and exit of the cells, growth factors such as nutrients for their proliferation and / It is important that the supply of the material such as water is easy. Thus, it is preferred that the scaffold used therein has a size and shape suitable for the site to be implanted, as well as an appropriately sized open pore leading from the surface thereof to the interior. In the present invention, a scaffold is manufactured by printing in a 3D modeled form. The filament is based on a thermosetting biodegradable polymer and includes a foaming agent in a predetermined amount. And has a pore connecting from the surface to the inside through the decomposition of the foaming agent.

구체적으로, 본 발명에 따른 스캐폴드의 제조방법에 있어서, 보다 작은 크기의 상기 제1기공은 출력시 노즐의 온도에 의한 발포제의 분해에 따른 기체 방출에 의해 형성될 수 있다. 본 발명에 사용하는 FDM 방식의 3D 프린터는 해상도가 구동에 용이하나 해상도가 높지 않은 바, 3D 모델링을 통해 제1기공과 같이 작은 크기의 기공을 구현하는 것은 어려울 수 있다. 반면, 보다 큰 규모의 상기 제2기공은 프린터 모델링에 의해 형성될 수 있다.Specifically, in the method of manufacturing a scaffold according to the present invention, the first pores having a smaller size can be formed by gas release due to the decomposition of the foaming agent due to the temperature of the nozzle at the time of output. In the FDM type 3D printer used in the present invention, since resolution is easy to drive but resolution is not high, it may be difficult to realize small size pores such as the first pore through 3D modeling. On the other hand, the second pore of a larger scale can be formed by printer modeling.

예컨대, 생체용 대체물질로 사용하기 위해 스캐폴드는 여러가지 필수적인 특성들을 만족시켜야 하며 그 대표적인 특징들로는 1) 생분해성 및 비독성, 2) 구조적 안정성, 3) 낮은 면역 반응성, 4) 혈전 형성 억제, 5) 친수성, 6) 생체적합성 등이 있다. 본 발명에서는, 이를 만족하는 의료용 스캐폴드를 제조하기 위해 화학적 가수분해형 생분해성 고분자를 사용하였다.For example, for use as a biologic alternative, the scaffold must meet a variety of essential properties, including 1) biodegradable and non-toxic, 2) structural stability, 3) low immunoreactivity, 4) ) Hydrophilic, and 6) biocompatibility. In the present invention, a chemical hydrolyzable biodegradable polymer was used to produce a medical scaffold satisfying this requirement.

예컨대, 상기 열경화성 생분해성 고분자로는 폴리부틸렌 석시네이트(polybutylene succinate; PBS), 폴리락트산(polylactic acid; PLA), 폴리(부틸렌 아디페이트-코-테레프탈레이트)(poly(butylene adipate-co-terephthalate); PBAT), 폴리디옥사논(polydioxanone), 폴리(β-하이드록시부티레이트)(poly(β-hydroxybutyrate)), 폴리(하이드록시발레레이트)(poly(hydroxyvalerate)), 폴리(ε-카프로락톤)(poly(ε-caprolactone)), 폴리글리콜산, 폴리(DETOSU-1,6HD-t-CDM 오르소에스테르), 폴리(DTE 카보네이트), 폴리(메틸 2-시아노아실레이트), 폴리[(p-메틸 페녹시)(에틸 글리시네이토) 포스파젠] 또는 폴리(비스(p-카르복시페녹시)프로판-세바식산)을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Examples of the thermosetting biodegradable polymer include polybutylene succinate (PBS), polylactic acid (PLA), poly (butylene adipate-co-terephthalate) terephthalate (PBAT), polydioxanone, poly (? -hydroxybutyrate), poly (hydroxyvalerate), poly (? -capro T-CDM orthoester), poly (DTE carbonate), poly (methyl 2-cyanoacylate), poly (ε-caprolactone), polyglycolic acid, poly (p-methylphenoxy) (ethylglycineito) phosphazene] or poly (bis (p-carboxyphenoxy) propane-sebacic acid) may be used alone or in combination of two or more. .

본 발명에서 "고분자의 녹는점"은 순수한 고분자의 녹는점일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 고분자의 경우 2종 이상의 고분자가 혼합된 상태이거나, 본 발명에서의 발포제와 같이 첨가제를 포함하는 경우 이의 녹는 점은 변화할 수 있다. 따라서, 상기 고분자의 녹는점은 순수한 고분자의 녹는점은 물론 이에 첨가된 물질에 의해 변경된 녹는점을 모두 포함할 수 있다.In the present invention, the "melting point of the polymer" may be a melting point of a pure polymer, but is not limited thereto. For example, in the case of a polymer, the melting point of the polymer may be changed when two or more kinds of polymers are mixed, or when an additive such as the foaming agent in the present invention is contained. Therefore, the melting point of the polymer may include both the melting point of the pure polymer and the melting point changed by the added substance.

구체적으로, 상기 열경화성 생분해성 고분자는 용융상태에서 5 내지 100 J/K의 열용량(heat capacity)을 갖는 것이 바람직하다. 용융상태에서 열용량이 5 J/K 미만인 고분자를 사용하는 경우, 용융상태에서 점도가 낮아지고 이로 인해 공정 속도가 낮아지며, 발포제의 분해에 따른 가스 방출에 의한 고분자 멜트 내 기공 형성이 저해될 수 있으며, 100 J/K 초과인 경우에는 고분자에 의한 열흡수가 많아 상대적으로 발포제로의 열전달이 지연되며, 이에 따라 스캐폴드 내부로부터 미세 기공을 형성하는 발포제의 분해를 저해 또는 지연시켜 표면까지 연결되는 열린 채널 형태의 기공을 형성하기 어려울 수 있다.Specifically, the thermosetting biodegradable polymer preferably has a heat capacity of 5 to 100 J / K in a molten state. When a polymer having a heat capacity of less than 5 J / K in a molten state is used, the viscosity is lowered in the molten state, which lowers the process speed, and the formation of pores in the polymer melt due to the gas release due to the decomposition of the foaming agent may be inhibited, If it exceeds 100 J / K, the heat transfer to the foaming agent is delayed due to the high heat absorption by the polymer, thereby inhibiting or delaying the decomposition of the microporous foaming agent from the inside of the scaffold, It may be difficult to form pores of the shape.

나아가, 상기 열경화성 생분해성 고분자는 210℃에서 2.5 내지 30 g/10 min의 용융지수(melt flow index; MI)를 갖는 물질로부터 선택된 것일 수 있다. 예컨대, 고분자의 용융지수가 2.5 g/10 min 미만으로 낮은 경우 높은 점성으로 인해 발포제의 발포 효율이 저하될 수 있다. 한편, 고분자의 용융지수가 30 g/10 min 초과인 경우 고분자의 점성이 너무 낮아 발포제에 의해 형성된 기공을 유지하기 어려울 수 있다.Furthermore, the thermosetting biodegradable polymer may be selected from materials having a melt flow index (MI) of 2.5 to 30 g / 10 min at 210 ° C. For example, when the melt index of the polymer is as low as less than 2.5 g / 10 min, the foaming efficiency of the foaming agent may be lowered due to the high viscosity. On the other hand, when the melt index of the polymer exceeds 30 g / 10 min, the viscosity of the polymer is too low and it may be difficult to maintain the pores formed by the blowing agent.

예컨대, 상기 발포제는 이의 분해 온도 이상의 온도, 예를 들어 프린터 노즐 온도에서 분해되어 가스를 방출하는, 가스체적 100 내지 350 mL/g의 물질일 수 있다. 100 mL/g 미만의 가스체적을 갖는 발포제를 사용하는 경우에는 원하는 크기 및/또는 기공도의 미세구조를 형성하기 어려울 수 있고, 350 mL/g 초과의 가스체적을 갖는 발포제를 사용하는 경우에는 기공의 크기가 필요 이상으로 커지거나 기공도가 높아지며 이에 따라 형성된 기공 구조가 쉽게 붕괴될 수 있다.For example, the blowing agent may be a substance having a gas volume of 100 to 350 mL / g, which decomposes at a temperature higher than the decomposition temperature thereof, for example, at a printer nozzle temperature to release gas. When a foaming agent having a gas volume of less than 100 mL / g is used, it may be difficult to form a microstructure having a desired size and / or porosity. When a foaming agent having a gas volume of more than 350 mL / g is used, The size of the pore structure is increased more than necessary or the porosity is increased and the pore structure formed thereby can be easily collapsed.

상기 발포제로는 아조디카본아미드(azodicarbonamide), 개질된 아조디카본아미드(modified azodicarbonamide), p-톨루엔설포닐 세미카바자이드(p-toluenesulfonyl semicarbazide), p-톨루엔설포닐 하이드라자이드(p-toluenesulfonyl hydrazide), p-톨루엔설포닐 아세톤하이드라자이드(p-toluenesulfonyl acetone hydrazide), 5-페닐테트라졸(5-phenyltetrazole), 소듐 바이카보네이트(sodium bicarbonate) 또는 이들을 조합하여 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 예컨대, 상기 발포제는 130 내지 250℃ 범위에서 분해되어 기체를 발생하는 물질일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 구체적으로 130℃ 미만의 저온에 분해온도를 갖는 발포제는 고온의 노즐을 통과하면서 쉽게 분해 및 발포되어 기공형성을 제어하기 어려울 수 있다. 반면, 250℃ 초과의 고온에 분해온도를 갖는 발포제는 설정된 노즐의 온도에서 발포가 어렵거나, 발포를 위해 노즐의 온도를 상당히 높여야 하는 번거로움이 발생할 수 있다. 상기 개질된 아조디카본아미드는 발포 공정 중 조기 발포 현상을 제어할 수 있도록 비닐기를 더 포함하도록 개질된 물질일 수 있으며, 이와 같은 개질에 의해 조절된 분해 온도를 갖는 물질일 수 있다. 예컨대, 아조디카본아미드의 경우 180 내지 205℃에서 분해되나, 비닐기를 갖도록 개질된 아조디카본아미드의 경우 140 내지 160℃의 보다 낮은 온도에서 분해되는 특성을 갖는다.Examples of the foaming agent include azodicarbonamide, modified azodicarbonamide, p-toluenesulfonyl semicarbazide, p-toluenesulfonyl hydrazide, but are not limited to, hydrazide, p-toluenesulfonyl acetone hydrazide, 5-phenyltetrazole, sodium bicarbonate, or combinations thereof . For example, the blowing agent may be a substance which decomposes at 130 to 250 ° C to generate gas, but is not limited thereto. Specifically, a foaming agent having a decomposition temperature at a low temperature of less than 130 ° C may be easily decomposed and foamed while passing through a high-temperature nozzle, so that it may be difficult to control pore formation. On the other hand, a foaming agent having a decomposition temperature at a high temperature exceeding 250 ° C. may cause difficulty in foaming at a set nozzle temperature, or considerably increase the temperature of the nozzle for foaming. The modified azodicarbonamide may be a substance modified to further include a vinyl group so as to control the early foaming phenomenon during the foaming process, and may be a substance having a decomposition temperature controlled by such modification. For example, the azodicarbonamide is decomposed at 180 to 205 ° C, whereas the azodicarbonamide modified to have a vinyl group is decomposed at a lower temperature of 140 to 160 ° C.

예컨대, 본 발명에 따른 이중 기공 스캐폴드의 제조방법에 있어서, 이에 사용되는 필라멘트는 상기 발포제를 필라멘트의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 10wt%로 포함할 수 있다. 필라멘트 중 발포제의 함량이 0.1wt% 미만인 경우 원하는 수준의 크기 및/또는 기공도의 미세 기공 예컨대, 100 μm의 기공을 형성하기 어려울 수 있으며, 발포제의 함량이 10wt%를 초과하는 경우 과다한 기공 형성으로 스캐폴드의 구조를 유지하기 어려울 수 있다.For example, in the method of manufacturing a double pore scaffold according to the present invention, the filament used may include the foaming agent in an amount of 0.1 to 10 wt% based on the total weight of the filaments. If the content of the blowing agent in the filament is less than 0.1 wt%, it may be difficult to form fine pores having a desired size and / or porosity, for example, 100 μm. When the content of the blowing agent is more than 10 wt%, excessive pore formation It may be difficult to maintain the structure of the scaffold.

상기 제2단계에서 프린터 노즐의 온도는 구체적으로 180 내지 230℃ 범위에서 선택되는 온도일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 노즐의 온도가 높을 수록 발포제의 분해에 용이하며, 이에 따라 누적 가스 방출량을 증가시킬 수 있으나, 일정 수준 이상으로 높아지는 경우 오히려 발포 효율이 떨어질 수 있다. 따라서, 전술한 바와 같이, 고분자의 녹는점은 물론 발포제의 분해온도를 동시에 고려하여 적절히 선택할 수 있다.The temperature of the printer nozzle in the second step may be a temperature selected from the range of 180 to 230 ° C, but is not limited thereto. The higher the temperature of the nozzle, the more easily the decomposition of the blowing agent, thereby increasing the cumulative gas emission amount. However, if the temperature is higher than a certain level, the foaming efficiency may be lowered. Therefore, as described above, the melting point of the polymer as well as the decomposition temperature of the blowing agent can be selected at the same time.

상기 필라멘트는 1.7 내지 1.8 mm의 평균 직경을 갖는 것이 바람직하나, 이에 제한되지 않는다. 다만, 상기 예시한 필라멘트의 규격은 FDM 프린터를 사용하는 방법임을 고려하여 제안된 것으로, 현재 상용화된 FDM 3D 프린터의 규격에 적합하도록 약 1.75 mm의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 기기의 규격이 변경되는 경우 이의 허용되는 오차 범위 이내에서 필라멘트의 규격 역시 이에 맞추어 적절히 변경할 수 있음은 당업자에 자명하다.The filament preferably has an average diameter of 1.7 to 1.8 mm, but is not limited thereto. However, the filament standard has been proposed in consideration of a method of using an FDM printer, and it is preferable that the filament has a diameter of about 1.75 mm to comply with the standard of a commercially available FDM 3D printer. However, it is apparent to those skilled in the art that when the specification of the apparatus is changed, the filament specification can be appropriately changed within the allowable tolerance range thereof.

다른 하나의 양태로서, 본 발명은 상기 방법으로 제조된 의료용 이중 기공 스캐폴드를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a medical dual-pore scaffold fabricated by the above method.

전술한 바와 같이, 본 발명의 방법으로 제조된 스캐폴드는 세포 및/또는 물질의 출입에 유리하도록 표면으로부터 내부로 통하는 다양한 크기의 기공을 보유하는 바, 조직 재생을 위한 이식체로 유용하게 사용될 수 있다.As described above, the scaffolds produced by the method of the present invention have various sizes of pores that pass from the surface to the interior to facilitate entry and exit of cells and / or materials, and can be usefully used as implants for tissue regeneration .

본 발명에 따른, 열용량을 고려하여 선택한 고분자와 소정의 함량으로 혼합된 발포제를 함유하도록 미리 결정된 온도에서 혼합하여 준비한 3D 프린터용 필라멘트를 사용하는 의료용 스캐폴드의 제조방법은 상기 필라멘트를 공급하면서 노즐의 온도를 일정 수준으로 유지하면서 출력하는 간단한 단일 과정의 공정을 통해 2종의 다른 스케일의 기공을 갖는 이중 기공 스캐폴드를 제공할 수 있다.A method for manufacturing a medical scaffold using a filament for a 3D printer prepared by mixing at a predetermined temperature so as to contain a foaming agent mixed with a polymer selected in consideration of a heat capacity in accordance with the present invention at a predetermined temperature, It is possible to provide a dual pore scaffold having pores of two different scales through a simple single-step process of outputting while maintaining the temperature at a certain level.

도 1은 본 발명에 따른 발포성 필라멘트를 이용한 3D 프린팅에 의한 의료용 이중 기공 스캐폴드의 제조방법을 개략적으로 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 생분해성 고분자로 폴리락트산을, 발포제로 아조디카본아미드를 포함하는 필라멘트의 발포제 함량에 따른 DSC 분석 결과를 나타낸 도이다.
도 3은 본 발명에 따른 생분해성 고분자로 폴리락트산을, 발포제로 아조디카본아미드를 포함하는 필라멘트를 3D 프린터로 출력하여 모노 필라멘트 형태로 제조한 스캐폴드의 발포제 함량에 따른 단면 및 표면의 FE-SEM 분석 결과를 나타낸 도이다. (a)와 (b)는 발포제 함량 1wt%의 필라멘트로 제조한 스캐폴드의 단면과 표면을, (c)와 (d) 및 (e)와 (f)는 각각 발포제 함량 3wt% 및 5wt%의 필라멘트로 제조한 스캐폴드의 단면과 표면을 나타낸다.
도 4는 3D 프린터 노즐 온도에 따른 기공 형성 특성을 FE-SEM으로 분석한 결과를 나타낸 도이다. 생분해성 고분자로 폴리락트산을, 발포제로 아조디카본아미드를 1wt% 함량으로 포함하는 필라멘트를 사용하였으며, 좌측은 노즐의 온도를 발포제의 분해 온도보다 낮은 165℃로, 우측은 205℃로 조절하여 출력한 스캐폴드의 단면을 나타낸다.
도 5는 생분해성 고분자로 폴리락트산을, 발포제로 아조디카본아미드를 1wt% 함량으로 포함하는 필라멘트를 사용하여 벌크형으로 출력한 스캐폴드의 단면 기공 특성을 FE-SEM으로 분석한 결과를 나타낸 도이다.
도 6은 3D 프린팅 모델링을 통해 충진 밀도를 조절하여 매크로 기공 패턴을 형성한 구조물의 예를 나타낸 도이다.
도 7은 3D 프린팅 모델링을 통해 충진 밀도를 100%, 80% 및 60%로 조절하여 제조한 이중 기공 스캐폴드(각각 D100, D80 및 D60으로 표기)의 표면을 FE-SEM으로 분석한 결과를 나타낸 도이다. 대조군으로는 상용 PLA 필라멘트를 사용하여 충진 밀도 100%로 출력한 구조물(Neat PLA로 표기)을 사용하였다.
도 8은 3D 프린팅 모델링을 통해 충진 밀도를 100%로, 즉 벌크형으로 출력한 이중 기공 스캐폴드의 단면을 FE-SEM으로 분석한 결과를 나타낸 도이다.
도 9는 3D 프린팅으로 제조한 이중 기공 스캐폴드의 충진 밀도에 따른 기공 특성을 수은 침투를 이용한 기공도 측정법(Hg-porosimetry)으로 분석한 결과를 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명에 따른 발포성 필라멘트에 사용되는 생분해성 고분자 수지의 종류에 따른 DSC 분석 결과를 나타낸 도이다. 상기 고분자 수지로는 폴리에틸렌(polyethylene; PE), 폴리부틸렌 석시네이트(polybutylene succinate; PBS), 폴리락트산(polylactic acid; PLA) 및 폴리부틸렌 석시네이트 대신에 폴리(부틸렌 아디페이트-코-테레프탈레이트)(poly(butylene adipate-co-terephthalate); PBAT)를 사용하였다.
도 11은 생분해성 고분자로 각각 PE, PBS, PLA 및 PBAT를, 발포제로 아조디카본아미드를 포함하는 필라멘트를 3D 프린팅하여 제조한 벌크형 스캐폴드의 단면을 SEM으로 분석한 결과를 나타낸 도이다.
FIG. 1 is a schematic view illustrating a method of manufacturing a medical dual-pore scaffold by 3D printing using the expandable filament according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the results of DSC analysis of polylactic acid as a biodegradable polymer according to the present invention and the foaming agent content of filaments containing azodicarbonamide as a foaming agent.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the amount of blowing agent in a scaffold prepared by outputting a polylactic acid as a biodegradable polymer according to the present invention and a filament containing azodicarbonamide as a blowing agent to a 3D printer, Fig. (c), (d), (e) and (f) show the cross section and the surface of the scaffold made of the filament with the blowing agent content of 1 wt% and the blowing agent content of 3 wt% and 5 wt% The cross section and the surface of a scaffold made of filaments are shown.
FIG. 4 is a graph showing FE-SEM analysis of pore formation characteristics according to the temperature of the 3D printer nozzle. Polylactic acid as a biodegradable polymer and filament containing 1 wt% of azodicarbonamide as a foaming agent were used. On the left side, the temperature of the nozzle was adjusted to 165 ° C lower than the decomposition temperature of the foaming agent and 205 ° C to the right, 1 shows a cross section of a scaffold.
Fig. 5 is a graph showing the FE-SEM analysis of the cross-sectional pore characteristics of a scaffold output in a bulk form using a polylactic acid as a biodegradable polymer and a filament containing 1 wt% of azodicarbonamide as a foaming agent .
6 is a view showing an example of a structure in which a macro pore pattern is formed by adjusting packing density through 3D printing modeling.
FIG. 7 shows the results of FE-SEM analysis of the surfaces of double pore scaffolds (denoted by D100, D80 and D60, respectively) prepared by adjusting packing density to 100%, 80% and 60% by 3D printing modeling . As a control, a PLA filament with a packing density of 100% (Neat PLA) was used.
FIG. 8 is a graph showing the FE-SEM analysis of a cross section of a double pore scaffold in which packing density is 100%, that is, a bulk type, through 3D printing modeling.
FIG. 9 is a graph showing the pore characteristics of the double pore scaffold fabricated by 3D printing according to the packing density, by the porosimetry (Hg-porosimetry) method using mercury penetration.
10 is a graph showing the results of DSC analysis according to the kind of the biodegradable polymer resin used in the expandable filament according to the present invention. Examples of the polymer resin include polyethylene (PE), polybutylene succinate (PBS), polylactic acid (PLA), and poly (butylene adipate-co- Poly (butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) was used.
11 is a graph showing the results of SEM analysis of a cross section of a bulk type scaffold produced by 3D printing PE, PBS, PLA and PBAT as biodegradable polymers and filament containing azodicarbonamide as a foaming agent.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. These embodiments are only for describing the present invention more specifically, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

실시예Example 1: FDM 3D 프린터용 발포성 필라멘트의 제조 1 1: Manufacture of expandable filaments for FDM 3D printers 1

폴리락트산(polylactic acid; PLA) 펠렛 99 g과 발포제로서 아조디카본아미드(azodicarbonamide; ADA) 파우더 1 g을 혼합한 후, 단일 압축기(single extruder)를 이용하여 180℃에서 50 rpm으로 균일하게 블렌딩하여 FDM 3D 프린터용 필라멘트를 제조하였다(직경: 1.75 mm).99 g of polylactic acid (PLA) pellets and 1 g of azodicarbonamide (ADA) powder as a foaming agent were mixed and homogeneously blended at 180 rpm at 50 rpm using a single extruder Filaments for FDM 3D printers were produced (diameter: 1.75 mm).

실시예Example 2: FDM 3D 프린터용 발포성 필라멘트의 제조 2 2: Manufacture of expandable filaments for FDM 3D printers 2

폴리락트산과 아조디카본아미드 사용량을 각각 97 g 및 3 g으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 필라멘트를 제조하였다.Filaments were prepared in the same manner as in Example 1, except that the amounts of polylactic acid and azodicarbonamide were changed to 97 g and 3 g, respectively.

실시예Example 3: FDM 3D 프린터용 발포성 필라멘트의 제조 3 3: Manufacture of expandable filaments for FDM 3D printers 3

폴리락트산과 아조디카본아미드 사용량을 각각 95 g 및 5 g으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 필라멘트를 제조하였다.Filaments were prepared in the same manner as in Example 1, except that the amounts of polylactic acid and azodicarbonamide were changed to 95 g and 5 g, respectively.

실시예Example 4: FDM 3D 프린터용 발포성 필라멘트의 제조 4 4: Manufacture of expandable filaments for FDM 3D printers 4

발포제로서 아조디카본아미드 대신에 비닐기를 포함하도록 개질된 아조디카본아미드(modified azodicarbonamide)(금양)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 필라멘트를 제조하였다.A filament was prepared in the same manner as in Example 3, except that modified azodicarbonamide (gold) was used to replace the azodicarbonamide as a foaming agent with a vinyl group.

실시예Example 5: FDM 3D 프린터용 발포성 필라멘트의 제조 5 5: Manufacture of expandable filaments for FDM 3D printers 5

발포제로서 아조디카본아미드 대신에 p-톨루엔설포닐세미카바자이드(p-toluenesulfonyl semicarbazide, PTSS)를 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일한 방법으로 필라멘트를 제조하였다.Filaments were prepared in the same manner as in Example 3, except that p-toluenesulfonyl semicarbazide (PTSS) was used instead of azodicarbonamide as a foaming agent.

실험예Experimental Example 1: 필라멘트의 물성 분석 1: Property analysis of filament

상기 실시예 1 내지 5 따라 제조한 필라멘트에 대해 ASTM D882에 의거하여 인장시험을 진행하였다. 그 결과, MD 방향에서 104.5 내지 115.5 KPa, TD 방향에서 137.9 내지 152.1 KPa의 인장강도 및 160%의 파산신도를 나타내었다.The filaments prepared according to Examples 1 to 5 were subjected to a tensile test according to ASTM D882. As a result, tensile strengths of 104.5 to 115.5 KPa in the MD direction and 137.9 to 152.1 KPa in the TD direction and 160% of the bank elongation were obtained.

실시예Example 6 내지  6 - 10: 3D10: 3D 프린터를 이용한 다공성  Porosity using printer 스캐폴드의Scaffold 제조 Produce

상기 실시예 1 내지 5에 따라 제조한 필라멘트를 Edison Multi 3D 프린터(ROKIT사)에 공급하고 출력하여 스캐폴드를 제조하였다. 이때, 3D 프린터 노즐의 온도는 205℃ 이상으로 유지하였다. 출력 결과물은 모폴로지의 영향이 없도록 냉각시켜 회수하였다.Filaments prepared according to Examples 1 to 5 were supplied to an Edison Multi 3D printer (ROKIT) and output to produce a scaffold. At this time, the temperature of the 3D printer nozzle was kept at 205 deg. The output product was cooled and recovered without affecting the morphology.

실험예Experimental Example 2: 발포제의 종류에 따른  2: Depending on the type of foaming agent 스캐폴드의Scaffold 물성 분석 Property Analysis

발포제의 종류에 따른 효과를 확인하고자, 먼저 상기 실시예 6 내지 10에 따라 제조한 스캐폴드에 사용된 발포제들의 물성을 분석하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.The physical properties of the foaming agents used in the scaffolds prepared according to Examples 6 to 10 were analyzed and the results are shown in Table 1 below.

발포제blowing agent 외관Exterior 분해온도(℃)Decomposition temperature (℃) 가스체적(mL/g)Gas volume (mL / g) 아조디카본아미드
(실시예 8)
Azodicarbonamide
(Example 8)
파인 옐로우 파우더Fine Yellow Powder 200 내지 205200 to 205 263 내지 322263 to 322
개질된 아조디카본아미드
(실시예 9)
The modified azodicarbonamide
(Example 9)
파인 옐로우 파우더Fine Yellow Powder 140 내지 160140 to 160 175 내지 195175-195
p-톨루엔설포닐세미카바자이드
(실시예 10)
p-Toluenesulfonyl semicarbazide
(Example 10)
파인 옐로우 파우더Fine Yellow Powder 228 내지 232228 to 232 115 내지 155115 to 155

실험예Experimental Example 3: 필라멘트의 발포제 함량에 따른  3: Depending on the foaming agent content of the filament 스캐폴드의Scaffold DSCDSC 분석 analysis

상기 실시예 6 내지 10에 따라 제조한 스캐폴드를 시차주사열계량법(differential scanning calorimetry; DSC)으로 분석하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타난 바와 같이, 필라멘트 중 고분자 수지에 대한 발포제의 함량이 증가할수록(실시예 1로부터 3으로), 첨가제로 인해 유리전이온도(Tg) 및 녹는점(Tm)과 같은 매트릭스 고분자의 열적 특성이 감소하는 것을 확인하였으며, 나아가 발포제의 함량이 증가함에 따라 분산도는 점차 증가하는 것을 확인하였다.The scaffolds prepared according to Examples 6 to 10 were analyzed by differential scanning calorimetry (DSC), and the results are shown in FIG. 2, the matrix polymer, such as increasing the amount of the blowing agent for a polymeric resin of the filaments (Examples 1 to 3 from a), due to the additives the glass transition temperature (T g) and melting temperature (T m) It was confirmed that the thermal properties were decreased, and further, the dispersity gradually increased as the content of the blowing agent was increased.

실험예Experimental Example 4: 모노 필라멘트(mono filament) 형태로 프린트된 다공성  4: Porosity printed in the form of monofilaments 스캐폴드의Scaffold 단면 및 표면 분석 Cross section and surface analysis

상기 실시예 6 내지 8에 따라 필라멘트 형태로 프린트한 다공성 스캐폴드의 단면 및 표면을 FE-SEM으로 관찰하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3의 이미지를 분석한 결과, 프린트된 스캐폴드에는 직경 45 내지 220 μm 크기의 기공이 랜덤하게 형성되었음을 확인하였다. 한편, 프린트된 모노 필라멘트 형태의 스캐폴드는 약 450 μm의 직경을 갖는 것으로 확인되었다. 또한, 실시예 6 내지 8에 따라 각각 고분자에 대해 각각 1wt%, 3wt% 및 5wt%로 발포제를 함유하는 필라멘트를 사용하여 제조한 스캐폴드에 대한 표면 이미지로부터 필라멘트 중의 발포제 함량이 증가함에 따라 표면까지 연장된 기공이 많아지는 것을 확인하였다. 최종적으로 생체 내 이식체로 사용하기 위한 의료용 스캐폴드를 제공하는 것을 목적으로 하는 바, 물질 및/또는 세포의 출입이 용이하도록 표면까지 연장된 또한, 서로 연결된 적정 수준의 기공을 갖는 것은 중요한 요소이다.The cross-sections and surfaces of the porous scaffolds printed in filament form according to Examples 6 to 8 were observed by FE-SEM, and the results are shown in Fig. As a result of analyzing the image of FIG. 3, it was confirmed that pores with a diameter of 45 to 220 μm were randomly formed in the printed scaffold. On the other hand, the printed monofilament type scaffold was found to have a diameter of about 450 μm. Further, from the surface images of the scaffolds prepared using filaments containing blowing agents at 1 wt%, 3 wt%, and 5 wt%, respectively, with respect to the polymers according to Examples 6 to 8, as the foaming agent content in the filaments increased, It was confirmed that the number of elongated pores was increased. It is an object of the present invention to provide a medical scaffold for use as an implant in vivo, and it is an important factor to have a suitable level of pores extending to the surface to facilitate entry and exit of the material and / or cells.

비교예Comparative Example 1: 저온 프린팅에 의한  1: by low temperature printing 스캐폴드의Scaffold 제조 Produce

상기 실시예 6과 동일한 방법으로 스캐폴드를 제조하되, 노즐의 온도를 발포제의 분해 온도보다 낮은 165℃로 낮추어 프린트하였다.A scaffold was prepared in the same manner as in Example 6 except that the temperature of the nozzle was lowered to 165 deg. C lower than the decomposition temperature of the foaming agent.

실험예Experimental Example 5: 3D5: 3D 프린터 노즐 온도에 따른 기공 형성 특성 분석 Characterization of Pore Formation by Printer Nozzle Temperature

상기 실시예 6 및 비교예 1에 따라, 프린터의 노즐 온도만을 달리하여 제조한, 다공성 스캐폴드의 기공 형성 특성을 FE-SEM으로 분석하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4의 좌측에 나타난 바와 같이, 필라멘트에 함유된 발포제인 아조디카본아미드의 분해 온도보다 낮은 165℃에서 출력한 경우, 기공이 미처 형성되지 못하였으나, 도 4의 우측에 나타난 바와 같이, 최적 분해 온도인 205℃에서 출력한 경우, 단면 및 표면에 기공이 형성된 것을 확인하였다.According to Example 6 and Comparative Example 1, the pore formation characteristics of the porous scaffold prepared by varying the nozzle temperature of the printer were analyzed by FE-SEM. The results are shown in FIG. As shown in the left side of FIG. 4, when the output was 165 ° C lower than the decomposition temperature of the azodicarbonamide as a blowing agent contained in the filaments, the pores were not formed, but as shown in the right side of FIG. 4, When it was output at a temperature of 205 deg. C, it was confirmed that pores were formed on the cross section and the surface.

실험예Experimental Example 6:  6: 벌크형Bulk type 스캐폴드의Scaffold 단면 기공 특성 분석 Cross-sectional pore characterization analysis

상기 실시예 6과 동일한 방법으로 스캐폴드를 제조하되 반복하여 수행함으로써 모노 필라멘트 형태가 아닌 벌크형으로 제조하고, 이의 단면을 FE-SEM으로 분석하여 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5에 나타난 바와 같이, 내부에는 60 내지 210 μm 크기의 기공이 랜덤에서 형성되었으며, 각 층의 직경은 약 400 μm였다.The scaffold was manufactured in the same manner as in Example 6, and repeatedly carried out to produce a bulk type, not a monofilament type, and its cross section was analyzed by FE-SEM and the results are shown in FIG. As shown in FIG. 5, pores having a size of 60 to 210 μm were randomly formed in the interior, and the diameter of each layer was about 400 μm.

실시예Example 11 내지 13:  11 to 13: 충진밀도가Filling density 조절된 이중 기공  Controlled double pore 스캐폴드의Scaffold 제조 Produce

폴리락트산 펠렛 200 g과 아조디카본아미드 파우더 10 g을 혼합(5 phr)한 후, 단일 압축기를 이용하여 180℃에서 300 rpm으로 균일하게 블렌딩하여 FDM 3D 프린터용 필라멘트를 제조하였다(직경: 1.75 mm).200 g of polylactic acid pellets and 10 g of azodicarbonamide powder were mixed (5 phr) and uniformly blended at 180 rpm and 300 rpm using a single compressor to prepare filaments for an FDM 3D printer (diameter: 1.75 mm ).

이와 같이 준비한 필라멘트를 Edison Multi 3D 프린터에 공급하고 노즐의 온도를 205℃로 유지하면서 출력하여 스캐폴드를 제조하였다. 이때, 3D 프린팅 모델링을 통해 충진 밀도(fill density)가 각각 100%(PLA03 D100), 80%(PLA03 D80) 및 60%(PLA03 D60)로 조절된 매크로 기공 구조의 스캐폴드(10 mm×10 mm×3 mm)를 제조하였다. 출력 결과물은 모폴로지의 영향이 없도록 냉각시켜 회수하였다.The prepared filament was supplied to an Edison Multi 3D printer, and the nozzle temperature was maintained at 205 DEG C to produce a scaffold. At this time, a scaffold of macropores (10 mm x 10 mm) controlled by 3D printing modeling with fill densities of 100% (PLA03 D100), 80% (PLA03 D80) and 60% (PLA03 D60) × 3 mm). The output product was cooled and recovered without affecting the morphology.

실험예Experimental Example 7:  7: 충진Filling 밀도에 따른 이중 기공  Double porosity according to density 스캐폴드의Scaffold 기공 특성 분석 Analysis of pore characteristics

3D 프린팅 모델링을 통해 충진 밀도를 제어하여 제조한 스캐폴드의 예를 도 6에 나타내었다. 또한, 상기 실시예 11 내지 13에 따라 발포제를 포함하는 필라멘트로 제조한, 충진 밀도 100%, 80% 및 60%의 스캐폴드의 표면 형태를 FE-SEM으로 관찰하고, 그 결과를 도 7에 나타내었다. 비교를 위하여 순수 PLA 만을 포함하는, 즉 발포제를 불포함하는 상용 PLA 필라멘트를 이용하여 동일한 방법으로 충진 밀도 100%의 스캐폴드를 제조하고(Neat PLA), 동일한 방법으로 비교하여 관찰하였다. 도 7에 나타난 바와 같이, 상용 PLA 필라멘트를 사용한 경우, 100% 충진 밀도로 제조됨으로 인해 매크로 기공을 갖지 않을 뿐만 아니라 표면으로 드러난 미세 기공도 전혀 관찰되지 않았다. 반면, 본 발명의 발포체를 포함하는 필라멘트로 제조된 실시예 13 내지 15의 스캐폴드는 3D 프린팅 모델링에 의해 조절된 충진 밀도에 따라 구현되는 패턴 및 크기의 매크로 기공을 가질 뿐만 아니라, 프린팅 과정 동안 발포제의 분해에 의해 형성된 스캐폴드의 표면 및 내부로 연결되는 마이크로 수준의 기공을 갖는 이중 기공 구조를 나타내었다. 예를 들어, 충진 밀도 60%의 시료(PLAO3 D60)의 경우, 3D 프린팅 모델링을 통해 구현된 200 내지 300 μm 크기의 매크로 기공이 도입되었으며, 표면 관찰을 통해 확인된 바와 같이, 40 내지 70 μm 크기의 미세 기공을 추가로 갖는 것을 확인하였다. 이러한 미세 기공은 충진 밀도와 무관하게 충진 밀도 100% 및 80%의 시료에서도 유사한 패턴으로 형성되었다.An example of a scaffold manufactured by controlling the filling density through 3D printing modeling is shown in FIG. In addition, the surface morphology of the scaffolds of filling densities of 100%, 80% and 60% prepared with filaments containing a blowing agent according to Examples 11 to 13 was observed by FE-SEM. The results are shown in Fig. 7 . For comparative purposes, a scaffold with a packing density of 100% (Neat PLA) was prepared in the same manner using only commercially available PLA filaments containing only pure PLA, ie, a foaming agent. As shown in FIG. 7, when a commercial PLA filament was used, since it was produced at a packing density of 100%, not only macropores were present but also micropores revealed on the surface were not observed at all. On the other hand, the scaffolds of Examples 13 to 15 made of filaments containing the foam of the present invention not only have macropores of pattern and size realized according to the packing density controlled by 3D printing modeling, Showing microporous pores having micro-level pores connected to the surface and inside of the scaffold formed by the decomposition of the scaffold. For example, in the case of a sample having a packing density of 60% (PLAO3 D60), macropores having a size of 200 to 300 mu m implemented through 3D printing modeling were introduced. As confirmed by surface observation, Of the micropores. These micropores were formed in a similar pattern even at the filling densities of 100% and 80% regardless of the filling density.

한편 대표적인 예로써, 실시예 11에 따라 발포제를 함유하는 필라멘트를 공급하여 충진 밀도 100%로 출력한 즉, 벌크형의 스캐폴드를 액체질소를 이용하여 절단하고 그 단면을 SEM으로 분석하였다. 그 결과는 도 8에 나타내었다. 충진 밀도를 100%로 설정하였는 바, 매크로 기공은 나타나지 않았으며, 출력시 발생하는 발포제의 분해에 의해 생성되는 기체로 인한 미세기공이 스캐폴드 내부에 고르게 존재하였다.As a representative example, a filament containing a foaming agent was supplied according to Example 11, and a bulk density scaffold output at a filling density of 100% was cut using liquid nitrogen, and its cross section was analyzed by SEM. The results are shown in Fig. When the filling density was set to 100%, macropores were not observed, and microscopic pores due to the gas generated by the decomposition of the blowing agent generated at the output were uniformly present in the scaffold.

나아가 수은 침투를 이용한 기공도 측정법(Hg-porosimetry)으로, 충진 밀도에 따른 이들 스캐폴드의 기공도 및 총 침투 부피 즉, 기공의 부피를 측정하여 도 9와 하기 표 2에 나타내었다. 표 2에 나타난 바와 같이, 상용 PLA 필라멘트를 사용하여 충진 밀도 100%로 출력한 스캐폴드에 비해 실시예 11 내지 13의 스캐폴드에서 현저히 높은 기공도 및 총 침투 부피를 나타내었으며, 이들 수치는 충진 밀도가 감소함에 따라 증가하였다. 이때, 상용 PLA 필라멘트에 의한 벌크형 스캐폴드 역시 PLA 자체의 다공성으로 인해 다소간의 기공도를 나타내었다. 또한, 도 9에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 발포제를 함유하는 필라멘트로 제조된 스캐폴드는 약 30 μm 부근에서 피크와 함께 발포제에 의해 부가되는 약 90 μm 부근에서의 추가적인 피크를 나타내었다.Porosimetry using mercury penetration (Hg-porosimetry) was carried out to measure the porosity and the total penetration volume of the scaffolds according to the filling density, that is, the pore volume, and is shown in FIG. 9 and Table 2 below. As shown in Table 2, significantly higher porosity and total infiltration volume were exhibited in the scaffolds of Examples 11 to 13 compared to scaffolds output at a packing density of 100% using commercial PLA filaments, Of the total population. At this time, the bulk type scaffold made of the commercial PLA filament also showed some degree of porosity due to the porosity of the PLA itself. Further, as shown in Fig. 9, the scaffold made of the filament containing the blowing agent according to the present invention exhibited an additional peak at about 90 [mu] m added by the foaming agent together with the peak at about 30 [mu] m.

시료명Name of sample 기공도(porosity, %)Porosity (%) 총 침투 부피(total intrusion volume, mL/g)Total intrusion volume (mL / g) Neat PLANeat PLA 13.213.2 0.11580.1158 PLAO3 D100PLAO3 D100 18.218.2 0.17150.1715 PLAO3 D80PLAO3 D80 28.828.8 0.30440.3044 PLAO3 D60PLAO3 D60 37.237.2 0.46390.4639

실시예Example 14: 생분해성 고분자로서 PBS를 기반으로 하는 발포성 필라멘트를 이용한  14: PBS-based foamable filament as biodegradable polymer 스캐폴드의Scaffold 제조 Produce

생분해성 고분자로 폴리락트산 대신에 폴리부틸렌 석시네이트(polybutylene succinate; PBS, EnPol G4560J, 롯데정밀화학)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 11과 동일한 방법으로 생분해성 다공성 스캐폴드를 제조하였다.A biodegradable porous scaffold was prepared in the same manner as in Example 11, except that polybutylene succinate (PBS, EnPol G4560J, Lotte Fine Chemicals) was used instead of polylactic acid as a biodegradable polymer.

실시예Example 15: 생분해성 고분자로서  15: biodegradable polymer PBAT를PBAT 기반으로 하는 발포성 필라멘트를 이용한  Based foaming filament 스캐폴드의Scaffold 제조 Produce

생분해성 고분자로서 폴리락트산 대신에 폴리(부틸렌 아디페이트-코-테레프탈레이트)(poly(butylene adipate-co-terephthalate); PBAT, EnPol PBG 7070, 롯데정밀화학)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 11과 동일한 방법으로 생분해성 다공성 스캐폴드를 제조하였다.Except that poly (butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT, EnPol PBG 7070, Lotte Fine Chemicals) was used instead of polylactic acid as the biodegradable polymer. A biodegradable porous scaffold was prepared in the same manner as in Example 11.

비교예Comparative Example 2: 생분해성 고분자로서  2: biodegradable polymer PE를PE 기반으로 하는 발포성 필라멘트를 이용한  Based foaming filament 스캐폴드의Scaffold 제조 Produce

생분해성 고분자로서 폴리부틸렌 석시네이트 대신에 폴리에틸렌(polyethylene; PE, UF-414, 롯데케미칼)을 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 11과 동일한 방법으로 생분해성 다공성 스캐폴드를 제조하였다.A biodegradable porous scaffold was prepared in the same manner as in Example 11, except that polyethylene (PE, UF-414, Lotte Chemical) was used instead of polybutylene succinate as a biodegradable polymer.

실험예Experimental Example 8: 기본 고분자 수지의 물성 분석 8: Property analysis of basic polymer resin

3D 프린터를 이용하여 원하는 기공도의 생분해성 고분자 스캐폴드를 제조하기 위하여, 기본이 되는 고분자 수지의 종류에 따른 물성을 먼저 분석하고, 하기 표 3에 비교하여 정리하였다. 또한, 이들 고분자 수지를 시차주사열계량법(differential scanning calorimetry; DSC)으로 분석하고, 그 결과를 도 10에 나타내었다. 하기 표 3에 나타난 바와 같이, 이들 고분자 수지는 서로 상이한 열용량, 유리전이온도, 녹는점, 밀도 및/또는 용융지수(melt flow index; MI)를 나타내었다. 이에, 이러한 고분자 수지의 물성이 다공성 스캐폴드 제조에 미치는 영향을 확인하고자, 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 따라 각각 PBS, PLA, PBAT 및 PE를 기본으로 하여 발포제를 더 포함하는 3D 프린터용 필라멘트로 제조하고 이를 공급하면서 3D 프린터로 출력하여 다공성 스캐폴드를 제조하였다.In order to produce a biodegradable polymer scaffold of desired porosity using a 3D printer, physical properties according to the type of the polymer resin as a basic material are analyzed first and compared with Table 3 below. These polymer resins were analyzed by differential scanning calorimetry (DSC), and the results are shown in FIG. As shown in the following Table 3, these polymer resins exhibited different heat capacities, glass transition temperature, melting point, density and / or melt flow index (MI). In order to confirm the effect of the physical properties of the polymer resin on the production of the porous scaffold, 3D printers including PBS, PLA, PBAT and PE according to Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, And output to a 3D printer to produce a porous scaffold.

비교예 2Comparative Example 2 실시예 11Example 11 실시예 14Example 14 실시예 15Example 15 기본 수지Base resin PEPE PLAPLA PBSPBS PBATPBAT 열용량(J/K)Heat capacity (J / K) 104.3104.3 36.836.8 64.664.6 6.756.75 Tg(℃)T g (° C) -34 내지 -10-34 to -10 60 내지 6560 to 65 -42 내지 -18-42 to -18 40 내지 5240 to 52 Tm(℃)T m (° C) 130 내지 170130 to 170 150 내지 160150 to 160 115115 130130 밀도(g/mL)Density (g / mL) 0.82 내지 0.900.82 to 0.90 1.31 내지 1.391.31 to 1.39 1.22 내지 1.281.22 to 1.28 1.24 내지 1.311.24 to 1.31 MI(g/10 min)MI (g / 10 min) 22 7 내지 97 to 9 13 내지 2013 to 20 3 내지 53 to 5

실험예Experimental Example 9: 3D9: 3D 프린터에 의해 제조된 다공성  The porosity produced by the printer 스캐폴드의Scaffold 기공 특성 분석 Analysis of pore characteristics

상기 실시예 11, 14 및 15 그리고 비교예 2에 따라, 발포제로서 아조디카본아미드를 동일한 함량으로 포함하되 각각 PLA, PBS, PBAT 및 PE를 기본 고분자로 하는 필라멘트로부터 제조한 다공성 스캐폴드의 단면을 SEM으로 관찰하고, 그 결과를 도 11에 나타내었다. 상기 표 3에 따르면, PE>PBS>PLA>PBAT 순으로 고분자 수지의 열용량이 감소하였으며, 이를 도 11과 비교하면, 100 J/K 이하의 낮은 열용량 값을 갖는 PBS, PLA 및 PBAT를 기초로 하는 스캐폴드의 경우 20 내지 60 μm 크기의 미세 기공이 스캐폴드의 내부에 랜덤하게 분포되었으며, 이들 기공은 표면까지 연장되었으나, 열용량 값이 100 J/K을 초과하는 PE를 기초로 하는 스캐폴드의 경우 동일한 종류 및 함량의 발포제를 함유하는 필라멘트로 제조되었음에도 불구하고 기공의 흔적만이 관찰될 뿐 뚜렷한 열린 채널 형태의 기공은 관찰되지 않았다. 이는 고분자의 높은 열용량으로 인해 출력 당시 발포제의 분해에 의해 형성된 기공이 열에 의해 붕괴되었기 때문인 것으로 사료되었다.According to Examples 11, 14 and 15 and Comparative Example 2, the cross-section of a porous scaffold prepared from filaments containing the same amount of azodicarbonamide as a foaming agent and containing PLA, PBS, PBAT and PE as basic polymers, SEM. The results are shown in Fig. According to Table 3, the heat capacity of the polymer resin was decreased in the order of PE> PBS> PLA> PBAT. Compared with FIG. 11, it is based on PBS, PLA and PBAT having a low heat capacity value of 100 J / K or less In the case of scaffolds, micropores having a size of 20 to 60 μm were randomly distributed inside the scaffold, and these pores extended to the surface, but in the case of a scaffold based on PE having a heat capacity value exceeding 100 J / K Despite being made of filaments containing the same type and content of foaming agent, only pore traces were observed but no distinct open channel pores were observed. It is considered that the reason is that the pores formed by the decomposition of the blowing agent at the time of output were collapsed by heat due to the high heat capacity of the polymer.

나아가, 기공 형성에 대한 용융지수의 효과를 확인하였다. 상기 표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 사용된 고분자 수지는 PBS>PLA>PBAT>PE 순으로 감소하는 용융지수를 나타내었다. 이를 도 3과 비교하여 용융지수가 높을수록 즉, 점도(viscosity)가 낮을수록 높은 발포효율을 나타냄을 확인하였다.Further, the effect of the melt index on pore formation was confirmed. As shown in Table 3, the polymer resin used in the present invention exhibited a decreasing melt index in the order of PBS> PLA> PBAT> PE. It was confirmed from FIG. 3 that the higher the melting index, that is, the lower the viscosity, the higher the foaming efficiency.

Claims (12)

열경화성 생분해성 고분자, 및 상기 고분자의 녹는점 이상의 온도에서 분해되는 발포제를 발포제의 분해 온도 이하에서 블렌딩하여 3D 프린트용 필라멘트를 준비하는 제1단계; 및
제1단계로부터 수득한 필라멘트를 용융압출적층모델링(Fused deposition modeling; FDM) 3D 프린터에 공급하여, 프린터 노즐의 온도를 발포제의 분해 온도 이상으로 유지하면서 출력하는 제2단계를 포함하는,
평균 직경 10 내지 100 μm의 제1기공 및 평균 직경 200 내지 1000 μm의 제2기공을 갖는 이중 기공 스캐폴드의 제조방법.
A first step of preparing a filament for 3D printing by blending a thermosetting biodegradable polymer and a foaming agent decomposed at a temperature equal to or higher than the melting point of the polymer at a decomposition temperature or lower of the foaming agent; And
And a second step of supplying the filament obtained from the first step to a Fused Deposition Modeling (FDM) 3D printer to output while maintaining the temperature of the printer nozzle at or above the decomposition temperature of the foaming agent.
A process for preparing a dual pore scaffold having a first pore having an average diameter of 10 to 100 μm and a second pore having an average diameter of 200 to 1000 μm.
제1항에 있어서,
상기 제1기공은 발포제의 분해에 의해 형성되는 것인 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the first pores are formed by decomposition of the foaming agent.
제1항에 있어서,
상기 제2기공은 프린터 모델링에 의해 형성되는 것인 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the second pores are formed by printer modeling.
제1항에 있어서,
상기 열경화성 생분해성 고분자는 폴리부틸렌 석시네이트(polybutylene succinate; PBS), 폴리락트산(polylactic acid; PLA), 폴리(부틸렌 아디페이트-코-테레프탈레이트)(poly(butylene adipate-co-terephthalate); PBAT), 폴리디옥사논(polydioxanone), 폴리(β-하이드록시부티레이트)(poly(β-hydroxybutyrate)), 폴리(하이드록시발레레이트)(poly(hydroxyvalerate)), 폴리(ε-카프로락톤)(poly(ε-caprolactone)), 폴리글리콜산, 폴리(DETOSU-1,6HD-t-CDM 오르소에스테르), 폴리(DTE 카보네이트), 폴리(메틸 2-시아노아실레이트), 폴리[(p-메틸 페녹시)(에틸 글리시네이토) 포스파젠], 및 폴리(비스(p-카르복시페녹시)프로판-세바식산)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것인 제조방법.
The method according to claim 1,
The thermosetting biodegradable polymer may be selected from the group consisting of polybutylene succinate (PBS), polylactic acid (PLA), poly (butylene adipate-co-terephthalate) Poly (hydroxyvalerate), poly (ε-caprolactone), poly (ε-caprolactone), poly poly (ε-caprolactone), polyglycolic acid, poly (DETOSU-1,6HD-t-CDM orthoester), poly (DTE carbonate), poly (methyl 2-cyanoacylate) Methylphenoxy) (ethylglycineito) phosphazene], and poly (bis (p-carboxyphenoxy) propane-sebacic acid).
제1항에 있어서,
상기 열경화성 생분해성 고분자는 용융상태에서 5 내지 100 J/K의 열용량(heat capacity)을 갖는 것인 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thermosetting biodegradable polymer has a heat capacity of 5 to 100 J / K in a molten state.
제1항에 있어서,
상기 열경화성 생분해성 고분자는 210℃에서 2.5 내지 30 g/10 min의 용융지수(melt flow index; MI)를 갖는 것인 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the thermosetting biodegradable polymer has a melt flow index (MI) of 2.5 to 30 g / 10 min at 210 ° C.
제1항에 있어서,
상기 발포제는 이의 분해 온도 이상의 온도에서 분해되어 가스를 방출하는, 가스체적 100 내지 350 mL/g의 물질인 것인 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the foaming agent is a substance having a gas volume of 100 to 350 mL / g, which is decomposed at a temperature not lower than its decomposition temperature to release gas.
제1항에 있어서,
상기 발포제는 아조디카본아미드(azodicarbonamide), 개질된 아조디카본아미드(modified azodicarbonamide), p-톨루엔설포닐 세미카바자이드(p-toluenesulfonyl semicarbazide), p-톨루엔설포닐 하이드라자이드(p-toluenesulfonyl hydrazide), p-톨루엔설포닐 아세톤하이드라자이드(p-toluenesulfonyl acetone hydrazide), 5-페닐테트라졸(5-phenyltetrazole) 및 소듐 바이카보네이트(sodium bicarbonate)로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상인 것인 제조방법.
The method according to claim 1,
The blowing agent may be selected from the group consisting of azodicarbonamide, modified azodicarbonamide, p-toluenesulfonyl semicarbazide, p-toluenesulfonyl hydrazide wherein the solvent is at least one selected from the group consisting of p-toluenesulfonyl acetone hydrazide, 5-phenyltetrazole, and sodium bicarbonate. .
제1항에 있어서,
상기 발포제는 필라멘트의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 10wt%로 포함되는 것인 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the foaming agent is contained in an amount of 0.1 to 10 wt% based on the total weight of the filaments.
제1항에 있어서,
상기 필라멘트는 1.7 내지 1.8 mm의 평균 직경을 갖는 것인 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the filaments have an average diameter of 1.7 to 1.8 mm.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 방법으로 제조된 의료용 이중 기공 스캐폴드.
A medical dual-pore scaffold prepared by the method of any one of claims 1 to 10.
제11항에 있어서,
상기 스캐폴드는 조직 재생용 이식체인 것인 스캐폴드.
12. The method of claim 11,
Wherein the scaffold is an implant for tissue regeneration.
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