KR20230084355A - 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터 및 그 동결 경화 방법 - Google Patents

바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터 및 그 동결 경화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터 및 그 동결 경화 방법에 관한 것이다. 상기 바이오 프린터는, 프린팅 챔버 내에서 바이오 물질을 토출하는 복수의 디스펜서; 상기 디스펜서 하부에 배치되어 토출된 바이오 물질이 안착되는 출력 플레이트 모듈; 상기 출력 플레이트 모듈을 냉각시키기 위한 적어도 하나 이상의 펠티어 소자, 및 상기 펠티어 소자의 발열면 측에 제공되어 상기 펠티어 소자로부터 발생되는 열을 방열하기 위해 냉각수가 순환하는 냉각수 유로가 형성된 워터블럭을 구비한 냉각 모듈; 상기 냉각 모듈에 냉각수를 제공하기 위한 냉각수 제공 모듈; 상기 출력 플레이트 모듈의 출력면의 온도를 계산하기 위해 상기 냉각 모듈에 제공되는 온도 센서; 상기 디스펜서의 동작을 제어하여 출력물을 프린팅하기 위한 출력 제어부; 및 상기 출력 제어부에 의해 상기 출력물의 프린팅이 완료되면, 상기 온도 센서로부터 센싱값을 수신하고 상기 냉각 모듈 및 상기 냉각수 제공 모듈을 제어하여 상기 출력물을 동결 경화시키는 출력물 경화 제어부를 포함할 수 있다.

Description

바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터 및 그 동결 경화 방법{BIO PRINTER TO WHICH BIOMATERIAL FREEZE-HARDENING METHOD IS APPLIED AND FREEZE-HARDENING METHIOD THEREOF}
본 발명은 바이오 프린터가 출력한 바이오 물질을 출력면상에서 동결 경화시켜 토출된 바이오 물질의 형태를 유지할 수 있도록 하는, 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터 및 그 동결 경화 방법에 관한 것이다.
최근 조직공학과 재생의학의 연구분야 및 맞춤 의료서비스에 대한 수요가 증가함에 따라 바이오 재료를 이용한 3차원 프린터에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
공지의 3차원 프린터는 XYZ축을 구성하는 프레임과 바이오 재료의 토출을 위한 노즐을 포함한다. 이러한 종래의 프린터는 액체 디스펜서에 콜라겐, 젤라틴 등의 점성이 있는 유체 상태의 바이오 물질을 채워 넣는다. 상기 액체 디스펜서에 채워진 유체 상태의 바이오 물질은 노즐을 통해 출력판에 토출된다.
다만, 바이오 재료가 유체 상태가 아닌 고체 상태인 경우에는 노즐을 고온으로 가열하여 바이오 물질을 유동 가능한 형태로 토출해야 한다. 따라서, 유체 상태의 바이오 물질과 고체 상태의 바이오 물질을 함께 사용하기 위해서는 노즐을 가열한 후 식히는 과정이 반복되므로 노즐에 과부하가 걸리게 된다.
이를 해결하기 위하여, 한국 등록특허 제10-1828345호에는 스캐폴드(scaffold) 및 기타 구조물을 형성하는 고체 상태의 바이오 물질을 용융하여 토출하는 제1 디스펜서와, 유체 상태의 바이오 물질을 출력하는 제2 디스펜서를 각각 구비한 바이오 3차원 프린터가 개시되어 있다.
상기 등록특허에는, 고체 상태의 바이오물질과 액체 상태의 바이오물질을 하나의 구조물로 혼합 적층시키는 방식이 개시되어 있다. 상기 혼합 적층의 예로는, PCL 바이오 재료 등의 바이오 재료로 출력면 상에 스캐폴드를 형성한 후, 상기 스캐폴드 내에 액체 바이오잉크을 채우도록 출력하는 방식이 있다.
그러나, 액체 바이오잉크는 유동성이 크기 때문에 그 형태가 쉽게 흐트지게 된다. 바이오 물질로 생체의 특정 부분에 맞는 형태를 만든 후, 이를 생체에 적용하여야 바이오 물질이 생체 내에서 제 기능을 수행할 수 있는데, 출력면에 토출된 바이오물질의 형태가 흐트러지면 이를 생체에 적용하기가 어렵다.
따라서, 바이오 프린터의 디스펜서 중, 유체 상태의 바이오 물질을 토출하는 디스펜서로부터 토출된 바이오 물질이 출력면 상에서 그 형태를 유지하면서 생체에 적용될 수 있도록 하는 장치가 요구된다.
한국 등록특허 제10-1828345호(2018.03.29. 공고)
본 발명의 목적은 바이오 프린터의 디스펜서 중, 유체 상태의 바이오 물질을 토출하는 디스펜서로부터 토출된 바이오 물질이 출력면상에서 바로 경화하여 그 형태를 유지하면서 생체에 적용될 수 있도록 하는, 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터 및 그 동결 경화 방법에 관한 것이다.
위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 측면은 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터에 관한 것이다. 상기 바이오 프린터는, 프린팅 챔버 내에서 바이오 물질을 토출하는 복수의 디스펜서; 상기 디스펜서 하부에 배치되어 토출된 바이오 물질이 안착되는 출력 플레이트 모듈; 상기 출력 플레이트 모듈을 냉각시키기 위한 적어도 하나 이상의 펠티어 소자, 및 상기 펠티어 소자의 발열면 측에 제공되어 상기 펠티어 소자로부터 발생되는 열을 방열하기 위해 냉각수가 순환하는 냉각수 유로가 형성된 워터블럭을 구비한 냉각 모듈; 상기 냉각 모듈에 냉각수를 제공하기 위한 냉각수 제공 모듈; 상기 출력 플레이트 모듈의 출력면의 온도를 계산하기 위해 상기 냉각 모듈에 제공되는 온도 센서; 상기 디스펜서의 동작을 제어하여 출력물을 프린팅하기 위한 출력 제어부; 및 상기 출력 제어부에 의해 상기 출력물의 프린팅이 완료되면, 상기 온도 센서로부터 센싱값을 수신하고 상기 냉각 모듈 및 상기 냉각수 제공 모듈을 제어하여 상기 출력물을 동결 경화시키는 출력물 경화 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 출력 플레이트 모듈은, 상기 펠티어 소자 위에 배치되어 상기 펠티어 소자에 의해 냉각되는 냉각 베드; 및 상기 냉각 베드 상에 탈착 가능하게 장착되는 매트릭스 플레이트를 포함하며, 상기 매트릭스 플레이트의 상면에는, 표면에 상기 토출된 바이오물질이 안착되는 생체적합성 소재의 필름이 점착성에 의해 탈착 가능하게 부착될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 복수의 디스펜서는, 상기 출력물의 외곽을 정의하는 스캐폴드를 출력하는 제1 디스펜서; 및 상기 스캐폴드 내부에 유체 형태의 바이오 물질을 출력하는 제2 디스펜서를 포함하며, 상기 필름은 상기 제1 디스펜서에 의해 출력되는 바이오 물질에 의해 부분적으로 용융되면서 상기 스캐폴드는 상기 필름에 융착 고정되어, 상기 제2 디스펜서에 의해 출력된 유체 형태의 바이오 물질은 상기 스캐폴드와 상기 필름 사이의 계면을 통해 유출되지 않도록 설계될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 스캐폴드 및 상기 유체 형태의 바이오 물질로 형성되어 동결 경화된 상기 출력물은, 포유동물 또는 인간의 조직이나 기관의 환부 또는 외상(trauma)에 이식되는 패치일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 환부는 당뇨병성 족부 궤양, 연골의 마모가 발생되었거나 화상 또는 창상의 외상이 발생된 환부일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 냉각 베드에는 서로 대향하는 위치에, 장착된 상기 매트릭스 플레이트를 고정하기 위한 제1 고정면 및 제2 고정면을 구비하고, 상기 매트릭스 플레이트에는 상기 냉각 베드로부터 이격된 위치로 연장된 손잡이가 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제2 고정면은 상기 프린팅 챔버의 도어를 향한 방향으로 형성되고, 상기 제2 고정면에는 상기 손잡이가 끼워지는 끼움 공간이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 펠티어 소자의 상면과 상기 냉각 베드의 하면 사이, 및 상기 펠티어 소자의 하면과 상기 워터블럭의 상면 사이에는 각각 서멀 그리스층이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 펠티어 소자와 상기 워터블럭 사이에는 펠티어 지지부가 형성되며, 상기 펠티어 지지부에는 상면에 상기 펠티어 소자들이 끼워지는 서로 이격된 복수개의 홈이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 냉각수 제공 모듈은, 냉각수를 저장하며 상기 워터블럭으로부터 순환하는 냉각수를 제공받는 냉각수 탱크; 상기 냉각수 탱크에 연결된 냉각수 펌프; 일측이 상기 냉각수 펌프에 연결되고 타측이 상기 워터블럭에 연결되며, 냉각수 순환 유로가 형성된 라디에이터; 및 상기 라디에이터에서 발생되는 열을 방열하기 위한 라디에이터 팬을 구비할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 냉각수 제공 모듈이 설치되는 챔버 외부 공간이 상기 프린팅 챔버 내부 공간과 분리되어 형성되며, 상기 챔버 외부 공간에는, 상기 챔버 외부 공간 내에서 발생하는 열을 상기 바이오 프린터 외부로 배출하기 위한 적어도 하나의 덕트 팬; 외부 공기가 상기 챔버 외부 공간 내로 주입되는 외부공기 흡입구; 및 외부에서 상기 냉각수 탱크에 냉각수를 공급하기 위해 개폐 가능하게 형성되며, 상기 냉각수 탱크의 냉각수 주입구 상부에 형성된 냉각수 보충 도어를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 출력물 경화 제어부는, 상기 펠티어 소자를 가동하면서 상기 냉각수 펌프, 상기 라디에이터 팬, 및 상기 덕트 팬을 가동하며, 상기 출력면의 온도가 설정 온도까지 냉각되어 상기 출력물이 동결 경화되면 상기 펠티어 소자의 가동을 중단하며, 상기 펠티어 소자의 가동 중단 후, 상기 냉각수 펌프, 상기 라디에이터 팬, 및 상기 덕트 팬을 설정 시간 동안 추가 가동하여 상기 펠티어 소자의 잔여 열을 제거할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 출력물 경화 제어부는, 상기 출력면의 온도가 -1℃ 내지 -20℃ 중 설정 온도가 되도록 상기 펠티어 소자의 가동을 제어할 수 있다.
본 발명의 제2 측면은 바이오 프린터의 바이오 물질 동결 경화 방법에 관한 것이다. 상기 방법은, 복수의 디스펜서; 출력 플레이트 모듈; 펠티서 소자를 구비한 냉각 모듈; 상기 냉각 모듈에 제공된 온도 센서; 냉각수 탱크, 냉각수 펌프, 라디에이터, 및 라디에이터 팬을 구비한 냉각수 제공 모듈; 외부로 열을 배출하기 위한 덕트 팬; 출력 제어부; 및 출력물 경화 제어부를 포함하는 바이오 프린터의 바이오 물질 동결 경화 방법으로서, (a) 상기 출력 제어부가 상기 복수의 디스펜서를 통해 프린팅 챔버 내에서 바이오 물질을 토출하여 출력물을 형성하는 단계; (b) 상기 펠티어 소자를 가동하면서, 상기 냉각수 펌프, 상기 라디에이터 팬, 및 상기 덕트 팬을 가동하는 단계; 및 (c) 상기 온도 센서에 의해 센싱된 센싱값을 기초로 계산된 상기 출력 플레이트 모듈의 출력면의 온도가 설정 온도까지 냉각되어 상기 출력물이 동결 경화되면 상기 펠티어 소자의 가동을 중단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 복수의 디스펜서는 제1 디스펜서 및 제2 디스펜서를 포함하며, 상기 출력 플레이트 모듈의 상면에는 생체적합성 소재의 필름이 점착성에 의해 탈착 가능하게 부착되며, 상기 (a) 단계는, (a-1) 상기 제1 디스펜서가 상기 출력물의 외곽을 정의하는 스캐폴드를 출력하는 단계; (a-2) 상기 제2 디스펜서가 상기 스캐폴드 내부에 유체 형태의 바이오 물질을 출력하는 단계; 및 (a-3) 상기 제1 디스펜서에 의해 출력되는 바이오 물질에 의해 상기 필름이 부분적으로 용융되면서, 상기 스캐폴드가 상기 필름에 융착 고정되는 단계를 포함하여, 상기 제2 디스펜서에 의해 출력된 유체 형태의 바이오 물질은 상기 스캐폴드와 상기 필름 사이의 계면을 통해 유출되지 않도록 설계될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 (c) 단계 이후에, (d) 상기 펠티어 소자의 가동 중단 후, 상기 냉각수 펌프, 상기 라디에이터 팬, 및 상기 덕트 팬을 설정 시간 동안 추가 가동하여 상기 펠티어 소자의 잔여 열을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 바이오 프린터의 디스펜서 중, 유체 상태의 바이오 물질을 토출하는 디스펜서로부터 토출된 바이오 물질이 출력면상에서 바로 경화하여 그 형태를 유지하면서 생체에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 워터블럭에 냉각수를 제공하기 위한 각 구성을 도시한 구성도이다.
도 3는 도 1의 출력 플레이트 모듈의 각 구성을 도시한 측면도이다.
도 4는 도 2의 펠티어 소자의 배열을 도시한 평면도이다.
도 5는 도 2의 워터블럭의 배열을 도시한 평면도이다.
도 6은 도 2의 워터블럭과 냉각수 제공 모듈 사이의 냉각수 순환 경로를 도시한 도면이다.
도 7은 도 2의 냉각수 제공 모듈 중, 냉각수 탱크 및 냉각수 펌프를 도시한 도면이다.
도 8은 도 1의 바이오 프린터 내에서 제어부 및 냉각수 제공 모듈이 배치된 챔버 외부 공간을 도시한 도면이다.
도 9는 도 1의 바이오 프린터의 챔버 외부 공간에 설치된 외부공기 흡입구 및 냉각수 보충 도어를 도시한 도면이다.
도 10은 도 3의 펠티어 소자, 및 펠티어 소자들 사이에 배치된 온도 센서를 도시한 도면이다.
도 11은 도 2의 필름과 매트릭스 플레이트가 냉각 베드에 결합되기 전의 상태를 도시한 사시도이다.
도 12는 도 11의 냉각 베드에 필름과 매트릭스 플레이트의 결합체가 결합되는 중의 상태를 도시한 사시도이다.
도 13은 도 12는 도 11의 냉각 베드에 필름과 매트릭스 플레이트의 결합체가 결합된 후의 상태를 도시한 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터를 도시한 도면이다. 도 2는 도 1의 워터블럭에 냉각수를 제공하기 위한 각 구성을 도시한 구성도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터는 프린팅 챔버(1) 및 프린팅 챔버(1)에 개폐 가능하게 형성된 도어(2)를 구비하며, 도어(2)에 의해 닫힌 내부 공간에서 바이오 물질의 출력을 수행한다.
상기 바이오 프린터는 디스펜서(10), 출력 플레이트 모듈(20), 냉각 모듈(30), 냉각수 제공 모듈(40), 온도 센서(50), 출력 제어부(61), 및 출력물 경화 제어부(62)를 포함한다.
디스펜서(10)는 적어도 하나 이상이며, 노즐을 통해 바이오 물질을 토출하고 상하좌우 이동 가능하게 형성된다. 디스펜서(10)는 제1 토출 모듈 및 제1 토출 모듈이 탈착 가능하게 장착되는 제2 토출 모듈로 구성될 수 있다. 디스펜서(10)는 고체 상태의 바이오 재료를 용융하여 토출하기 위한 제1 디스펜서(11), 및 액체 상태의 바이오잉크를 토출하기 위한 제2 디스펜서(12) 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
제1 디스펜서(11)의 상측에는 바이오 재료가 감겨 있는 바이오 재료 홀더(13)가 제공된다. 상기 바이오 재료는 공압을 이용한 그래뉼 용융방식에 적용되는 바이오 재료 또는 PCL 바이오 재료로 구성될 수 있다. 제1 디스펜서(11)는 출력물의 외곽을 정의하는 스캐폴드를 출력한다. 바이오 재료 홀더(13)에 감겨진 바이오 재료는 제1 디스펜서(11)에 제공되며 제1 디스펜서(11) 내에서 설정 온도로 가열된 후 노즐을 통해 토출된다. 제1 디스펜서(11)는 제1-1 토출 모듈(11a) 및 제1-2 토출 모듈(11b)로 구성된다. 제1-1 토출 모듈(11a) 단부에는 노즐이 장착되며, 제1-1 토출 모듈(11a)은 제1-2 토출 모듈(11b)에 탈착식으로 장착된다. 제1 디스펜서(11)의 노즐 측부에는 제1 디스펜서(11)로부터 토출되는 바이오 재료의 열을 식히기 위한 냉각 팬(14)이 구비될 수 있다.
제2 디스펜서(12)는 액체 상태의 바이오잉크를 토출한다. 제2 디스펜서(12)는 제1 디스펜서(11)로부터 토출된 스캐폴드 내부에 유체 형태의 바이오 물질을 출력한다. 제2 디스펜서(12)는 제2-1 토출 모듈(12a) 및 제2-2 토출 모듈(12b)로 구성된다. 제2-1 토출 모듈(12a)은 시린지 형태로 형성되며 단부에 노즐이 장착된다. 제2-2 토출 모듈(12b)은 시린지를 고정하는 고정부(12b-1), 및 공압 제공부 또는 스텝 모터(미도시)로부터 동력을 제공받아 시린지의 누름대를 눌러 시린지 내의 바이오잉크를 토출시키는 가압부(12b-2)를 포함한다.
도 3는 도 1의 출력 플레이트 모듈의 각 구성을 도시한 측면도이다.
도 3을 참조하면, 출력 플레이트 모듈(20)는 디스펜서(10) 하부에 배치되어 토출된 바이오 물질이 안착되는 출력면(20a)을 가지며, 고정식으로 또는 수평면상에서 이동 가능하게 형성된다.
디스펜서(10)로부터 토출된 바이오물질은 출력면(20a) 상에 안착된다. 출력 플레이트 모듈(20)은 상부로부터 하부로, 필름(21), 및 매트릭스 플레이트(22), 냉각 베드(23)를 포함할 수 있다. 필름(21)은 매트릭스 플레이트(22)의 상면에 탈착 가능하게 부착되며, 이 경우 필름(21)의 상면이 출력면(20a)이 된다. 필름(21)은 폴리우레탄 재질의 생체적합성 소재로 형성될 수 있다. 매트릭스 플레이트(22)는 냉각 베드(23)에 탈착 가능하게 장착된다. 필름(21)은 용융된 고분자 재료와 밀착이 용이하도록 하여 스캐폴드로부터 액체 상태의 바이오잉크가 새는 것을 방지한다. 필름(21)은 제1 디스펜서(11)에 의해 출력되는 바이오 물질에 의해 부분적으로 용융되면서 상기 스캐폴드는 필름(21)에 융착 고정된다. 이에 따라, 제2 디스펜서(12)에 의해 출력된 유체 형태의 바이오 물질은 상기 스캐폴드와 필름(21) 사이의 계면을 통해 유출되지 않는다. 상기 스캐폴드 및 상기 유체 형태의 바이오 물질로 형성되어 동결 경화된 상기 출력물은 포유동물 또는 인간의 조직이나 기관의 환부 또는 외상(trauma)에 이식되는 패치로 구성될 수 있다. 또한, 상기 환부는 당뇨병성 족부 궤양, 연골의 마모가 발생되었거나 화상 또는 창상 등의 외상이 발생된 환부일 수 있다.
도 4는 도 2의 펠티어 소자의 배열을 도시한 평면도이다. 도 5는 도 2의 워터블럭의 배열을 도시한 평면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 냉각 모듈(30)은 출력 플레이트 모듈(20)을 냉각시키기 위한 적어도 하나 이상의 펠티어 소자(31), 및 펠티어 소자(31)의 발열면 측에 제공되어 펠티어 소자(31)로부터 발생되는 열을 방열하기 위한 냉각수가 순환하는 냉각수 유로가 형성된 워터블럭(32)을 구비한다. 펠티어 소자(31)는 복수개, 예를 들어 4개가 병렬로 배열될 수 있다. 펠티어 소자(31)는 펠티어 지지대(32c)의 상부에서 펠티어 지지대(32c)에 의해 지지된다. 펠티어 지지대(32a)는 워터블럭(32)의 상부면으로 형성되며, 펠티어 지지대(32a)의 상면에는 펠티어 소자들(31)이 끼워지는 복수개의 홈이 형성된다. 펠티어 소자들(31)은 서로 이격되어 있으며, 펠티어 소자들(31) 사이에는 공기가 채워진 영역이 형성된다.
워터블럭(32)은 열 전도율이 높은 황동, 및/또는 알루미늄으로 형성될 수 있다. 펠티어 소자(31)의 상면과 냉각 베드(23)의 하면 사이, 및 펠티어 소자(31)의 하면과 워터블럭(32)의 상면 사이에는 각각 서멀 그리스층(33)이 형성될 수 있다. 서멀 그리스층(33)은 알루미늄 금속입자, ZnO(반도체 입자), 및/또는 실리콘 오일로 형성될 수 있다. 워터블럭(32)의 냉각수 유로 일측에는 냉각수가 유입되는 입수구(32a), 타측에는 냉각수가 유출되는 유출구(32b)가 형성된다. 입수구(32a) 및 유출구(32b)는 워터블럭(32) 하부에 결합된 커넥터 블록(35)을 관통하여 냉각수 제공 모듈(40)로부터 연장된 냉각수 유동 관에 연결된다.
도 6은 도 2의 워터블럭과 냉각수 제공 모듈 사이의 냉각수 순환 경로를 도시한 도면이다. 도 7은 도 2의 냉각수 제공 모듈 중, 냉각수 탱크 및 냉각수 펌프를 도시한 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 냉각수 제공 모듈(40)은 냉각 모듈(30)에 냉각수를 제공하도록 설계되며, 냉각수 탱크(41), 냉각수 펌프(42), 라디에이터(43), 및 라디에이터 팬(44)을 구비한다.
냉각수 탱크(41)은 냉각수를 저장하며 워터블럭(32)으로부터 순환하는 냉각수를 제공받는다. 냉각수 탱크(41)에는 외부로부터 냉각수를 제공받기 위한 냉각수 주입구(41a), 및 워터블럭(32)으로부터 냉각수가 유입되는 유입구(41b)가 형성된다. 냉각수 펌프(42)는 냉각수 탱크(41)에 연결되어 냉각수 탱크로부터 제공받는 냉각수에 동력을 제공한다. 냉각수 펌프(42)에는 냉각수 탱크(41)와 연결된 연결구(42a) 및 냉각수가 유출되는 유출구(42b)가 형성된다. 유출구(42b)를 통해 유출된 냉각수는 라디에이터(43)에 제공된다. 라디에이터(43)는 일측이 냉각수 펌프(42)에 연결되고 타측이 워터블럭(32)에 연결된다. 라디에이터(43)에는 냉각수 순환 유로가 형성되어 냉각수는 냉각수 순환 유로를 따라 라디에이터(43) 내에서 순환한다. 라디에이터 팬(44)은 라디에이터(43)에 인접 배치되어 라디에이터(43)에서 발생되는 열을 방열한다.
도 8은 도 1의 바이오 프린터 내에서 제어부 및 냉각수 제공 모듈이 배치된 챔버 외부 공간을 도시한 도면이다. 도 9는 도 1의 바이오 프린터의 챔버 외부 공간에 설치된 외부공기 흡입구 및 냉각수 보충 도어를 도시한 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 바이오 프린터는 내부 공간에서 출력이 수행되는 프린팅 챔버(1a), 및 프린팅 챔버(1a)과 분리판(3)에 의해 분리된 챔버 외부 공간(1b)을 포함할 수 있다. 챔버 외부 공간(1b)은 프린팅 챔버(1a)의 상측에 배치된다. 냉각수 제공 모듈(40), 출력 제어부(61), 및 출력물 경화 출력물 경화 제어부(62)는 챔버 외부 공간(1b) 내에 배치된다.
챔버 외부 공간(1b)에는 덕트 팬(71), 외부공기 흡입구(72), 및 냉각수 보충 도어(73)가 설치될 수 있다. 덕트 팬(71)은 챔버 외부 공간(1b) 내에서 발생되는 열을 바이오 프린터 외부로 배출한다. 덕트 팬(71)은 챔버 외부 공간(1b)의 측벽에 복수개 설치될 수 있다. 외부공기 흡입구(72)는 외부 공기가 챔버 외부 공간(1b) 내로 주입되는 통로이다. 냉각수 보충 도어(73)는 냉각수 탱크(41)에 냉각수를 공급하기 위해 개폐 가능하게 형성되며, 냉각수 탱크(41)의 냉각수 주입구(41a) 상부에 형성된다. 외부공기 흡입구(72) 및 냉각수 보충 도어(73)는 챔버 외부 공간(1b)의 상면에 설치될 수 있다. 외부공기 흡입구(72)는 복수개일 수 있다.
도 10은 도 3의 펠티어 소자, 및 펠티어 소자들 사이에 배치된 온도 센서를 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 온도 센서(50)는 출력 플레이트 모듈(20)의 출력면(20a)의 온도를 계산하기 위해 냉각 모듈(30)에 제공된다. 예를 들어, 온도 센서(50)는 펠티어 소자들(31) 사이에 배치될 수 있으며, 펠티어 소자들(31)의 배열 중심에 위치할 수 있다. 온도 센서(50)와 출력면(20a)의 높이 차이를 반영하여 미리 계산된 테이블을 이용하여, 온도 센서(50)에 의해 센싱된 센싱값으로부터 출력면(20a)의 온도를 산출할 수 있다.
출력 제어부(61)는 디스펜서(10)의 동작을 제어하여 출력물을 프린팅하도록 구성된다. 출력물 경화 제어부(62)는 출력 제어부(61)에 의해 출력물의 프린팅이 완료되면, 온도 센서(50)로부터 센싱값을 수신하고 냉각 모듈(30) 및 냉각수 제공 모듈(40)을 제어하여 출력물을 동결 경화시키도록 구성된다. 출력물은 동결 경화되도록 펠티어 소자(31)에 의해 냉각된다. 출력물 경화 제어부(62)는 펠티어 소자(31), 냉각수 제공 모듈(40), 및 덕트 팬(71)의 가동을 제어할 수 있다. 출력물 경화 제어부(62)는 출력면(20a)의 온도가 -1℃ 내지 -20℃ 중 설정 온도가 되도록 펠티어 소자(31)의 가동을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 바이오 프린터의 바이오 물질 동결 경화 방법은 출력물 경화 제어부(62)에 의해 다음과 같이 수행된다.
먼저, 출력물 경화 제어부(62)는 펠티어 소자(31)를 가동하면서 냉각수 펌프(42), 라디에이터 팬(44), 및 덕트 팬(71)을 가동한다(s10). 출력물 경화 제어부(62)는 온도 센서(50)에 의해 센싱된 온도값을 제공받아 PID방법으로 펠티어 소자(31)를 제어한다. 펠티어 소자(31)는 SSR을 통해 전원이 제어되며, 전원 공급 방식은 PWM으로 제어한다. 출력물 경화 제어부(62)는 실시간 PID 제어를 통해 펠티어 소자(31)를 가동한다. 그 다음, 온도 센서(50)에 의해 센싱된 온도가 -1℃ 내지 -20℃ 중 설정 온도에 도달하면 상기 SSR을 오프(Off)로하여 펠티어 소자(31)의 가동을 중단한다(s20). 출력 온도가 상기 설정 온도까지 냉각되어 출력물의 동결 경화 처리가 완료된다. 만약, 온도 센서(50)에 의해 센싱된 온도가 상기 설정 온도에 도달하지 않으면 SSR을 온(On)으로 한다. 그 다음, 펠티어 소자(31)의 가동 중단 후 냉각수 펌프(42), 라디에이터 팬(44), 및 덕트 팬(71)을 설정 시간 동안 추가 가동한다(s30). 상기 설정 시간은 약 1분으로 설정될 수 있다. 이를 통해 펠티어 소자(31)의 고장을 방지할 수 있다.
도 11은 도 2의 필름과 매트릭스 플레이트가 냉각 베드에 결합되기 전의 상태를 도시한 사시도이다. 도 12는 도 11의 냉각 베드에 필름과 매트릭스 플레이트의 결합체가 결합되는 중의 상태를 도시한 사시도이다. 도 13은 도 12는 도 11의 냉각 베드에 필름과 매트릭스 플레이트의 결합체가 결합된 후의 상태를 도시한 사시도이다.
도 11 내지 도 13을 참조하면, 냉각 베드(23) 위에 필름(21)과 매트릭스 플레이트(22)의 결합체가 결합된다. 필름(21)은 매트릭스 플레이트(22)에 부착된 상태로 냉각 베드(23)에 탈착 가능하게 결합된다. 냉각 베드(23)에는 서로 대향하는 위치에, 장착된 매트릭스 플레이트(22)를 고정하기 위한 제1 고정면(23a) 및 제2 고정면(23b)을 구비한다. 매트릭스 플레이트(22)에는 냉각 베드(23)로부터 이격된 위치로 연장된 손잡이(22a)가 형성된다. 제2 고정면(23b)은 프린팅 챔버의 도어를 향한 방향으로 형성되고, 제2 고정면(23b)에는 손잡이(22a)가 끼워지는 끼움 공간(23c)이 형성된다. 매트릭스 플레이트(22)는 일측이 제1 고정면(23a)에 맞닿아 경사진 상태에서, 타측의 손잡이(22a)가 끼움 공간(23c)에 끼워진다. 매트릭스 플레이트(22)의 타측은 제2 고정면(22b)에 맞닿게 되어, 매트릭스 플레이트(22)가 냉각 베드(23) 상에 고정된다. 프린팅 및 냉각 작업이 완료된 후, 작업자는 손잡이(22a)를 잡고 상기 매트릭스 플레이트(22)의 타측을 들어올린 후 냉각 베드(23)로부터 이탈시킬 수 있다.
이 분야의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명의 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (16)

  1. 프린팅 챔버 내에서 바이오 물질을 토출하는 복수의 디스펜서;
    상기 디스펜서 하부에 배치되어 토출된 바이오 물질이 안착되는 출력 플레이트 모듈;
    상기 출력 플레이트 모듈을 냉각시키기 위한 적어도 하나 이상의 펠티어 소자, 및 상기 펠티어 소자의 발열면 측에 제공되어 상기 펠티어 소자로부터 발생되는 열을 방열하기 위해 냉각수가 순환하는 냉각수 유로가 형성된 워터블럭을 구비한 냉각 모듈;
    상기 냉각 모듈에 냉각수를 제공하기 위한 냉각수 제공 모듈;
    상기 출력 플레이트 모듈의 출력면의 온도를 계산하기 위해 상기 냉각 모듈에 제공되는 온도 센서;
    상기 디스펜서의 동작을 제어하여 출력물을 프린팅하기 위한 출력 제어부; 및
    상기 출력 제어부에 의해 상기 출력물의 프린팅이 완료되면, 상기 온도 센서로부터 센싱값을 수신하고 상기 냉각 모듈 및 상기 냉각수 제공 모듈을 제어하여 상기 출력물을 동결 경화시키는 출력물 경화 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 출력 플레이트 모듈은,
    상기 펠티어 소자 위에 배치되어 상기 펠티어 소자에 의해 냉각되는 냉각 베드; 및
    상기 냉각 베드 상에 탈착 가능하게 장착되는 매트릭스 플레이트를 포함하며,
    상기 매트릭스 플레이트의 상면에는, 표면에 상기 토출된 바이오물질이 안착되는 생체적합성 소재의 필름이 점착성에 의해 탈착 가능하게 부착되는 것을 특징으로 하는, 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 디스펜서는,
    상기 출력물의 외곽을 정의하는 스캐폴드를 출력하는 제1 디스펜서; 및
    상기 스캐폴드 내부에 유체 형태의 바이오 물질을 출력하는 제2 디스펜서를 포함하며,
    상기 필름은 상기 제1 디스펜서에 의해 출력되는 바이오 물질에 의해 부분적으로 용융되면서 상기 스캐폴드는 상기 필름에 융착 고정되어, 상기 제2 디스펜서에 의해 출력된 유체 형태의 바이오 물질은 상기 스캐폴드와 상기 필름 사이의 계면을 통해 유출되지 않는 것을 특징으로 하는, 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스캐폴드 및 상기 유체 형태의 바이오 물질로 형성되어 동결 경화된 상기 출력물은 포유동물 또는 인간의 피부 또는 기관의 환부에 이식되는 패치인 것을 특징으로 하는, 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 환부는 당뇨병성 족부 궤양, 연골 마모, 또는 기관에 병변이나 외상(trauma)가 발생한 환부인 것을 특징으로 하는, 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 냉각 베드에는 서로 대향하는 위치에, 장착된 상기 매트릭스 플레이트를 고정하기 위한 제1 고정면 및 제2 고정면을 구비하고,
    상기 매트릭스 플레이트에는 상기 냉각 베드로부터 이격된 위치로 연장된 손잡이가 형성된 것을 특징으로 하는, 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 고정면은 상기 프린팅 챔버의 도어를 향한 방향으로 형성되고, 상기 제2 고정면에는 상기 손잡이가 끼워지는 끼움 공간이 형성된 것을 특징으로 하는, 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 펠티어 소자의 상면과 상기 냉각 베드의 하면 사이, 및 상기 펠티어
    소자의 하면과 상기 워터블럭의 상면 사이에는 각각 서멀 그리스층이 형성된 것을 특징으로 하는, 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 펠티어 소자와 상기 워터블럭 사이에는 펠티어 지지부가 형성되며,
    상기 펠티어 지지부에는 상면에 상기 펠티어 소자들이 끼워지는 서로 이격된 복수개의 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는, 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수 제공 모듈은,
    냉각수를 저장하며 상기 워터블럭으로부터 순환하는 냉각수를 제공받는 냉각수 탱크;
    상기 냉각수 탱크에 연결된 냉각수 펌프;
    일측이 상기 냉각수 펌프에 연결되고 타측이 상기 워터블럭에 연결되며, 냉각수 순환 유로가 형성된 라디에이터; 및
    상기 라디에이터에서 발생되는 열을 방열하기 위한 라디에이터 팬을 구비한 것을 특징으로 하는, 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 냉각수 제공 모듈이 설치되는 챔버 외부 공간이 상기 프린팅 챔버 내부 공간과 분리되어 형성되며,
    상기 챔버 외부 공간에는,
    상기 챔버 외부 공간 내에서 발생하는 열을 상기 바이오 프린터 외부로 배출하기 위한 적어도 하나의 덕트 팬;
    외부 공기가 상기 챔버 외부 공간 내로 주입되는 외부공기 흡입구; 및
    외부에서 상기 냉각수 탱크에 냉각수를 공급하기 위해 개폐 가능하게 형성되며, 상기 냉각수 탱크의 냉각수 주입구 상부에 형성된 냉각수 보충 도어를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 출력물 경화 제어부는,
    상기 펠티어 소자를 가동하면서 상기 냉각수 펌프, 상기 라디에이터 팬, 및 상기 덕트 팬을 가동하며,
    상기 출력면의 온도가 설정 온도까지 냉각되어 상기 출력물이 동결 경화되면 상기 펠티어 소자의 가동을 중단하며,
    상기 펠티어 소자의 가동 중단 후, 상기 냉각수 펌프, 상기 라디에이터 팬, 및 상기 덕트 팬을 설정 시간 동안 추가 가동하여 상기 펠티어 소자의 잔여 열을 제거하는 것을 특징으로 하는, 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 출력물 경화 제어부는, 상기 출력면의 온도가 -1℃ 내지 -20℃ 중 설정 온도가 되도록 상기 펠티어 소자의 가동을 제어하는 것을 특징으로 하는, 바이오 물질 동결 경화 방식이 적용된 바이오 프린터.
  14. 복수의 디스펜서; 출력 플레이트 모듈; 펠티서 소자를 구비한 냉각 모듈; 상기 냉각 모듈에 제공된 온도 센서; 냉각수 탱크, 냉각수 펌프, 라디에이터, 및 라디에이터 팬을 구비한 냉각수 제공 모듈; 외부로 열을 배출하기 위한 덕트 팬; 출력 제어부; 및 출력물 경화 제어부를 포함하는 바이오 프린터의 바이오 물질 동결 경화 방법으로서,
    (a) 상기 출력 제어부가 상기 복수의 디스펜서를 통해 프린팅 챔버 내에서 바이오 물질을 토출하여 출력물을 형성하는 단계;
    (b) 상기 펠티어 소자를 가동하면서, 상기 냉각수 펌프, 상기 라디에이터 팬, 및 상기 덕트 팬을 가동하는 단계; 및
    (c) 상기 온도 센서에 의해 센싱된 센싱값을 기초로 계산된 상기 출력 플레이트 모듈의 출력면의 온도가 설정 온도까지 냉각되어 상기 출력물이 동결 경화되면 상기 펠티어 소자의 가동을 중단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오 프린터의 바이오 물질 동결 경화 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 디스펜서는 제1 디스펜서 및 제2 디스펜서를 포함하며, 상기 출력 플레이트 모듈의 상면에는 생체적합성 소재의 필름이 점착성에 의해 탈착 가능하게 부착되며,
    상기 (a) 단계는,
    (a-1) 상기 제1 디스펜서가 상기 출력물의 외곽을 정의하는 스캐폴드를 출력하는 단계;
    (a-2) 상기 제2 디스펜서가 상기 스캐폴드 내부에 유체 형태의 바이오 물질을 출력하는 단계; 및
    (a-3) 상기 제1 디스펜서에 의해 출력되는 바이오 물질에 의해 상기 필름이 부분적으로 용융되면서, 상기 스캐폴드가 상기 필름에 융착 고정되는 단계를 포함하여,
    상기 제2 디스펜서에 의해 출력된 유체 형태의 바이오 물질은 상기 스캐폴드와 상기 필름 사이의 계면을 통해 유출되지 않는 것을 특징으로 하는, 바이오 프린터의 바이오 물질 동결 경화 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후에,
    (d) 상기 펠티어 소자의 가동 중단 후, 상기 냉각수 펌프, 상기 라디에이터 팬, 및 상기 덕트 팬을 설정 시간 동안 추가 가동하여 상기 펠티어 소자의 잔여 열을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 바이오 프린터의 바이오 물질 동결 경화 방법.
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