KR20210125660A - Preparation of ceramic scaffolds with improved strength and gyroid structure through pore structure control - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a technology for manufacturing a ceramic scaffold having a gyroid structure with enhanced strength through control of a pore structure stretched in one axial direction, and more specifically, to a low-viscosity photo-curable ceramic slurry composition capable of applied to a ceramic-based 3D printing technology by optimizing the types and contents of a photo-curable monomer, ceramic powder, a diluent, a dispersant, and a photo-curable initiator.

Description

기공 구조 제어를 통한 강도 증진된 자이로이드 구조의 세라믹 스캐폴드 제조{Preparation of ceramic scaffolds with improved strength and gyroid structure through pore structure control}Preparation of ceramic scaffolds with improved strength and gyroid structure through pore structure control

본 발명은 기공 구조 제어를 통한 강도가 증진되며, 일축 방향으로 인장(elongation)된 자이로이드 구조의 세라믹 스캐폴드 제조 및 이를 위한 광경화성 세라믹 슬러리 조성물에 관한 것이다. The present invention relates to the manufacture of a ceramic scaffold having a gyroid structure elongated in a uniaxial direction and having improved strength through pore structure control, and a photocurable ceramic slurry composition therefor.

바이오메디컬 분야의 골 대체제로는 합금(metal alloys), 고분자(polymers), 바이오액티브 글라스(bioactive glasses), 세라믹(ceramics)이 주로 사용된다. 골 대체제로는 주로 다공성 구조체가 사용되는데, 다공성 구조는 인체 내에 삽입되었을 때 주변 뼈와 물리화학적인 결합을 이루며, 서로 연결된 3차원적 기공 구조 덕분에 골세포가 부착, 증식, 분화하는데 유리한 환경을 가지고 있다. 특히, 생체세라믹 소재는 골전도성(osteoconductivity), 생체안정성, 적절한 생분해성 등을 제공하기 때문에 인공 뼈의 주 소재로 많이 사용된다. 그러나 다공성 구조체를 골 대체제로 사용하기에는 기계적 강도가 약하다는 한계점이 있어, 기계적 강도를 높이기 위한 연구들이 시도되고 있다. 높은 기공률을 유지하면서 보다 강한 기계적 강도를 가지는 다공성 구조체를 제조하는 방법 중 하나는 스캐폴드의 기공을 일축 방향으로 인장(elongation)시켜주는 것이다.Metal alloys, polymers, bioactive glasses, and ceramics are mainly used as bone substitutes in the biomedical field. A porous structure is mainly used as a bone substitute. The porous structure forms a physicochemical bond with the surrounding bones when inserted into the human body, and thanks to the interconnected three-dimensional pore structure, it creates an environment favorable for the attachment, proliferation, and differentiation of bone cells. Have. In particular, bioceramics are widely used as main materials for artificial bones because they provide osteoconductivity, biostability, and appropriate biodegradability. However, there is a limitation in that the mechanical strength is weak to use the porous structure as a bone substitute, so studies to increase the mechanical strength are being attempted. One of the methods of manufacturing a porous structure having stronger mechanical strength while maintaining a high porosity is to elongate the pores of the scaffold in the uniaxial direction.

다공성 구조체가 높은 강도를 갖도록 인축 방향으로 인장(elongation)된 기공을 가지는 스캐폴드를 제조하는 방법으로는 적층 가공(additive manufacturing)이 주로 사용되는데, 적층 가공 기술을 이용하면 디자인된 기공 구조를 제조할 수 있기 때문에 동결주조(freeze casting), 스폰지 복제(sponge replication) 등의 일반적인 제조 기술을 사용해 제작된 다공성 스캐폴드 보다 더 높은 기계적 강도를 갖도록 제작할 수 있다. 최근에는 광경화성 기반 적층 가공인 SLA(stereolithography), DLP(digital light processing)이 사용된다. SLA와 DLP는 빛을 이용하여 설계된 모양대로 세라믹을 경화시켜 적층시키는 방식으로 스캐폴드를 제조할 수 있다.Additive manufacturing is mainly used as a method of manufacturing a scaffold having pores elongated in the axial direction so that the porous structure has high strength. Therefore, it can be manufactured to have higher mechanical strength than a porous scaffold manufactured using general manufacturing techniques such as freeze casting and sponge replication. Recently, photocurable based additive manufacturing such as stereolithography (SLA) and digital light processing (DLP) are used. SLA and DLP can manufacture scaffolds by using light to harden and laminate ceramics in a designed shape.

DLP 기술을 이용하면 설계된 디자인대로 세라믹 성형체를 제작할 수 있지만, 사용되는 세라믹 슬러리의 함량에 따라서 점도와 흐름성이 달라지며, UV를 이용하여 세라믹 슬러리를 광경화할 시 디자인 보다 넓게 경화되는 현상인 브로드닝(broadening)이 일어나는 정도가 달라서 세라믹 함량의 조절과 적층 두께 등의 프린팅 조건 설정이 중요하다. 특히 복잡하고 작은 기공 구조의 스캐폴드를 제조할 시, 제조 후 잔여 슬러리가 제대로 제거되지 않아 스캐폴드의 기공을 막는 클로깅(clogging) 현상이 일어날 수 있으며, 세라믹 슬러리의 브로드닝(broadening)에 의해 기공이 막힐 수 있다. 따라서 DLP를 이용하여 복잡한 형상의 다공성 스캐폴드를 제조할 시, 프린팅과 디자인에 최적화된 세라믹 슬러리와 프린팅 조건을 설정하는 기술 개발이 필요하다. Using DLP technology, a ceramic molded body can be manufactured according to the designed design, but the viscosity and flow properties vary depending on the content of the ceramic slurry used. Because the degree of broadening is different, it is important to control the ceramic content and set the printing conditions such as the laminate thickness. In particular, when manufacturing a scaffold with a complex and small pore structure, the residual slurry is not properly removed after manufacturing, so clogging may occur that blocks the pores of the scaffold. The pores may be blocked. Therefore, when manufacturing a porous scaffold with a complex shape using DLP, it is necessary to develop a technology to set the ceramic slurry and printing conditions optimized for printing and design.

Development and evaluation of Al2O3-ZrO2 composite processed by digital light 3D printing; Ceramics International (2019) Volume 46, Issue 7, May 2020, Pages 8682-8688Development and evaluation of Al2O3-ZrO2 composite processed by digital light 3D printing; Ceramics International (2019) Volume 46, Issue 7, May 2020, Pages 8682-8688

본 발명은 세라믹 분말, 광경화성 단량체, 희석제로 캠퍼(camphor), 분산제 및 광경화 개시제를 포함하고,The present invention includes a ceramic powder, a photocurable monomer, a camphor as a diluent, a dispersant and a photocuring initiator,

광경화성 세라믹 슬러리 조성물에서 상기 세라믹 분말의 부피는 30 내지 39 vol%인 기공 구조 제어를 통한 강도가 증진되며, 일축 방향으로 인장(elongation)된 자이로이드 구조의 세라믹 스캐폴드 제조용 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 제공하는데 그 목적이 있다.In the photocurable ceramic slurry composition, the strength of the ceramic powder is improved by controlling the pore structure of 30 to 39 vol% by volume, and a photocurable ceramic slurry composition for manufacturing a ceramic scaffold having a gyroid structure elongated in the uniaxial direction. Its purpose is to provide

또한, 본 발명은 전술한 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 용기(vat)에 채우는 단계; In addition, the present invention comprises the steps of filling the above-described photo-curable ceramic slurry composition in a container (vat);

빌드 플레이트(bulid plate)가 용기의 하면에서 프로그램화된 두께만큼 상승하고, 용기 하부에서 조사되는 자외선에 의해 상기 광경화성 세라믹 슬러리 조성물이 프로그램화된 형상으로 경화되어 세라믹 성형층을 형성하는 단계; 및 forming a ceramic molding layer by raising a build plate by a programmed thickness from the lower surface of the container, and curing the photo-curable ceramic slurry composition into a programmed shape by ultraviolet rays irradiated from the bottom of the container; and

상기 빌드 플레이트의 상승 및 자외선에 의한 세라믹 성형층의 형성이 반복적으로 수행되어 세라믹 성형체를 형성하는 단계;를 포함하는 세라믹 성형체의 제조 방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a ceramic molded body including; forming the ceramic molded body by repeatedly performing the rising of the build plate and the formation of the ceramic molded layer by ultraviolet rays.

본 발명은 세라믹 분말, 광경화성 단량체, 희석제로 캠퍼(camphor), 분산제 및 광경화 개시제를 포함하고,The present invention includes a ceramic powder, a photocurable monomer, a camphor as a diluent, a dispersant and a photocuring initiator,

광경화성 세라믹 슬러리 조성물에서 상기 세라믹 분말의 부피는 30 내지 39 vol%인 기공 구조 제어를 통한 강도가 증진되며, 일축 방향으로 인장(elongation)된 광경화성 세라믹 슬러리 조성물에 관한 것이다. In the photocurable ceramic slurry composition, the volume of the ceramic powder is 30 to 39 vol%, and the strength is enhanced through pore structure control, and the photocurable ceramic slurry composition is elongated in a uniaxial direction.

이하, 본 발명의 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 보다 상세하게 설명한다. Hereinafter, the photocurable ceramic slurry composition of the present invention will be described in more detail.

슬러리(slurry)는 일반적으로 고농도의 현탁 물질을 함유한 유동성이 적은 액체 상태를 의미한다. 본 발명에서 슬러리는 페이스트(paste) 또는 반죽(dough) 상태를 포함하는 의미로 사용될 수 있다. A slurry generally refers to a liquid state with low fluidity containing a high concentration of suspended substances. In the present invention, the slurry may be used in the sense of including a paste or dough state.

본 발명에 따른 광경화성 세라믹 슬러리 조성물(이하, 슬러리 조성물)은 세라믹 분말, 광경화성 단량체, 희석제, 분산제 및 광경화 개시제를 포함한다. The photo-curable ceramic slurry composition (hereinafter, slurry composition) according to the present invention includes a ceramic powder, a photo-curable monomer, a diluent, a dispersant, and a photo-curing initiator.

본 발명의 슬러리 조성물은 세라믹 분말을 고함량 포함하여 세라믹 성형체 및 구조체의 물성을 향상시킬 수 있다. 이러한 세라믹 분말은 슬러리 조성물에 함량이 낮은 조성물의 경우, 프린팅 시 구조 유지가 되지 않아 디자인이 재현되지 않는 문제가 있으며, 슬러리 함량이 증가할수록 슬러리 조성물의 경우에는 얇은 벽을 재현하기 어려운 문제가 있다. The slurry composition of the present invention may include a high content of ceramic powder to improve the physical properties of the ceramic compact and structure. In the case of a composition having a low content of the ceramic powder in the slurry composition, the structure is not maintained during printing, so the design is not reproduced, and as the slurry content increases, it is difficult to reproduce a thin wall in the case of the slurry composition.

본 발명에 사용된 용어 "자이로이드 구조"는 무한한 면이 일정한 간격으로 유지하며 이루어진 3차원적 구조체이며, 표면적이 넓기 때문에 골대체제로 사용될 시 골세포의 부착, 증식, 분화에 유리한 생체모방형 구조이다. As used herein, the term "gyroid structure" is a three-dimensional structure with infinite surfaces maintained at regular intervals, and has a large surface area, so it is a biomimetic structure advantageous for attachment, proliferation, and differentiation of osteocytes when used as a bone substitute. am.

본 발명에 사용된 용어 "기공"은 세라믹 벽 사이의 간격(distance between ceramic walls)을 의미한다.As used herein, the term “pore” means a distance between ceramic walls.

상기 세라믹 분말의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 수산화인회석(Hydroxy Apatite; HA), 불소 함유 수산화인회석(Fluoridated Hydroxy Apatite, FHA), 삼인산칼슘(tricalciumphosphate, TCP), BCP(biphasic calcium phosphate), 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconina), 실리카(silica) 및 바이오글래스로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. The type of the ceramic powder is not particularly limited, for example, hydroxyapatite (HA), fluorine-containing hydroxyapatite (FHA), tricalciumphosphate (TCP), BCP (biphasic calcium phosphate) , one or more selected from the group consisting of alumina, zirconia, silica, and bioglass may be used.

또한, 세라믹 분말의 함량은 슬러리 조성물 100 중량부에 대하여 50 내지 80 중량부, 5 내지 75 중량부, 또는 60 내지 70 중량부일 수 있다. 상기 함량 범위에서 물성이 우수한 세라믹 성형체 및 구조체를 제조할 수 있다. In addition, the content of the ceramic powder may be 50 to 80 parts by weight, 5 to 75 parts by weight, or 60 to 70 parts by weight based on 100 parts by weight of the slurry composition. In the above content range, it is possible to manufacture a ceramic molded body and a structure having excellent physical properties.

본 발명에서 광경화성 단량체(모노머)는 세라믹 분말의 균일한 복합화, 및 슬러리 조성물의 점도 및 성형체의 강도의 제어하는 역할을 수행할 수 있다. 종래 3D 프린터에 사용되는 슬러리 조성물은 낮은 점도를 요구한다. 하지만 세라믹 분말의 함량이 증가할수록 그 점도는 높아지고, 이에 따라 3D 프린팅시 문제점이 발생하게 된다. 본 발명에서는 낮은 점도를 가지는 슬러리 조성물을 제조하고, 이를 광경화시켜 적층하는 방식으로 성형체를 제조할 수 있다. In the present invention, the photocurable monomer (monomer) may perform a role of uniformly complexing the ceramic powder and controlling the viscosity of the slurry composition and the strength of the molded body. The slurry composition used in the conventional 3D printer requires a low viscosity. However, as the content of the ceramic powder increases, the viscosity increases, which causes a problem in 3D printing. In the present invention, it is possible to prepare a molded article by preparing a slurry composition having a low viscosity, and photocuring it to laminate it.

본 발명에서 광경화성 단량체는 사전적 의미인 '고분자를 형성하는 단위분자'뿐만 아니라, 상기 단위분자가 낮은 정도로 중합하여 생성되는 소중합체인 올리고머를 포함하는 의미로 사용될 수 있다. In the present invention, the photocurable monomer may be used to include not only 'unit molecules forming a polymer' in the dictionary meaning, but also oligomers which are oligomers produced by polymerization of the unit molecules to a low degree.

이러한 광경화성 단량체의 종류는 특별히 제한되지 않고, 아크릴레이트계 단량체를 사용할 수 있으며, 구체적으로 1,6-헥산디올 디아크릴레이트(1,6-hexanediol diacrylate, HDDA), 우레탄 디메타크릴레이트(Diurethane dimethacrylate, UDMA), 아크릴로일 모르폴린(Acryloyl morpholine) 및 트리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트(Triethylene glycol dimethacrylate, TEGDMA)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. The type of the photocurable monomer is not particularly limited, and an acrylate-based monomer may be used, and specifically, 1,6-hexanediol diacrylate (HDDA), urethane dimethacrylate (Diurethane) At least one selected from the group consisting of dimethacrylate, UDMA), acryloyl morpholine, and triethylene glycol dimethacrylate (TEGDMA) may be used.

상기 광경화성 단량체의 함량은 슬러리 조성물 100 중량부에 대하여 10 내지 35 중량부, 또는 15 내지 30 중량부일 수 있다. The content of the photocurable monomer may be 10 to 35 parts by weight, or 15 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of the slurry composition.

본 발명에서 희석제는 경화 시 나타나는 경화 수축을 잡아줄 수 있으며, 슬러리 조성물의 점도를 낮추기 위해 사용할 수 있다. 상기 희석제는 경화 시 반응하지 않는다. 본 발명에서는 희석제를 사용하여 보다 균일한 고충진 슬러리 조성물을 제조할 수 있다. In the present invention, the diluent may hold the curing shrinkage that occurs during curing, and may be used to lower the viscosity of the slurry composition. The diluent does not react upon curing. In the present invention, a more uniform highly filled slurry composition can be prepared by using a diluent.

본 발명에서는 이러한 희석제로 캠퍼(Camphor)를 사용할 수 있다. 일반적으로 캠퍼는 동결매체로 사용되지만, 본 발명에서는 상기 캠퍼가 슬러리 조성물의 점도를 낮추기 위한 희석제로의 역할을 수행한다. In the present invention, camphor may be used as such a diluent. In general, camphor is used as a freezing medium, but in the present invention, the camphor serves as a diluent for lowering the viscosity of the slurry composition.

상기 희석제의 함량은 슬러리 조성물 100 중량부에 대하여 5 내지 20 중량부, 또는 10 내지 15 중량부일 수 있다. 또한, 상기 광경화성 단량체와 희석제의 중량비는 5 내지 7 : 4일 수 있다. 상기 범위에서 광경화성 단량체가 과포화되지 않고 광경화성 단량체를 희석제에 최대한 용해시킬 수 있으며, 보다 낮은 점도를 부여할 수 있다. The content of the diluent may be 5 to 20 parts by weight, or 10 to 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the slurry composition. In addition, the weight ratio of the photocurable monomer and the diluent may be 5 to 7:4. In the above range, the photocurable monomer is not supersaturated and the photocurable monomer can be dissolved in the diluent as much as possible, and a lower viscosity can be imparted.

본 발명에서 분산제는 고함량의 세라믹 분말의 분산을 용이하게 하기 위해 사용할 수 있다. In the present invention, the dispersant may be used to facilitate dispersion of the high content of the ceramic powder.

상기 분산제의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 알킬암모늄염 공중합체 화합물, 폴리에스터/폴리에테르(Polyester/polyether)계 화합물, 인산(Phosphoric acid)기를 함유한 공중합체 및 아민기를 가지는 공중합체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. The type of the dispersant is not particularly limited, and for example, an alkylammonium salt copolymer compound, a polyester/polyether-based compound, a copolymer containing a phosphoric acid group, and a copolymer having an amine group. One or more selected from the group consisting of may be used.

상기 분산제의 함량은 슬러리 조성물 100 중량부에 대하여 1 내지 5 중량부, 또는 2 내지 4 중량부일 수 있다. 상기 범위에서 균일한 슬러리 조성물을 제조할 수 있다. The content of the dispersant may be 1 to 5 parts by weight, or 2 to 4 parts by weight based on 100 parts by weight of the slurry composition. A uniform slurry composition can be prepared in the above range.

또한, 본 발명에서 광경화 개시제는 선택적으로 조절되는 특정 파장대의 UV에 의해 자유라디칼을 형성하여 광경화성 단량체를 중합시킨다. In addition, in the present invention, the photocurable initiator polymerizes the photocurable monomer by forming free radicals by UV in a specific wavelength band that is selectively controlled.

이러한 광경화 개시제의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 페닐비스(2,4,6-트리메틸 벤조일포스핀 옥사이드)(Phenylbis(2, 4, 6-trimethyl benzoylphosphine oxide), PPO), 페닐비스(2,4,6-트리메틸 벤조일포스핀 옥사이드)(Phenylbis(2, 4, 6-trimethyl benzoylphosphine oxide), PPO), 1-하이드록시-사이클로헥실-펜닐-케톤(1-Hydroxy-cyclohexyl-phenyl-ketone), 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐-1-프로판온(2-Hydroxy-2-methyl-1-phenyl-1-propanone), 2-히드록시-1-[4-(2-하이드록시에톡시)페닐]-2-메틸-1-프로판온(2-Hydroxy-1-[4-(2-hydroxyethoxy) phenyl]-2-methyl-1-propanone), 메틸벤조일포르메이트(Methylbenzoylformate), 옥시-페닐-아세트산-2-[2-옥소-2-페닐-아세톡시-에톡시]-에틸 에스테르(oxy-phenyl-acetic acid -2-[2 oxo-2phenyl-acetoxy-ethoxy]-ethyl ester), 옥시-페닐-아세트산-2-[2-하이드록시-에톡시]-에틸 에스테르(oxy-phenyl-acetic acid-2-[2-hydroxy-ethoxy]-ethyl ester), 알파-디메톡시-알파-페닐아세토페논(alpha-dimethoxy-alpha-phenylacetophenone), 2-벤질-2-(디메틸아미노)1-[4-(4-모르폴리닐) 페닐]-1-부타논(2-Benzyl-2-(dimethylamino)-1-[4-(4-morpholinyl) phenyl]-1-butanone), 2-메틸-1-[4-(메틸티오)페닐]-2-(4-모르폴리닐)-1-프로판온(2-Methyl-1-[4-(methylthio)phenyl]-2-(4-morpholinyl)-1-propanone) 및 디페닐 (2,4,6-트리메틸벤조일)-포스핀 옥사이드(Diphenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl)-phosphine oxide)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다. The type of the photocuring initiator is not particularly limited, and for example, phenylbis(2,4,6-trimethyl benzoylphosphine oxide) (Phenylbis(2,4,6-trimethyl benzoylphosphine oxide), PPO), phenylbis (2,4,6-trimethyl benzoylphosphine oxide) (Phenylbis (2, 4, 6-trimethyl benzoylphosphine oxide), PPO), 1-hydroxy-cyclohexyl-phenyl-ketone (1-Hydroxy-cyclohexyl-phenyl- ketone), 2-hydroxy-2-methyl-1-phenyl-1-propanone (2-Hydroxy-2-methyl-1-phenyl-1-propanone), 2-hydroxy-1-[4- (2) -Hydroxyethoxy)phenyl]-2-methyl-1-propanone (2-Hydroxy-1-[4-(2-hydroxyethoxy)phenyl]-2-methyl-1-propanone), methylbenzoylformate (Methylbenzoylformate) ), oxy-phenyl-acetic acid-2-[2-oxo-2-phenyl-acetoxy-ethoxy]-ethyl ester (oxy-phenyl-acetic acid -2-[2 oxo-2phenyl-acetoxy-ethoxy]-ethyl ester), oxy-phenyl-acetic acid-2-[2-hydroxy-ethoxy]-ethyl ester (oxy-phenyl-acetic acid-2-[2-hydroxy-ethoxy]-ethyl ester), alpha-dimethoxy- alpha-dimethoxy-alpha-phenylacetophenone, 2-benzyl-2-(dimethylamino)1-[4-(4-morpholinyl) phenyl]-1-butanone (2-Benzyl-2 -(dimethylamino)-1-[4-(4-morpholinyl)phenyl]-1-butanone), 2-methyl-1-[4-(methylthio)phenyl]-2-(4-morpholinyl)-1 -propanone (2-Methyl-1-[4-(methylthio)phenyl]-2-(4-morpholinyl)-1-propanone) and diphenyl (2,4,6-trimethylbenzoyl)-phosphine oxide (Diphenyl) (2 One or more selected from the group consisting of ,4,6-trimethylbenzoyl)-phosphine oxide) may be used.

상기 광경화 개시제의 함량은 슬러리 조성물 100 중량부에 대하여 0.1 내지 1 중량부, 또는 0.2 내지 0.7 중량부일 수 있다. 또한, 광경화 개시제의 함량은 광경화성 단량체 100 중량부 대비 1 내지 5 중량부 또는 1 내지 3 중량부일 수 있다. 상기 범위에서 광경화성 단량체의 광경화가 용이하게 수행될 수 있다. The content of the photocuring initiator may be 0.1 to 1 parts by weight, or 0.2 to 0.7 parts by weight based on 100 parts by weight of the slurry composition. In addition, the content of the photocuring initiator may be 1 to 5 parts by weight or 1 to 3 parts by weight based on 100 parts by weight of the photocurable monomer. In the above range, photocuring of the photocurable monomer may be easily performed.

본 발명에 따른 광경화성 세라믹 슬러리 조성물은 염료를 추가로 포함할 수 있다. 상기 염료를 사용하여 고해상도의 복합한 형상의 프린팅을 수행할 수 있다. 본 발명에서는 상향식 적층 방식을 통해 3D 프린팅을 수행하므로, 슬러리 조성물 내에 존재하는 세라믹 입자들이 빛의 분산과 투과도에 영향을 미칠 우려가 있다. 본 발명에서는 염료를 사용하여 이와 같은 현상을 억제할 수 있다. The photocurable ceramic slurry composition according to the present invention may further include a dye. Printing of a complex shape with high resolution can be performed using the dye. In the present invention, since 3D printing is performed through a bottom-up stacking method, there is a risk that ceramic particles present in the slurry composition may affect light dispersion and transmittance. In the present invention, such a phenomenon can be suppressed by using a dye.

상기 염료의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 벤조퍼퓨린benzopurpurin), 브로모페놀블루(Bromophenol blue), 인도시아닌 그린(Indocyanine green), 알시안 블루(Alcian blue) 또는 오일 레드 오(Oil Red O)를 사용할 수 있다. The type of the dye is not particularly limited, for example, benzopurpurin benzopurpurin), bromophenol blue (Bromophenol blue), indocyanine green (Indocyanine green), Alcian blue (Alcian blue) or oil red o ( Oil Red O) can be used.

상기 염료의 함량은 슬러리 조성물 100 중량부에 대하여 0.01 내지 0.5 중량부, 또는 0.005 내지 0.2 중량부일 수 있다. 또한, 상기 염료의 함량은 광경화성 단량체 100 중량부 대비 0.005 내지 0.5 중량부일 수 있다. 상기 범위에서 고해상도의 복합한 형상의 프린팅을 수행할 수 있다. 함량이 증가할수록 디테일의 구현 능력이 늘어나는 반면 경화되는 경화 깊이(curing depth)가 낮아지므로, 상기 범위로 조절하는 것이 좋다. The content of the dye may be 0.01 to 0.5 parts by weight, or 0.005 to 0.2 parts by weight based on 100 parts by weight of the slurry composition. In addition, the content of the dye may be 0.005 to 0.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the photocurable monomer. In the above range, high-resolution complex shape printing can be performed. As the content increases, the ability to implement details increases, while the curing depth decreases, so it is preferable to adjust it within the above range.

본 발명에서 슬러리 조성물은 전술한 성분, 즉, 세라믹 분말, 광경화성 단량체, 희석제, 분산제, 광경화 개시제 및 염료 등을 혼합하여 제조할 수 있다. 상기 혼합 방법은 당업계의 일반적인 방법에 따라 수행될 수 있다. In the present invention, the slurry composition may be prepared by mixing the above-mentioned components, that is, ceramic powder, photocurable monomer, diluent, dispersant, photocurable initiator and dye. The mixing method may be performed according to a general method in the art.

세라믹 슬러리 점도가 높아지면 빛의 산란(scattering)에 의해 세라믹 구조물이 디자인 보다 두껍게 제조되며, 잔여 슬러리가 제거되지 않고 기공이 막혀버리는 클로깅(clogging) 현상이 일어날 수 있다. 이를 최소화시키며 잔여 슬러리의 제거가 가능한 최소 크기의 기공(자이로이드를 이루는 면과 면 사이의 간격)을 구현하기 위해 세라믹 슬러리 조성물은 30~39 vol%인 것이 바람직하다. When the viscosity of the ceramic slurry increases, the ceramic structure is manufactured thicker than the design by light scattering, and the clogging phenomenon in which the remaining slurry is not removed and pores are clogged may occur. In order to minimize this and to realize the smallest size pores (the gap between the surfaces forming the gyroid) that can be removed from the residual slurry, the ceramic slurry composition is preferably 30 to 39 vol%.

따라서, 본 발명의 슬러리 조성물은 고함량의 세라믹 분말을 포함하면서도, 점도를 0.5 Pa·s 이하 또는 0.3 Pa·s 이하로 유지할 수 있다. 이에 따라, 보다 정밀하고 다양한 자이로이드 구조의 세라믹 성형체 및 구조체를 제조할 수 있다. Accordingly, the slurry composition of the present invention can maintain a viscosity of 0.5 Pa·s or less or 0.3 Pa·s or less while including a high content of ceramic powder. Accordingly, it is possible to manufacture a ceramic molded body and a structure having a more precise and various gyroid structure.

또한, 본 발명의 슬러리 조성물의 온도는 10 내지 70℃ 또는 15 내지 50℃일 수 있다. 본 발명에서 사용되는 희석제는 휘발성을 지니므로, 상기 온도 범위를 가지는 것이 희석제의 휘발을 방지할 수 있다. In addition, the temperature of the slurry composition of the present invention may be 10 to 70 ℃ or 15 to 50 ℃. Since the diluent used in the present invention has volatility, it is possible to prevent volatilization of the diluent to have the above temperature range.

또한, 본 발명은 전술한 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 용기(vat)에 채우는 단계; In addition, the present invention comprises the steps of filling the above-described photo-curable ceramic slurry composition in a container (vat);

빌드 플레이트(bulid plate)가 용기의 하면에서 프로그램화된 두께만큼 상승하고, 용기 하부에서 조사되는 자외선에 의해 상기 광경화성 세라믹 슬러리 조성물이 프로그램화된 형상으로 경화되어 세라믹 성형층을 형성하는 단계; 및 forming a ceramic molding layer by raising a build plate by a programmed thickness from the lower surface of the container, and curing the photo-curable ceramic slurry composition into a programmed shape by ultraviolet rays irradiated from the bottom of the container; and

상기 빌드 플레이트의 상승 및 자외선에 의한 세라믹 성형층의 형성이 반복적으로 수행되어 세라믹 성형체를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. The raising of the build plate and the formation of the ceramic molding layer by ultraviolet rays are repeatedly performed to form a ceramic molding body.

본 발명에서는 전술한 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 사용하여 높은 세라믹 함량을 가지면서도 성형체의 형상을 유지할 수 있고, 또한 성형체의 물성을 조절할 수 있다. In the present invention, the shape of the molded body can be maintained while having a high ceramic content by using the above-described photocurable ceramic slurry composition, and the physical properties of the molded body can be controlled.

이때, 슬러리 조성물 중의 희석제는 휘발성을 가지므로, 프린팅은 10 내지 70℃ 또는 15 내지 50℃에서 수행될 수 있다. At this time, since the diluent in the slurry composition has volatility, printing may be performed at 10 to 70°C or 15 to 50°C.

본 발명에서는 컴퓨터 제어 기반의 3차원 프린팅 기술과 광경화 성형기술의 융합을 통해 기상용화된 3D 프린터에 적용 가능한 고충진 광경화성 세라믹 기반 3D 프린팅 기술을 제공할 수 있다. In the present invention, it is possible to provide a high-filling photocurable ceramic-based 3D printing technology applicable to a 3D printer for vaporization through the fusion of computer-controlled 3D printing technology and photocurable molding technology.

일 구체예에서, 본 발명은 기상용화된 상향식(bottom-up) 적층 방식의 3D 프린터를 사용하여 세라믹 성형체를 제조할 수 있다. 광경화성 소재를 기반으로 한 3D 프린팅 기술은 액상의 광경화성 수지를 미리 설정한 영역만큼 선택적으로 광경화시켜 층층이 적층시키는 방식으로 다른 3D 프린팅 방식에 비해 성형체의 정밀한 성형이 가능한 기술이다. 현재, 이 기술을 사용해 세라믹 성형체를 제조하는 연구는 다른 3D 프린팅 기술에 비해 기술성숙도가 매우 낮은 편이다. 또한, 프린팅 가능한 세라믹 점도의 한계, 경화 깊이(curing depth) 및 빌드 플레이트(build plate)의 위치 등 다양한 매개변수의 컨트롤의 요구에 의해, 세라믹 슬러리 프린팅은 탑-다운(top-down) 및 테이프 케스팅(tape casting)의 방법으로 이용되고 있다. In one embodiment, according to the present invention, a ceramic molded body may be manufactured using a vapor-soluted bottom-up stacking 3D printer. 3D printing technology based on photocurable material selectively photocures a liquid photocurable resin as much as a preset area and laminates it layer by layer. Currently, research on manufacturing ceramic compacts using this technology has a very low level of technological maturity compared to other 3D printing technologies. In addition, due to the limitation of the printable ceramic viscosity, the requirement to control various parameters such as the curing depth and the position of the build plate, ceramic slurry printing is applied to top-down and tape casting. (tape casting) is used.

본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하여, 저점도 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 제조하였으며, 상기 슬러리 조성물을 사용하여 상향식(bottom-up) 적층 방식으로 세라믹 성형체를 제조할 수 있다. 상기 상향식(bottom-up) 적층 방식을 적용하여 기존 광경화성 세라믹 프린팅 기술(즉, top-down 및 tape casting)에서 성형체의 높이에 따라 발생하는 제조 시간의 증가 및 경화반응이 끝난 성형체 내의 미반응 용액 제거 등의 한계점을 극복할 수 있다. 또한, 제작 시간 및 비용을 절감할 수 있으며, 미세 다공성 성형체 구조에서 벽 사이 간격을 줄여줄 수 있다. 또한, 상향식 적층 방식의 적용을 통해 별도의 슬러리 조성물 공급 시스템을 필요로 하지 않는다.In the present invention, by solving this problem, a low-viscosity photo-curable ceramic slurry composition was prepared, and a ceramic molded body can be manufactured by using the slurry composition in a bottom-up lamination method. By applying the bottom-up lamination method, the manufacturing time increases according to the height of the molded body in the existing photocurable ceramic printing technology (ie, top-down and tape casting) and unreacted solution in the molded body after curing reaction It is possible to overcome limitations such as removal. In addition, it is possible to reduce the manufacturing time and cost, and reduce the gap between the walls in the structure of the microporous molded body. In addition, there is no need for a separate slurry composition supply system through the application of the bottom-up lamination method.

즉, 본 발명은 세라믹 슬러리가 매우 낮은 점도를 가지므로, 주로 고분자 수지를 프린트하는 기상용화된 상향식 적층 방식의 3D 프린터에서 프린팅이 가능하다.That is, in the present invention, since the ceramic slurry has a very low viscosity, it is possible to print in a 3D printer of a bottom-up lamination method for vaporization that mainly prints a polymer resin.

본 발명에서 단계 (S1)은 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 용기(vat)에 채우는 단계이다. In the present invention, step (S1) is a step of filling the photo-curable ceramic slurry composition in a container (vat).

상기 용기는 광경화성 세라믹 슬러리 조성물이 채워질 수 있다면 그 형상은 특별히 제한되지 않는다. 상기 용기는 하부면의 재질은 용기 하부에서 조사되는 자외선이 투과되도록 형성될 수 있다. The shape of the container is not particularly limited as long as it can be filled with the photo-curable ceramic slurry composition. The material of the lower surface of the container may be formed so that ultraviolet rays irradiated from the lower part of the container are transmitted.

일 구체예에서, 용기는 내부에 빌드 플레이트(bulid plate)를 구비한다. 상기 빌드 플레이트는 용기에 슬러리 조성물이 채워지면 아래로 움직이고, 프로그래화된 성형층의 두께(예, 20 내지 100 ㎛)에 ?춰 바닥에서 상승하게 된다. 따라서, 그 갭에 있는 슬러리 조성물은 프로젝터 빔에 의해 선택적으로 경화하게 된다. 즉, 상기 빌드 플레이트의 표면에서 슬러리 조성물이 광경화되어 성형층이 형성될 수 있다. 그 후 빌드 플레이트는 상승하고 상승 시간 동안 슬러리가 다시 채워지게 된다. 상기 빌드 플레이트의 상부로의 이동을 통해 성형층이 적층되어 세라믹 성형체가 제조될 수 있다. In one embodiment, the container has a build plate therein. The build plate moves down when the container is filled with the slurry composition and rises from the bottom according to the thickness of the programmed shaping layer (eg 20-100 μm). Thus, the slurry composition in the gap is selectively cured by the projector beam. That is, the slurry composition may be photocured on the surface of the build plate to form a molding layer. The build plate is then raised and the slurry is refilled during the rise time. A molding layer may be laminated through the movement of the build plate upward to manufacture a ceramic molded body.

본 발명에서 단계 (S2)는 빌드 플레이트가 용기의 하면에서 프로그램화된 두께만큼 상승하고, 용기 하부에서 조사되는 자외선에 의해 광경화성 세라믹 슬러리 조성물이 프로그램화된 형상으로 경화되어 세라믹 성형층을 형성하는 단계이다. In the present invention, step (S2) is a process in which the build plate rises by a programmed thickness from the bottom of the container, and the photo-curable ceramic slurry composition is cured into a programmed shape by ultraviolet rays irradiated from the bottom of the container to form a ceramic molding layer. is a step

본 발명에서 3D 프린팅은 컴퓨터로 미리 디자인된 프로그램을 따라 3차원 도면 데이터를 프린터를 이용하여 프린트할 수 있다.In the present invention, 3D printing can print 3D drawing data using a printer according to a program designed in advance by a computer.

구체적으로, 빌드 플레이트가 용기의 하면(바닥)에서 프로그램화된 두께만큼 상승하게 되고, 빌드 플레이트 하면에 존재하는 슬러리 조성물, 즉, 빌드 플레이트의 하면과 용기 바닥 사이에 존재하는 슬러리 조성물은 프로그램화된 형상에 따라 전체적 또는 부분적으로 경화되어 세라믹 성형층을 형성하게 된다. 본 발명에서는 상향식 적층 방식으로 성형층이 형성되므로, 별도의 공급부(feeding)을 필요로 하지 않는다. 또한, 슬러리 조성물이 염료를 포함할 경우, 고해상도의 복잡한 형상을 프린트할 수 있다.Specifically, the build plate is raised by the programmed thickness on the lower surface (bottom) of the container, and the slurry composition present on the lower surface of the build plate, that is, the slurry composition present between the lower surface of the build plate and the container bottom, is Depending on the shape, it is completely or partially cured to form a ceramic molding layer. In the present invention, since the molding layer is formed by a bottom-up stacking method, a separate feeding part is not required. In addition, when the slurry composition contains a dye, it is possible to print complex shapes with high resolution.

일 구체예에서, 세라믹 성형층의 두께는 20 내지 100 ㎛ 또는 20 내지 70 ㎛일 수 있다. In one embodiment, the thickness of the ceramic molding layer may be 20 to 100 μm or 20 to 70 μm.

일 구체예에서, 슬러리 조성물은 용기 하부에서 조사되는 자외선에 의해 광경화될 수 있다. 상기 자외선 조사 장치는 용기 하부에 별도로 위치할 수 있으며, 자외선 조사는 UV 빔 등에 의해 수행될 수 있다.In one embodiment, the slurry composition may be photocured by ultraviolet rays irradiated from the bottom of the container. The ultraviolet irradiation device may be separately located at the bottom of the container, and ultraviolet irradiation may be performed by a UV beam or the like.

상기 조사되는 자외선의 세기는 1 내지 5 W일 수 있다. The intensity of the irradiated ultraviolet rays may be 1 to 5 W.

또한, 본 발명에서 단계 (S3)은 상기 빌드 플레이트의 상승 및 자외선에 의한 세라믹 성형층의 형성이 반복적으로 수행되어 세라믹 성형체를 형성하는 단계이다. In addition, in the present invention, step (S3) is a step of forming a ceramic molded body by repeatedly performing the rising of the build plate and the formation of the ceramic molding layer by ultraviolet rays.

단계 (S2)에서 세라믹 성형층이 형성되면, 빌드 플레이트가 프로그램화된 두께만큼 다시 상승한다. 상기 빌드 플레이트가 상승하면 세라믹 슬러리는 (S2) 단계에서 경화된 면적만큼 다시 차 들어가게 되고, 이를 경화함으로써 상기 슬러리 성형층 상에 성형층이 적층되게 된다. 즉, 본 발명에서는 autonomous feeding system을 구현할 수 있다. When the ceramic molding layer is formed in step S2, the build plate rises again by the programmed thickness. When the build plate rises, the ceramic slurry is filled again as much as the area cured in step (S2), and by curing it, the molding layer is laminated on the slurry molding layer. That is, in the present invention, an autonomous feeding system can be implemented.

일 구체예에서, 광경화 시간은 세라믹 성형층 한층이 완벽히 경화되고 전에 경화된 상부 층과의 결합을 위하여, 광경화 시 층의 결합부위가 기존 프로그램화된 한층의 두께보다 조금 더 깊게 경화될 수 있도록 적절히 조절할 수 있다. 이를 통해, 경화되는 층이 상부 층과 오버랩 될 수 있다. 상기 경화 시간이 짧으면 상향식 방식의 프린터의 특성상 용기의 바닥과의 결합력이 더 높아질 수 있어, 성형층 간의 결합이 매우 약할 우려가 있다.In one embodiment, the photocuring time is that the ceramic molding layer is completely cured and in order to bond with the previously cured upper layer, the bonding site of the layer during photocuring may be cured a little deeper than the thickness of the previously programmed layer. can be adjusted appropriately. This allows the cured layer to overlap the top layer. If the curing time is short, the bonding force with the bottom of the container may be higher due to the characteristics of the bottom-up printer, and there is a fear that the bonding between the molding layers is very weak.

본 발명에서는 빌드 플레이트의 상승 및 자외선에 의한 세라믹 성형층의 형성이 반복적으로 수행하여 프로그램화된 형상을 가지는 세라믹 성형체를 제조할 수 있다. In the present invention, it is possible to manufacture a ceramic molded body having a programmed shape by repeatedly performing the raising of the build plate and the formation of the ceramic molding layer by ultraviolet rays.

특히, 본 발명은 성형층들의 두께 및 UV 빔의 세기 등을 조절하여 다양한 구조 및 기공 구조를 가지는 세라믹 성형체를 제조할 수 있다.In particular, according to the present invention, a ceramic molded body having various structures and pore structures can be manufactured by controlling the thickness of the molding layers and the intensity of the UV beam.

일 구체예에서, 제조된 세라믹 성형체를 빌드 플레이트에서 분리하는 공정을 추가로 수행할 수 있다. In one embodiment, a process of separating the manufactured ceramic compact from the build plate may be additionally performed.

본 발명에서는 세라믹 성형체를 열처리 하여 세라믹 구조체를 제조하는 단계를 추가로 수행할 수 있다. In the present invention, the step of manufacturing a ceramic structure by heat-treating the ceramic compact may be additionally performed.

상기 열처리는 1차 열처리 및 2차 열처리(소결)의 두 번의 열처리 과정을 통해 수행할 수 있다. The heat treatment may be performed through two heat treatment processes of the first heat treatment and the second heat treatment (sintering).

1차 열처리에서는 광경화된 세라믹 성형체 내부의 폴리머 및 분산제를 제거할 수 있다. 상기 1차 열처리는 80 내지 700℃, 또는 100 내지 600℃에서 2 내지 15 시간, 또는 4 내지 8 시간 동안 수행할 수 있다. 또한, 온도를 단계별로 높여가면서 열처리를 수행함으로써 불순물의 제거를 더욱 용이하게 수행할 수 있다. 2차 열처리(소결)에서는 세라믹 벽을 치밀화할 수 있다. 상기 2차 열처리를 통해 세라믹 벽간의 접착을 증진시킬 수 있다. 상기 2차 열처리는 1000 내지 1500℃에서 1 분 내지 5 시간 동안 수행할 수 있다. 상기 2차 열처리 온도가 너무 높거나 시간이 길면, 세라믹 구조체의 화학적 조성이 달라질 우려가 있다. In the first heat treatment, the polymer and the dispersant inside the photocured ceramic molded body may be removed. The first heat treatment may be performed at 80 to 700° C., or 100 to 600° C. for 2 to 15 hours, or 4 to 8 hours. In addition, by performing heat treatment while increasing the temperature step by step, it is possible to more easily remove impurities. The secondary heat treatment (sintering) can densify the ceramic wall. Through the secondary heat treatment, the adhesion between the ceramic walls may be improved. The secondary heat treatment may be performed at 1000 to 1500° C. for 1 minute to 5 hours. If the secondary heat treatment temperature is too high or the time is long, there is a risk that the chemical composition of the ceramic structure is changed.

상기 세라믹 구조체는 자이로이드 구조체라 표현할 수 있다. 자이로이드는 다공성 3차원 나노구조체를 의미하며 골대체제로서 사용이 유리한 생체 모방형 구조이다. 상기 자이로이드 구조체는 일축 방향으로 인장된 기공을 가지며 이로 인해 3 MPa 이상 또는 10 MPa 이상의 우수한 압축강도를 가질 수 있다.The ceramic structure may be expressed as a gyroid structure. Gyroid refers to a porous three-dimensional nanostructure, and is a biomimetic structure advantageous for use as a bone substitute. The gyroid structure has pores stretched in the uniaxial direction, and thus may have excellent compressive strength of 3 MPa or more or 10 MPa or more.

제조된 세라믹 구조체의 벽 두께는 180 ㎛ 내지 300 ㎛ 또는 200 ㎛ 내지 290 ㎛일 수 있으며, 구조체의 z축 신장율이 15~65%인 경우, 70~ 80%의 기공율, 작은 기공(즉, 세라믹 벽 사이의 간격(distance between ceramic walls)은 800 ㎛ 내지 1600 ㎛ 또는 900 ㎛ 내지 1400 ㎛)를 나타내었다. 이때, 15% 미만의 신장을 시킬 경우에는 원하는 얇은 벽을 구현해 내기 어려우며, 65% 이상의 신장을 시킬 경우, 빛의 산란으로 인한 세라믹의 브로드닝에 의해 기공이 막히는 등의 문제가 발생한다. The wall thickness of the prepared ceramic structure may be 180 μm to 300 μm or 200 μm to 290 μm, and when the z-axis elongation of the structure is 15 to 65%, porosity of 70 to 80%, small pores (that is, the ceramic wall The distance between ceramic walls was 800 μm to 1600 μm or 900 μm to 1400 μm). At this time, when the elongation is less than 15%, it is difficult to realize a desired thin wall, and when the elongation is more than 65%, there is a problem such as clogging of pores due to the broadening of the ceramic due to scattering of light.

본 발명은 광경화성 단량체, 세라믹 분말, 희석제, 분산제 및 광경화 개시제의 종류 및 함량을 최적화하여, 세라믹 기반 3D 프린팅 기술에 적용 가능하며, 저점도의 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 제공할 수 있다. 특히, 골 조직 재생용 생체세라믹 스캐폴드의 기공구조를 제어하며 기계적 강도를 증진시킬 수 있는 기공구조 디자인 및 이의 제조를 위한 세라믹 3D 프린팅 기술로, 3차원적으로 연결된 2개의 독립된 기공(세라믹 벽 사이 간격(distance between ceramic walls) 구조를 갖는 자이로이드(gyroid) 구조를 세라믹 스캐폴드에 적용하고자 하며, 특히 스캐폴드의 강도를 증진시키기 위해 기존의 균일한 자이로이드 구조가 아닌 일축 방향으로 인장(elongation)된 독특한 구조를 갖는 세라믹 스캐폴드를 디자인하고, 이의 제조를 위한 광경화 기반 세라믹 3D 프린팅 기술 (digital light processing, DLP)의 공정 최적화하였다. 이를 통해 기존의 기술에서 얻기 힘든, 매우 얇은 세라믹 벽과 작은 기공을 갖는 다공성 세라믹 스캐폴드 제조가 가능하여, 높은 기공율을 가짐과 동시에 높은 강도를 가짐과 동시에, 기공 구조의 설계에 따라 강도가 약 1.5~3배 증가할 수 있고 이의 제어 역시 가능한 기술이다.The present invention can be applied to ceramic-based 3D printing technology by optimizing the type and content of the photocurable monomer, ceramic powder, diluent, dispersant, and photocuring initiator, and can provide a low-viscosity photocurable ceramic slurry composition. In particular, it is a ceramic 3D printing technology for designing a pore structure that can control the pore structure of a bioceramic scaffold for bone tissue regeneration and enhance mechanical strength and its manufacturing, and is a technique for three-dimensionally connected two independent pores (between ceramic walls). It is intended to apply a gyroid structure having a distance between ceramic walls structure to a ceramic scaffold. In particular, in order to increase the strength of the scaffold, elongation in the uniaxial direction rather than the conventional uniform gyroid structure is used. We designed a ceramic scaffold with a unique structure and optimized the process of photo-curing-based ceramic 3D printing technology (digital light processing, DLP) for manufacturing it, through which very thin ceramic walls and small It is possible to manufacture a porous ceramic scaffold having pores, so it has high porosity and high strength, and at the same time, the strength can be increased by about 1.5 to 3 times depending on the design of the pore structure, and its control is also possible.

특히, 본 발명은 생체와 비슷한 형태를 가지며 골세포의 분화와 증식에 유리한 구조인 자이로이드 구조를 이용하여 높은 기공율과 높은 기계적 강도를 가져, 기존 골대체제로 사용되었던 다른 다공성 구조들의 기계적 강도가 약하다는 단점을 보완해준다.In particular, the present invention has a high porosity and high mechanical strength by using a gyroid structure that has a similar shape to a living body and is advantageous for the differentiation and proliferation of bone cells, so that the mechanical strength of other porous structures used as an existing bone substitute is weak. compensates for the shortcomings.

본 발명에서는 자이로이드 구조체가 매우 얇은 스트럿 두께와 작은 기공을 갖도록, 광경화 시 빛의 산란(scattering)에 의해 세라믹이 디자인보다 넓게 경화되는 현상(broadening)을 최소화 시켜주기 위해 프린팅 시 적층 두께를 얇게 설정함과 동시에 저점도의 광경화성 세라믹 슬리리 조성물을 이용하여, 기공 구조 제어를 통한 강도 증진된 자이로이드 구조를 가지는 세라믹 성형체 및 구조체를 제조할 수 있다. In the present invention, so that the gyroid structure has a very thin strut thickness and small pores; It is possible to prepare a ceramic molded body and a structure having a gyroid structure with improved strength through pore structure control by using the low-viscosity, photo-curable ceramic slime composition at the same time as setting.

또한, 본 발명의 상향식(bottom-up) 적층 방식의 DLP 3D 프린팅 기술은 기존의 전통적인 탑-다운(top-down) 적층 방식에 비해 용기(vat)에 슬러리를 부어 놓는 구조로 되어있으므로, 자동적인 세라믹 슬러리 공급이 가능하다. 이에 의해, 별도의 공급 시스템(feeding system)을 필요로 하지 않으며 공정을 단순화할 수 있다. 특히, 상향식 적층 방식은 버려지는 광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 양이 매우 적어 재료비적 측면에서의 절감이 가능하다. 또한, 기상용화된 DLP 프린터를 이용하여 다공성 자이로이드 구조체의 기공을 일축방향으로 인장시켜 다공체의 기계적 강도를 증가시켜 준다. 특히, 자이로이드 구조체를 z축 방면으로 늘려주어, 상향식 적층 방식의 프린터를 사용해 매우 얇은 스트럿(strut) 두께와 작은 기공을 가지는 자이로이드 구조의 세라믹 성형체를 제조할 수 있다.In addition, the DLP 3D printing technology of the bottom-up lamination method of the present invention has a structure in which the slurry is poured into the vat compared to the existing traditional top-down lamination method, so that automatic Ceramic slurry can be supplied. Thereby, a separate feeding system is not required and the process can be simplified. In particular, in the bottom-up stacking method, the amount of wasted photo-curable ceramic slurry composition is very small, so that material cost can be reduced. In addition, the mechanical strength of the porous body is increased by stretching the pores of the porous gyroid structure in the uniaxial direction using a vapor-solute DLP printer. In particular, by stretching the gyroid structure in the z-axis direction, a ceramic molded body having a gyroid structure having a very thin strut thickness and small pores can be manufactured using a bottom-up stacking printer.

본 발명에 따른 생체 자이로이드 구조의 세라믹 성형체는 뼈와 유사한 모양을 하고 있는 자이로이드 구조일 뿐만 아니라, 일축 방향으로 인장된 다공성 스캐폴드이므로, 다공성 구조이지만 소재의 기계적 물성(압축강도)가 획기적으로 증진된다. 또한, 기공 구조의 설계에 따라 강도를 조절할 수 있으므로 인공 뼈, 골조직 재생용 지지체(scaffold) 뿐만 아니라 다양한 구조와 형상을 갖는 고품질의 세라믹 소재 제조가 가능하며, 다양한 산업 분야(구조, 환경 및 에너지 등)에 적용 가능하다. The ceramic molded body having a biological gyroid structure according to the present invention is not only a gyroid structure having a bone-like shape, but also a porous scaffold stretched in the uniaxial direction. is promoted In addition, since the strength can be adjusted according to the design of the pore structure, it is possible to manufacture high-quality ceramic materials having various structures and shapes as well as artificial bones and scaffolds for bone tissue regeneration, and various industrial fields (structure, environment, energy, etc.) ) is applicable to

도 1은 본 실험에 사용된 변형된 자이로이드 구조체의 모식도와 그에 따른 측정 수치를 나타낸다[Distance between walls가 실질적인 기공을 의미하며, Interconnection size인 length, width는 자이로이드 unitcell을 정면에서 바라보았을 때 보이는 기공의 z, x축 길이를 의미하는 것으로 실질적 기공의 크기는 뜻하지는 않는다].
도 2는 세라믹 성형체의 결과를 나타내며, 이에 따른 측정 수치를 나타낸다.
도 3은 도 1의 모식도를 제조한 세라믹 성형체의 단면을 광학현미경을 측정한 이미지이다.
도 4는 세라믹 성형체의 TGA 결과를 나타내며, 이를 기반으로 탈지 조건을 수립하였다.
도 5는 세라믹 성형체의 소결 후 결과를 나타내며, 이에 따른 측정 수치를 나타낸다.
도 6은 세라믹 성형체의 윗면을 SEM으로 측정한 것이다.
도 7은 세라믹 성형체의 파단면을 SEM으로 측정한 것이다.
도 8은 세라믹 성형체의 압축 강도를 측정한 것이다.
도 9는 세라믹 성형체의 내부 모습을 μ-CT를 통해 측정한 것이다.
도 10은 세라믹 함량에 따른 세라믹 벽 두께를 측정한 것이다.
1 shows a schematic diagram of the modified gyroid structure used in this experiment and measurement values accordingly [Distance between walls means actual pores, and length and width, which are interconnection sizes, are shown when the gyroid unitcell is viewed from the front. It means the z-axis and x-axis length of the pore, not the actual pore size].
2 shows the results of the ceramic molded body, and shows measured values accordingly.
3 is an image obtained by measuring a cross-section of the ceramic molded body prepared in the schematic diagram of FIG. 1 under an optical microscope.
4 shows the TGA results of the ceramic molded body, and degreasing conditions were established based thereon.
5 shows the results after sintering of the ceramic compact, and shows measured values accordingly.
6 is a SEM measurement of the upper surface of the ceramic compact.
7 is a SEM measurement of the fracture surface of the ceramic molded body.
8 is a measurement of the compressive strength of the ceramic compact.
9 is a measurement of the inner appearance of the ceramic molded body through μ-CT.
10 is a measurement of the ceramic wall thickness according to the ceramic content.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims.

실시예Example

제조예 1: 광경화성 슬러리 조성물 제조Preparation Example 1: Preparation of photocurable slurry composition

하기 표 1의 조성 및 함량(g)을 가지는 광경화성 슬러리 조성물을 제조하였다. A photocurable slurry composition having the composition and content (g) of Table 1 was prepared.

상기 광경화성 슬러리 조성물은 상온(25 ℃)에서 제조되었다. The photocurable slurry composition was prepared at room temperature (25° C.).

구체적으로, 광경화성 단량체 및 희석제를 혼합하여 혼합물을 제조한 다음, 세라믹 분말(35 vol%) 및 분산제(세라믹 분말 대비 약 5 wt%)를 첨가하고, 40분 동안 shear mixer를 이용하여 혼합하였다. 또한 높은 해상도 구현을 위하여 inert dye 및 광경화 개시제를 첨가하고 10분 동안 shear mixer를 이용하여 섞어주었다. 이를 통해 매우 균일하게 복합화된 3D 프린팅용 광경화성 저점도(약 0.120 Pa·s) 세라믹 슬러리 조성물(35 vol% 세라믹 슬러리 조성물)을 제조하였다. Specifically, a mixture was prepared by mixing a photocurable monomer and a diluent, and then ceramic powder (35 vol%) and a dispersant (about 5 wt% relative to the ceramic powder) were added and mixed using a shear mixer for 40 minutes. In addition, inert dye and photocuring initiator were added to realize high resolution and mixed using a shear mixer for 10 minutes. Through this, a photo-curable low-viscosity (about 0.120 Pa·s) ceramic slurry composition (35 vol% ceramic slurry composition) for 3D printing that was highly uniformly complexed was prepared.

구분division 광경화성 단량체photocurable monomer 희석제diluent 세라믹 분말ceramic powder 분산제dispersant 광경화 개시제photocuring initiator 염료dyes HDDAHDDA CamphorCamphor BCPBCP BYK-2001BYK-2001 PPOPPO oil Red Ooil Red O 밀도
(g/cm3)
density
(g/cm 3 )
1.011.01 0.990.99 3.143.14 1.031.03 1.171.17 --
함량(g)Content (g) 1818 1212 55.2455.24 2.762.76 0.270.27 0.0050.005

- HDDA: 1,6 Hexanediol diacrylate(Sigma Aldrich, Germany), CAS#:13048-33-4 - HDDA: 1,6 Hexanediol diacrylate (Sigma Aldrich, Germany), CAS#: 13048-33-4

- Camphor: Camphor(96%)(Sigma Aldrich, Germany), CAS#: 76-22-2- Camphor: Camphor (96%) (Sigma Aldrich, Germany), CAS#: 76-22-2

- BCP(Biphasic calcium phosphate): 약 60 wt%의 수산화 인화석 (HA)과 40 wt%의 삼인산 인산염 (TCP)으로 구성된 0.5~0.8 ㎛의 평균 입자 크기의 BCP 파우더 (Sun Medical, Korea); 도면 상에는 CaP(calcium phosphate)로 표기됨. - Biphasic calcium phosphate (BCP): BCP powder with an average particle size of 0.5 to 0.8 μm composed of about 60 wt% of hydroxyphosphite (HA) and 40 wt% of triphosphate (TCP) (Sun Medical, Korea); Marked as CaP (calcium phosphate) on the drawing.

- BYK-2001(BYK USA Inc, Germany)- BYK-2001 (BYK USA Inc, Germany)

- PPO: Phenylbis(2, 4, 6-trimethyl benzoylphosphine oxide)(Sigma Aldrich, Germany)- PPO: Phenylbis (2, 4, 6-trimethyl benzoylphosphine oxide) (Sigma Aldrich, Germany)

- Oil Red O (Sigma Aldrich, Germany) CAS#:1320-06-5 [1-(2,5-디메틸-4-(2,5-디메틸페닐)페닐디아지닐)아조나프탈렌-2-올] - Oil Red O (Sigma Aldrich, Germany) CAS#:1320-06-5 [1-(2,5-dimethyl-4-(2,5-dimethylphenyl)phenyldiazinyl)azonaphthalen-2-ol]

제조예 2: 광경화성 슬러리 조성물을 사용한 세라믹 성형체 제조 Preparation Example 2: Preparation of a ceramic molded body using a photocurable slurry composition

제조예 1에서 제조된 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 사용하여 세라믹 성형체를 제조하였다. A ceramic molded body was prepared using the photocurable ceramic slurry composition prepared in Preparation Example 1.

구체적으로, 제조예에서 제조된 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 기상용화된 상향식(bottom-up) 적층 방식 프린터의 용기(vat)에 부어 주었다. 빌드 플레이트가 용기의 하면에서 프로그램화된 두께(25 ㎛)만큼 상승한 후, 하면에서 빔 프로젝터의 빔에 의한 부분적인 광경화(2.5초 경화, 자외선 세기 1.12W)에 의해 세라믹 성형층을 형성하였다. 이러한 세라믹 성형층의 형성 및 광경화는 빌드 플레이트의 상승에 연결되어 수행되었다. Specifically, the photo-curable ceramic slurry composition prepared in Preparation Example was poured into a vapor-solute bottom-up lamination type printer's vat. After the build plate was raised by a programmed thickness (25 μm) on the lower surface of the container, a ceramic molding layer was formed by partial photo-curing (2.5 seconds curing, UV intensity 1.12 W) by a beam of a beam projector on the lower surface. Formation and photocuring of such a ceramic molding layer was performed in connection with the elevation of the build plate.

실험예 1: 자이로이드 구조체 변형Experimental Example 1: Deformation of the gyroid structure

본 발명에서 도 1은 컴퓨터 프로그램을 통해 자이로이드 구조체를 만든 스캐메틱으로, 자이로이드 구조체를 변형시킨 모식도와 그에 따른 기공의 크기, 스트럿의 두께, 스트럿 간의 간격을 나타낸 것이다. 자이로이드 구조체를 일축 방향으로 인장시킬수록 기공의 길이는 길어지고 너비는 줄어들며, 스트럿 두께는 얇아지고 간격은 좁아짐을 확인할 수 있다. Magics 컴퓨터 프로그램을 이용하여 자이로이드 유닛셀의 두께를 140 ㎛까지 증가시켜 주었으며, 이를 z축 방향으로 120, 140, 160 % 늘리고 x, y축 방향으로는 줄여주어, 20, 40, 60 %의 유닛셀을 각각 제조한다. 늘리고 줄여주는 비율이 증가할수록 각 유닛셀의 두께는 140 ㎛에서 115, 100, 85 ㎛로 감소하며, 기공의 크기는 2350 um에서 1965, 1680, 1475 ㎛로 감소하게 된다. 이를 3D Max 프로그램을 이용하여 유닛셀들을 합치고 층층이 쌓아 올려 지름 1.5 cm, 높이 1.8 cm를 가지는 원기둥 모양으로 만들어 주었다. In the present invention, FIG. 1 is a schematic diagram of a gyroid structure made through a computer program, and shows a schematic diagram of the deformed gyroid structure, the size of the pores, the thickness of the strut, and the spacing between the struts. It can be seen that as the gyroid structure is stretched in the uniaxial direction, the length of the pores increases and the width decreases, and the thickness of the struts becomes thinner and the gap becomes narrower. Using the Magics computer program, the thickness of the gyroid unit cell was increased to 140 μm, which was increased by 120, 140, and 160 % in the z-axis direction and decreased by 20, 40, and 60 % in the x and y-axis directions. Each cell is prepared. As the ratio increases and decreases, the thickness of each unit cell decreases from 140 μm to 115, 100, and 85 μm, and the pore size decreases from 2350 μm to 1965, 1680, and 1475 μm. Using the 3D Max program, unit cells were combined and stacked layer by layer to form a cylindrical shape with a diameter of 1.5 cm and a height of 1.8 cm.

본 발명의 도 2는 35 vol%의 세라믹 슬러리를 이용하여, 자이로이드 구조체를 늘려주어 스트럿의 두께 및 스트럿 간의 간격 변화를 주어 제조한 스캐폴드 4종(0, 20, 40, 60 %)의 광학현미경 이미지와 이를 측정한 결과이다. 도 1에서 디자인된 0, 20, 40, 60%의 자이로이드 스캐폴드 파일을 기상용화된 DLP 장비에 적용하기 위해, 변환 프로그램을 이용하여 g-code로 바꿔준 후 저점도의 35 vol% 세라믹 슬러리를 사용해 프린팅 해준다. 프린팅 된 스캐폴드는 소니케이션을 이용하여 에탄올로 세척한 뒤, 상온에서 건조한 후, 24시간 동결건조 하였다. FIG. 2 of the present invention shows four types of scaffolds (0, 20, 40, 60%) manufactured by increasing the gyroid structure and changing the thickness and spacing between the struts by using a 35 vol% ceramic slurry. It is a microscopic image and the measurement result. In order to apply the 0, 20, 40, 60% gyroid scaffold file designed in FIG. 1 to the vaporized DLP equipment, it is converted into g-code using a conversion program and then 35 vol% ceramic slurry with low viscosity to print using The printed scaffolds were washed with ethanol using sonication, dried at room temperature, and then freeze-dried for 24 hours.

도 2는 도 1을 기반으로 프린팅한 결과로, 광학현미경 이미지와 SEM을 이용하여 스캐폴드의 상단부를 측정한 것이다. 광경화 시 일어나는 브로드닝 현상으로 인해 디자인 값과 실제 프린팅 값이 다름(실제 프린팅된 벽이 더 두꺼움)을 확인할 수 있다. 자이로이드를 일축방향으로 인장시킨 비율이 증가함에 따라 디자인의 스트럿 두께가 얇아지지만, 측정 결과에서는 비슷한 값이 나오는데, 이는 스트럿 간의 간격이 좁아질수록 빛의 중첩이 많이 일어나기 때문에 세라믹이 경화될 때 브로드닝(broadening)이 더 심하게 일어나기 때문이다. 세라믹 함량이 높은 슬러리를 사용할수록 빛의 산란(scattering)이 심하게 일어나 디자인보다 두껍게 제작되며, 프린팅 후 잔여 슬러리가 제거되지 않고 기공을 막는 클로깅(clogging) 현상이 일어날 수 있다. 이러한 현상이 발생하지 않도록 조절하며, 35 vol%의 세라믹 슬러리를 이용하여 프린팅 하였을 시 구현할 수 있는 최소한의 스트럿 두께인 약 308 ㎛을 가지며 약 1171 ㎛의 기공 크기를 갖는 변형된 자이로이드 성형체를 제조하였다. FIG. 2 is a result of printing based on FIG. 1 , measuring the upper end of the scaffold using an optical microscope image and SEM. It can be seen that the design value and the actual printing value are different (the actual printed wall is thicker) due to the broadening phenomenon that occurs during photocuring. As the ratio of stretching the gyroid in the uniaxial direction increases, the strut thickness of the design becomes thinner, but the measurement results show similar values. This is because broadening is more severe. As a slurry with a high ceramic content is used, light scattering occurs more severely, and the design is thicker than the design. After printing, the residual slurry is not removed and clogging may occur that clogs pores. A modified gyroid molded body having a pore size of about 1171 μm with a minimum strut thickness of about 308 μm, which is the minimum strut thickness that can be realized when printing using a 35 vol% ceramic slurry, was prepared. .

도 3은 35 vol% 세라믹 슬러리를 이용하여 적층 두께 25 ㎛로 도 1의 모식도를 제조한 세라믹 성형체의 단면을 광학현미경을 측정한 이미지이다. 자이로이드 유닛셀을 일축 방향으로 인장(elonagtion) 시킨 비율이 증가할수록 자이로이드를 이루는 면과 면 사이의 간격이 좁아짐을 확인할 수 있다. 또한 단면 사진에서 보이는 것과 같이 x, z축 방향으로 생긴 단면적인 기공의 모양 또한 x축 방향으로는 좁아지고 z축 방향으로는 늘어남을 확인할 수 있다. FIG. 3 is an optical microscope image of a cross-section of a ceramic molded body prepared in the schematic diagram of FIG. 1 with a stacking thickness of 25 μm using a 35 vol% ceramic slurry. It can be seen that as the ratio of elonagtion of the gyroid unit cell in the uniaxial direction increases, the distance between the surfaces constituting the gyroid becomes narrower. In addition, as shown in the cross-sectional photo, it can be confirmed that the shape of the cross-sectional pores formed in the x- and z-axis directions is also narrowed in the x-axis direction and stretched in the z-axis direction.

실험예 2: 세라믹 성형체의 물성 측정Experimental Example 2: Measurement of physical properties of ceramic compacts

기상용화된 상향식(bottom-up type) 적층 방식의 3D 프린터로 35 vol% 세라믹 슬러리를 사용해 세라믹 구조체를 프린팅 해주었다. 이를 소니케이션을 이용해 에탄올로 세척한 뒤, 상온에서 건조하였다. 건조된 세라믹 구조체로 TGA (Thermogravimetric analysis)를 진행한 후, 이를 통하여 시편의 탈지 공정 및 소결 스케쥴을 확립하였다. 도 4는 세라믹 구조체의 TGA 결과와 소결 스케쥴을 나타낸다. 탈지 공정은 무게의 변화가 많은 두 개의 지점 (365 ℃ 와 415 ℃)를 기준으로 진행되었다. 1 ℃/min의 속도로 각 지점까지 천천히 온도를 올리며 온도 유지 시간(dwelling time)은 각 2시간씩 지정하였다. 또한 세라믹의 그레인 사이즈의 급격한 성장을 억제하기 위하여 600 ℃에서 가소결을 진행하였으며, 최종 소결 온도는 1200 ℃에서 3시간을 진행하였다.A ceramic structure was printed using a 35 vol% ceramic slurry with a vaporized bottom-up type 3D printer. This was washed with ethanol using sonication, and then dried at room temperature. After TGA (Thermogravimetric analysis) was performed with the dried ceramic structure, the degreasing process and the sintering schedule of the specimen were established through this. 4 shows the TGA result and the sintering schedule of the ceramic structure. The degreasing process was carried out based on two points (365 ℃ and 415 ℃) with a large change in weight. The temperature was slowly raised to each point at a rate of 1 °C/min, and the dwelling time was designated for 2 hours each. In addition, in order to suppress the rapid growth of the grain size of the ceramic, pre-sintering was performed at 600 °C, and the final sintering temperature was 1200 °C for 3 hours.

도 5는 이렇게 소결한 후 세라믹 성형체의 모습을 광학현미경으로 확인한 이미지와 SEM으로 스트럿의 두께, 스트럿 간의 간격을 측정한 값이다. 적층면의 층 분리, 결함 없이 성형체의 구조를 유지하면서 잘 소결되었으며, 0, 20, 40, 60 % 모두 비슷한 비율로 수축되었음을 확인할 수 있다. 최소 두께는 약 234 ㎛이며 기공(자이로이드 면과 면 사이가 이루는 간격, 벽 사이의 간격)은 941 ㎛로 작은 수준으로 제조되었음을 확인할 수 있다.5 is an image obtained by confirming the appearance of the ceramic compact after sintering in this way with an optical microscope, and a value obtained by measuring the thickness of the struts and the spacing between the struts by SEM. It can be seen that the laminated surface was sintered well while maintaining the structure of the molded body without layer separation and defects, and it was confirmed that 0, 20, 40, and 60% were all shrunk at a similar rate. The minimum thickness is about 234 μm, and it can be seen that the pores (the gap between the gyroid face and the face, the gap between the walls) are manufactured at a small level of 941 μm.

도 6은 1200 ℃에서 소결된 각 군의 세라믹 성형체들의 상단부를 SEM을 이용하여 측정한 것이다. 자이로이드를 축 방향으로 인장(elongation)시킨 비율이 증가할수록 strut의 두께가 얇아지고, strut간의 간격 또한 얇아짐을 확인할 수 있다. 6 is a view showing the upper end of each group of ceramic compacts sintered at 1200° C. using SEM. It can be seen that as the ratio of elongation of the gyroid in the axial direction increases, the thickness of the strut becomes thinner and the spacing between the struts also becomes thinner.

실험예 3: 세라믹 성형체의 치밀화(densification) 측정 Experimental Example 3: Measurement of densification of ceramic compacts

슬러리 조성물 내의 세라믹 함량을 35 vol%의 세라믹 슬러리로 제조되는 세라믹 성형체의 치밀화를 측정하였다. 제조된 세라믹 성형체의 파단면을 SEM을 이용하여 1000배율, 4000배율의 고배율로 측정하였다. Densification of the ceramic compact prepared with the ceramic slurry of 35 vol% was measured for the ceramic content in the slurry composition. The fracture surface of the prepared ceramic molded body was measured at high magnifications of 1000 times and 4000 times using SEM.

도 7은 1200 ℃에서 소결된 세라믹 성형체의 치밀화(densification)을 SEM을 이용하여 측정한 것이다. 35 vol%의 세라믹 슬러리를 사용하였기 때문에, residual pore가 많이 생겨 치밀도가 낮음을 확인할 수 있다. 7 is a measurement of densification of a ceramic compact sintered at 1200° C. using SEM. Since the ceramic slurry of 35 vol% was used, it can be confirmed that there are many residual pores and the density is low.

실험예 4: 세라믹 성형체의 기공율 및 강도 측정 Experimental Example 4: Measurement of Porosity and Strength of Ceramic Formed Body

제조예에서 제조된 자이로이드의 신장율에 따른 세라믹 성형체의 기공율을 측정하였다. 세라믹 성형체의 기공율은 아르키메데스, 질량과 부피를 이용하여 측정하는 방법, μ-CT를 이용하여 측정하는 방법이 있는데, 본 실험에서는 μ-CT를 이용하여 기공율을 측정하였다.The porosity of the ceramic formed body according to the elongation of the gyroid prepared in Preparation Example was measured. The porosity of the ceramic molded body has Archimedes, a method of measuring using mass and volume, and a method of measuring using μ-CT. In this experiment, the porosity was measured using μ-CT.

구체적으로, 제조예 1에서 제조된 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 사용하여 자이로이드의 신장율에 따른 4가지 스캐폴드의 다음 표 2의 기공율을 가지는 스캐폴드를 제조하였다. 그리고, 상기 스캐폴드에 대하여 압축강도 및 물성평가를 진행하였다.Specifically, by using the photocurable ceramic slurry composition prepared in Preparation Example 1, scaffolds having the porosity shown in Table 2 of the following 4 scaffolds according to the elongation of the gyroid were prepared. Then, compressive strength and physical properties were evaluated for the scaffold.

다음 표 2는 자이로이드의 신장율에 따른 기공율(porosity)를 측정한 결과이다. 자이로이드를 일축방향으로 인장시켜준 비율이 증가할수록 기공율은 감소하였는데, 이는 빛의 산란(scattering)에 의해 광경화 시 세라믹 슬러리가 디자인보다 넓게 나타나는 현상(broadening)에 의해 감소한 것으로 설명할 수 있다.Table 2 below shows the results of measuring the porosity according to the elongation of the gyroid. As the ratio of stretching the gyroid in the uniaxial direction increased, the porosity decreased, which can be explained by the decrease due to broadening in which the ceramic slurry appears wider than the design during photocuring due to scattering of light.

Figure pat00001
Figure pat00001

본 발명에서 도 8은 제조된 세라믹 성형체의 기계적 강도를 평가한 결과이다. 소결된 성형체로 시험을 하였으며, 압축강도 측정 시 수평을 맞추기 위하여 성형체의 상하단부에 파라핀 왁스를 발라주었다. 1mm/min의 속도로 성형체의 적층면에 수직으로 압축 시험을 진행하였으며, 각 군(0, 20, 40, 60%)당 8개씩 측정하여 평균값을 구하였다. 일축 방향으로 인장(elongation)시킨 비율이 증가함에 따라 압축 강도가 최소 약 3.75 MPa에서 최대 약 11.47 MPa로 약 3배 정도 증가하며, 기공 구조의 설계에 따라 기계적 강도의 제어가 가능함을 확인할 수 있다. 또한, 도 9는 μ-CT로 성형체의 내부를 확인한 이미지이다. 스트럿 간격이 매우 좁고, 기공의 크기가 작음에도 불구하고 구조적 결함과 클로깅(clogging) 현상 없이 잘 제조되었음이 확인되었다. In the present invention, FIG. 8 is a result of evaluating the mechanical strength of the manufactured ceramic compact. The test was conducted with a sintered compact, and paraffin wax was applied to the upper and lower parts of the compact to level the compressive strength. A compression test was performed perpendicularly to the laminated surface of the molded article at a speed of 1 mm/min, and 8 measurements were taken for each group (0, 20, 40, 60%) to obtain an average value. As the elongation ratio in the uniaxial direction increases, the compressive strength increases about three times from a minimum of about 3.75 MPa to a maximum of about 11.47 MPa, and it can be seen that the mechanical strength can be controlled according to the design of the pore structure. Also, FIG. 9 is an image confirming the inside of the molded body by μ-CT. Although the strut spacing was very narrow and the size of the pores was small, it was confirmed that the struts were well manufactured without structural defects and clogging.

따라서, bottom-up 방식의 DLP 장비를 이용하여 약 190~300 ㎛의 벽을 가지는 복잡형상 세라믹 구조체를 제조하였고, 낮은 점도의 세라믹 슬러리를 사용하여 기공의 크기가 매우 작음에도 불구하고 잔류 슬러리 제거가 용이하게 하였다.Therefore, a complex-shaped ceramic structure having a wall of about 190 to 300 μm was manufactured using the bottom-up DLP equipment, and the residual slurry removal was difficult even though the pore size was very small by using a ceramic slurry of low viscosity. made it easy

다공체의 기계적 강도가 약하다는 단점을 보완시키기 위해, 기공이 일축방향으로 인장된 자이로이드 구조를 제조하였으며, 기공을 일축방향으로 인장시켜 준다면 기존 자이로이드에 비해 더 큰 기계적 물성을 가짐을 확인하였다.In order to compensate for the weak mechanical strength of the porous body, a gyroid structure in which pores are uniaxially tensioned was prepared.

실험예 5: 세라믹 함량에 따른 브로드닝(broadening) 측정Experimental Example 5: Measurement of broadening according to ceramic content

세라믹 분말의 함량에 따라 제조되는 세라믹 성형체의 물성을 측정하였다. 슬러리 조성물 내의 세라믹 함량을 40 vol%로 조절한 것을 제외하고는 제조예의 방법으로 세라믹 성형체를 제조하였다. The physical properties of the ceramic compact produced according to the content of the ceramic powder were measured. A ceramic compact was prepared by the method of Preparation Example except that the ceramic content in the slurry composition was adjusted to 40 vol%.

세라믹 함량(vol%)이 높아질수록 세라믹이 광경화될 때 디자인 보다 넓게 경화되는 현상인 브로드닝(broadening)에 대한 실험을 실시하였다. 35 vol%를 사용한 이유를 뒷받침하기 위해 진행한 실험이며, 35 vol%, 40 vol%의 세라믹 슬러리를 이용하여 같은 디자인의 171, 228, 285 ㎛의 지름을 가지는 원기둥을 프린팅한 후, SEM으로 디자인 대비 증가율을 측정하였다. As the ceramic content (vol%) increases, an experiment on broadening, which is a phenomenon in which the ceramic is cured more widely than the design when photocured, was conducted. This experiment was conducted to support the reason for using 35 vol%, and after printing cylinders with diameters of 171, 228, and 285 μm of the same design using ceramic slurry of 35 vol% and 40 vol%, design by SEM Contrast increase rate was measured.

도 10은 세라믹 함량이 35 vol%일 때와 40 vol%일 때의 브로드닝(broadening) 결과를 비교하였으며, 초기 디자인이 171, 228, 285 ㎛일 때 프린팅한 결과이다. 10 is a comparison of the results of broadening when the ceramic content is 35 vol% and 40 vol%, and is the result of printing when the initial design is 171, 228, 285 μm.

그래프에서 확인할 수 있듯이 40 vol%에서 35 vol% 보다 더 큰 값이 측정되었다.As can be seen from the graph, a value greater than 35 vol% was measured at 40 vol%.

현재 실험의 가장 얇은 세라믹 벽(elongation 60%)의 두께는 디자인상 85 ㎛이므로, 그래프 상에는 나와있지 않지만 경향성으로 볼 때 35 vol%의 슬러리를 사용하는 것이 40 vol% 슬러리를 사용하는 것보다 벽이 얇게 프린팅 될 것이라고 예상할 수 있다. The thickness of the thinnest ceramic wall (elongation 60%) in the current experiment is 85 µm by design, so it is not shown on the graph, but in terms of the trend, using a 35 vol% slurry is better than using a 40 vol% slurry. It can be expected that it will be printed thinly.

따라서 얇은 벽을 구현하고자 하는 목표를 실현하기 위해 35 vol%의 저점도 슬러리를 사용하였다.Therefore, in order to realize the goal of realizing a thin wall, a low-viscosity slurry of 35 vol% was used.

Figure pat00002
Figure pat00002

Claims (13)

세라믹 분말, 광경화성 단량체, 희석제로 캠퍼(camphor), 분산제 및 광경화 개시제를 포함하고,
광경화성 세라믹 슬러리 조성물에서 상기 세라믹 분말의 부피는 30 내지 39 vol%인 기공 구조 제어를 통한 강도가 증진되며, 일축 방향으로 인장(elongation)된 자이로이드 구조의 세라믹 스캐폴드 제조용 광경화성 세라믹 슬러리 조성물.
Ceramic powder, a photocurable monomer, including camphor as a diluent, a dispersant and a photocuring initiator,
In the photocurable ceramic slurry composition, the volume of the ceramic powder is 30 to 39 vol%, the strength is enhanced through control of the pore structure, and the photocurable ceramic slurry composition for manufacturing a ceramic scaffold having a gyroid structure elongated in the uniaxial direction.
제 1 항에 있어서,
세라믹 분말은 수산화인회석(Hydroxy Apatite; HA), 불소 함유 수산화인회석(Fluoridated Hydroxy Apatite, FHA), 삼인산칼슘(tricalciumphosphate, TCP), BCP(biphasic calcium phosphate), 알루미나(alumina), 지르코니아(zirconina), 실리카(silica) 및 바이오글래스로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 광경화성 세라믹 슬러리 조성물.
The method of claim 1,
Ceramic powder is hydroxyapatite (HA), fluorine-containing hydroxyapatite (FHA), tricalciumphosphate (TCP), BCP (biphasic calcium phosphate), alumina, zirconia, silica (silica) and a photocurable ceramic slurry composition comprising at least one selected from the group consisting of bioglass.
제 1 항에 있어서,
광경화성 단량체는 1,6-헥산디올 디아크릴레이트(1,6-hexanediol diacrylate, HDDA), 우레탄 디메타크릴레이트(Diurethane dimethacrylate, UDMA), 아크릴로일 모르폴린(Acryloyl morpholine) 및 트리에틸렌글리콜 디메타크릴레이트(Triethylene glycol dimethacrylate, TEGDMA)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 광경화성 세라믹 슬러리 조성물.
The method of claim 1,
The photocurable monomer is 1,6-hexanediol diacrylate (HDDA), urethane dimethacrylate (UDMA), acryloyl morpholine (Acryloyl morpholine) and triethylene glycol diacrylate A photocurable ceramic slurry composition comprising at least one selected from the group consisting of methacrylate (Triethylene glycol dimethacrylate, TEGDMA).
제 1 항에 있어서,
광경화성 단량체와 희석제의 중량비는 5 내지 7 : 4인 광경화성 세라믹 슬러리 조성물.
The method of claim 1,
A photo-curable ceramic slurry composition wherein the weight ratio of the photo-curable monomer and the diluent is 5 to 7: 4.
제 1 항에 있어서,
분산제는 알킬암모늄염 공중합체 화합물, 폴리에스터/폴리에테르(Polyester/polyether)계 화합물, 인산(Phosphoric acid)기를 함유한 공중합체 및 아민기를 가지는 공중합체로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 광경화성 세라믹 슬러리 조성물.
The method of claim 1,
The dispersant comprises at least one selected from the group consisting of an alkylammonium salt copolymer compound, a polyester/polyether-based compound, a copolymer containing a phosphoric acid group, and a copolymer having an amine group. Martian Ceramic Slurry Composition.
제 1 항에 있어서,
광경화 개시제는 페닐비스(2,4,6-트리메틸 벤조일포스핀 옥사이드) (PPO), 1-하이드록시-사이클로헥실-펜닐-케톤, 2-하이드록시-2-메틸-1-페닐-1-프로판온, 2-히드록시-1-[4-(2-하이드록시에톡시)페닐]-2-메틸-1-프로판온, 메틸벤조일포르메이트, 옥시-페닐-아세트산-2-[2-옥소-2-페닐-아세톡시-에톡시]-에틸 에스테르, 옥시-페닐-아세트산-2-[2-하이드록시-에톡시]-에틸 에스테르, 알파-디메톡시-알파-페닐아세토페논, 2-벤질-2-(디메틸아미노)1-[4-(4-모르폴리닐) 페닐]-1-부타논, 2-메틸-1-[4-(메틸티오)페닐]-2-(4-모르폴리닐)-1-프로판온 및 디페닐(2,4,6-트리메틸벤조일)-포스핀 옥사이드로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 것인 광경화성 세라믹 슬러리 조성물.
The method of claim 1,
The photocuring initiator is phenylbis(2,4,6-trimethyl benzoylphosphine oxide) (PPO), 1-hydroxy-cyclohexyl-pennyl-ketone, 2-hydroxy-2-methyl-1-phenyl-1- Propanone, 2-hydroxy-1-[4-(2-hydroxyethoxy)phenyl]-2-methyl-1-propanone, methylbenzoylformate, oxy-phenyl-acetic acid-2-[2-oxo -2-phenyl-acetoxy-ethoxy]-ethyl ester, oxy-phenyl-acetic acid-2-[2-hydroxy-ethoxy]-ethyl ester, alpha-dimethoxy-alpha-phenylacetophenone, 2-benzyl -2-(dimethylamino)1-[4-(4-morpholinyl)phenyl]-1-butanone, 2-methyl-1-[4-(methylthio)phenyl]-2-(4-morpholyl) A photocurable ceramic slurry composition comprising at least one selected from the group consisting of nyl)-1-propanone and diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)-phosphine oxide.
제 1 항에 있어서,
염료를 추가로 포함하며,
염료는 벤조퍼퓨린benzopurpurin), 브로모페놀블루(Bromophenol blue), 인도시아닌 그린(Indocyanine green), 알시안 블루(Alcian blue) 또는 오일 레드 오(Oil Red O)인 광경화성 세라믹 슬러리 조성물.
The method of claim 1,
It further contains a dye,
The dye is benzopurpurin benzopurpurin), bromophenol blue (Bromophenol blue), indocyanine green (Indocyanine green), Alcian blue (Alcian blue) or oil red O (Oil Red O) photocurable ceramic slurry composition.
제 1 항에 있어서,
광경화성 세라믹 슬러리 조성물의 온도는 10 ℃ 내지 70℃인 광경화성 세라믹 슬러리 조성물.
The method of claim 1,
The temperature of the photo-curable ceramic slurry composition is 10 ℃ to 70 ℃ photo-curable ceramic slurry composition.
제 1 항에 따른 광경화성 세라믹 슬러리 조성물을 용기(vat)에 채우는 단계;
빌드 플레이트(bulid plate)가 용기의 하면에서 프로그램화된 두께만큼 상승하고, 용기 하부에서 조사되는 자외선에 의해 상기 광경화성 세라믹 슬러리 조성물이 프로그램화된 형상으로 경화되어 세라믹 성형층을 형성하는 단계; 및
상기 빌드 플레이트의 상승 및 자외선에 의한 세라믹 성형층의 형성이 반복적으로 수행되어 세라믹 성형체를 형성하는 단계;를 포함하는 세라믹 성형체의 제조 방법.
filling a vat with the photocurable ceramic slurry composition according to claim 1;
forming a ceramic molding layer by raising a build plate by a programmed thickness from the bottom of the container, and curing the photocurable ceramic slurry composition into a programmed shape by ultraviolet rays irradiated from the bottom of the container; and
The method of manufacturing a ceramic molded body comprising a; the step of forming the ceramic molded body by repeatedly performing the rising of the build plate and the formation of the ceramic molding layer by ultraviolet rays.
제 9 항에 있어서,
세라믹 성형체의 벽 두께는 180 ㎛ 내지 300 ㎛이고, 세라믹 벽 사이의 간격은 800 ㎛ 내지 1600 ㎛인 세라믹 성형체의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
A method for producing a ceramic compact, wherein the wall thickness of the ceramic compact is 180 µm to 300 µm, and the spacing between the ceramic walls is 800 µm to 1600 µm.
제 9 항에 있어서,
조사되는 자외선의 세기는 1 내지 5 W인 세라믹 성형체의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
The intensity of the irradiated ultraviolet light is 1 to 5 W method of manufacturing a ceramic molded body.
제 9 항에 있어서,
세라믹 성형체를 열처리하는 단계를 추가로 포함하는 것인 세라믹 성형체의 제조 방법.
10. The method of claim 9,
Method for producing a ceramic compact further comprising the step of heat-treating the ceramic compact.
제 12 항에 있어서,
열처리는 80 ℃ 내지 700℃에서 2 내지 15 시간 동안 1차 열처리를 수행한 후, 1000 ℃ 내지 1500℃에서 1 내지 5 시간 동안 2차 열처리(소결)를 수행하는 것인 세라믹 성형체의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
Heat treatment is a method of manufacturing a ceramic molded body to perform a primary heat treatment for 2 to 15 hours at 80 ° C. to 700 ° C., and then performing a secondary heat treatment (sintering) at 1000 ° C. to 1500 ° C. for 1 to 5 hours.
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