KR102183427B1 - 3d 모형용 코팅액 조성물 및 이를 이용한 3d 모형의 제조방법 - Google Patents

3d 모형용 코팅액 조성물 및 이를 이용한 3d 모형의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고무재료 및 유기용매를 포함하는 3D 모형용 코팅액 조성물 및 그 제조방법, 그리고 이를 이용한 3D 모형의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의한 3D 모형용 코팅액 조성물을 이용하여 3D 모형을 코팅하면, 코팅된 3D 모형은 장기와 유사한 탄성 및 강도를 가져 수술 시뮬레이션이 가능한바, 소아 심장 등 크기가 작고 관련 질환의 다양성 및 복잡성으로 인해 수술 시뮬레이션이 요구되는 수술에 사용되어, 성공적인 수술을 유도할 수 있는바, 의료 산업 분야에 있어서 널리 활용될 수 있다.

Description

3D 모형용 코팅액 조성물 및 이를 이용한 3D 모형의 제조방법{A COATING SOLUTION FOR A 3D MODEL AND A METHOD FOR PREPARING A 3D MODEL USING THE SAME}
본 발명은 고무재료 및 유기용매를 포함하는 3D 모형용 코팅액 조성물 및 그 제조방법, 그리고 이를 이용한 3D 모형의 제조방법에 관한 것이다.
구체적으로 본 발명은 장기와 유사한 탄성 및 강도를 갖도록 하여, 수술 시뮬레이션 및 이를 통한 성공적인 수술을 가능하게 하는, 고무재료 및 유기용매를 포함하는 3D 모형용 코팅액 조성물 및 그 제조방법, 그리고 이를 이용한 3D 모형의 제조방법에 관한 것이다.
대체로 신생아 100명당 약 4 내지 5명에서 신체적인 기형이 발견되며, 100명당 1명꼴로 선천성 심장 기형이 발견되며, 이는 국가 및 인종 간 거의 동일한 빈도로 발생한다. 출생 시 알 수 없는 원인으로 심장의 기형 및 기능 장애를 가지고 태어나며, 태아의 심장 형성은 임신 3개월 이전에 이미 완료되고 선천성 심장병은 태아의 심장이 형성되는 과정에 이상이 생겨 임신 초기에 발생하게 된다.
소아 선천성 심장 기형 질환의 수술은 일반 조영제의 투여가 불가능하므로, CT 등의 촬영 시 반드시 숙련된 영상의학과 전문의가 동반하여 조영제 투여 및 촬영 시기 등을 조정하여야 할 뿐만 아니라, 장비 및 시간 등의 제약으로 인하여 성인의 경우와 달리 정확도가 낮은 의료 영상 이미지를 얻게 된다는 문제점이 있다. 실제 수술 시에도 약 5 cm X 5 cm 크기의 매우 작은 심장을 대상으로 수술을 하여야 하므로 고난이도의 기술을 필요로 한다.
따라서 크기가 매우 작고 관련 질환이 다양하고 복잡한 소아 선천성 심장 기형 질환 등의 수술에 있어서, 수술 전 시뮬레이션은 성공적인 수술을 유도하는데 있어서 매우 큰 역할을 한다. CT 영상을 기반으로 제작한 3D 프린팅 등을 이용한 3D 모형을 이용한 수술 전 시뮬레이션이 많이 활용되고 있다.
그러나 3D 프린팅 등에 의해 제조된 3D 모형을 이용하여 수술 전 시뮬레이션을 하는 경우, 3D 모형의 질감이 심장 등의 실제 장기의 질감과 다를 뿐만 아니라, 봉합 시 찢어지는 등의 문제점이 발생된다.
이에, 본 발명자들은 소아 심장 등의 수술 전 시뮬레이션을 통해 성공적인 수술을 유도하기 위하여 실제 장기와 동일한 탄성 및 강도를 가지는 3D 모형을 제공하기 위하여 예의 노력한 결과, 실리콘 등의 고무재료 및 유기용매를 포함하는 코팅액 조성물로 3D 모형을 코팅함으로써, 봉합 시 찢어지지 않고 실제 장기와 동일한 질감을 가지는 3D 모형을 제조할 수 있음을 확인하여, 본 발명을 완성하기에 이를렀다.
본 발명의 목적은 고무재료 및 유기용매를 포함하는 3D 모형용 코팅액 조성물을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 고무재료 및 유기용매를 혼합하는 단계를 포함하는 3D 모형용 코팅액 조성물의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 3D 모형용 코팅액 조성물로 3D 프린팅 모형을 코팅하는 단계를 포함하는 3D 모형의 제조방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고무재료 및 유기용매를 포함하는 3D 모형용 코팅액 조성물을 제공한다.
본 발명은 또한, 고무재료 및 유기용매를 혼합하는 단계를 포함하는 3D 모형용 코팅액 조성물의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 3D 프린팅 모형용 코팅액 조성물로 3D 모형을 코팅하는 단계를 포함하는 3D 모형의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의한 3D 모형용 코팅액 조성물을 이용하여 3D 모형을 코팅하면, 코팅된 3D 모형은 장기와 유사한 탄성 및 강도를 가져 수술 시뮬레이션이 가능한바, 소아 심장 등 크기가 작고 관련 질환의 다양성 및 복잡성으로 인해 수술 시뮬레이션이 요구되는 수술에 사용되어, 성공적인 수술을 유도할 수 있는바, 의료 산업 분야에 있어서 널리 활용될 수 있다.
도 1은 실시예 4의 봉합 시험용 시편 모형이다.
도 2는 실시예 4의 봉합 시험 과정의 모식도이다.
도 3은 실시예 4의 시편 봉합 시험 결과를 나타낸 것으로, (a)는 본 발명의 코팅액 조성물로 코팅하지 않은 경우이고, (b)는 본 발명의 코팅액 조성물로 코팅한 경우에 해당한다.
도 4는 실시예 4의 봉합 시험에 사용된 본 발명의 3D 모형용 코팅액 조성물 2로 코팅된 3D 심장 모형이다.
도 5는 실시예 4의 봉합 시험 과정을 나타낸 것으로, (a)는 혈관 봉합 시뮬레이션 과정을 나타낸 것이고, (b)는 심실 중격 결손증(VSD) 봉쇄 시뮬레이션 과정을 나타낸 것이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 일 관점에서, 고무재료 및 유기용매를 포함하는 3D 모형용 코팅액 조성물에 관한 것이다.
상기 고무재료는 실리콘, 우레탄, 스티렌부타디엔 고무(styrene butadienerubber,SBR), 클로로프렌 고무(chloroprene rubber,CR), 염소화 폴리에틸렌(chlorinated polyethylene, CPE), 부타디엔 고무(butadiene ruber,BR), 스티렌-부타디엔(styrene-butadiene, SB) 공중합체 라텍스, 에틸렌프로필렌디엔모노머(ethylene propylene diene monomer, EPDM), 에틸렌비닐아세테이트(ethylene vinyl acetate, EVA), 스티렌부타디엔스티렌(styrene butadienestyrene, SBS), 아크릴고무(ACM/ANM), 황화물 중합체(sulfide polymer), 니트릴 고무(nitrile rubber, NBR), 클로로프렌 고무(chloroprene rubber, CR), 클로로술폰화 폴리에틸렌 고무(chlorosulfonated polyethylene rubber, CSM), 부틸고무(이소부틸렌 이소프렌 고무, isobutylene isoprene rubber, IIR) 및 불소고무(FPM)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 유기용매는 아세톤, 사이클로헥산, 클로로포름, 1,2-디클로로에탄, 톨루엔, 트라이클로로에탄, 트라이클로로벤젠, 벤젠 사염화탄소, 클로로벤젠, 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran, THF), 자일렌, 3차(tertiary) 부틸아세테이트, 헵탄, 헥산, 디메틸 에테르, 2-부탄온, 메탄올, 부탄온 및 나프타로 구성된 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 촉매로서 주석(tin)을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 3D 모형용 코팅액 조성물 총 100 중량%에 대하여, 고무재료를 바람직하게는 30 내지 50 중량%를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다. 고무재료의 함량이 50 중량%를 초과하는 경우에는 균일한 코팅 두께를 형성하기 어려워 작업의 용이성이 떨어지며, 30 중량% 미만인 경우에는 코팅 시 심장 등의 실제 장기의 물성을 나타낼 수 없는바, 바람직하지 않다.
본 발명에 있어서, 3D 모형은 심장 등의 장기 모형인 것을 특징으로 할 수 있고, 3D 프린팅 등의 방법으로 제조된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 다른 관점에서, 고무재료 및 유기용매를 혼합하는 단계를 포함하는 3D 모형용 코팅액 조성물의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 상기 고무재료는 실리콘, 우레탄, 스티렌부타디엔 고무(SBR), 클로로프렌 고무(CR), 염소화 폴리에틸렌(CPE), 부타디엔 고무(BR), 스티렌-부타디엔(SB) 공중합체 라텍스, 에틸렌프로필렌디엔모노머(EPDM), 에틸렌비닐아세테이트(EVA), 스티렌부타디엔스티렌(SBS), 아크릴고무(ACM/ANM), 황화물 중합체, 니트릴 고무(NBR), 클로로프렌 고무(CR), 클로로술폰화 폴리에틸렌 고무(CSM), 부틸고무(이소부틸렌 이소프렌 고무, IIR) 및 불소고무(FPM)로 구성된 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 상기 유기용매는 아세톤, 사이클로헥산, 클로로포름, 1,2-디클로로에탄, 톨루엔, 트라이클로로에탄, 트라이클로로벤젠, 벤젠 사염화탄소, 클로로벤젠, 테트라히드로푸란(THF), 자일렌, 3차 부틸아세테이트, 헵탄, 헥산, 디메틸 에테르, 2-부탄온, 메탄올, 부탄온 및 나프타로 구성된 군에서 선택된 하나 이상인 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서, 촉매로서 주석(tin)을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 고무재료 및 유기용매 혼합 시, 3D 모형용 코팅액 조성물 총 100 중량%에 대하여 고무재료가 바람직하게는 30 내지 50 중량% 포함되도록, 코팅액 조성물의 농도를 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다. 고무재료의 함량이 50 중량%를 초과하는 경우에는 균일한 코팅 두께를 형성하기 어려워 작업의 용이성이 떨어지며, 30 중량% 미만인 경우에는 코팅 시 심장 등의 실제 장기의 물성을 나타낼 수 없는바, 바람직하지 않다.
본 발명에 있어서, 3D 모형은 심장 등의 장기 모형인 것을 특징으로 할 수 있고, 3D 프린팅 등의 방법으로 제조된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 또 다른 관점에서, 상기 3D 모형용 코팅액 조성물로 3D 프린팅 모형을 코팅하는 단계를 포함하는 3D 모형의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 있어서, 바람직하게는 0.5 내지 10.0 mm의 두께로 코팅하는 것을 특징으로 할 수 있다. 코팅액의 농도 또는 코팅 횟수를 조절하여, 코팅 두께를 조절함으로써, 장기 모형의 탄성과 강도를 미세하게 조절할 수 있다. 코팅 두께가 상기 범위를 벗어나는 경우 실제 장기와 질감 등의 특성이 상이하여 바람직하지 않다.
본 발명에 있어서, 딥 코팅(Dip coating), 스프레잉(Spraying) 및 브러싱(Brushing)으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 방법으로 코팅하는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
실시예 1: 3D 모형용 코팅액 조성물의 제조
1- 1: 3D 모형용 코팅액 조성물의 제조
실리콘 고무재료 및 테트라히드로푸란(THF) 용매, 그리고 촉매로서 주석을 혼합하여 3D 모형용 코팅액 조성물을 제조하였다. THF 용매의 함량에 따라 실리콘 고무재료의 농도를 조절하였다. 코팅액 조성물 총 100 중량%에 대하여, 실리콘 고무재료의 농도를 각각 30 중량% 및 50 중량%로 조절하여, 3D 모형용 코팅액 조성물 1 및 2를 제조하였다.
1-2: 비교예의 제조
3D 모형용 코팅액 조성물을 이용하지 않는 경우, 즉 코팅을 하지 않은 것을 비교예 1로 하였다.
상기 실시예 1-1과 다른 조건은 동일하되, THF 용매 대신 아세톤을 혼합하여 비교예 2를 제조하였다.
상기 실시예 1-1과 다른 조건은 동일하되, 주석 대신 백금(Pt)을 혼합하여 비교예 3을 제조하였다.
실시예 2: 코팅된 3D 모형의 제조
환자의 의료 영상을 기반으로 심장 모형 모델링 후 3D 프린팅 방법으로 출력된 아크릴레이트계 공중합체 3D 프린팅 심장 모형을, 상기 실시예 1에서 제조된 3D 모형용 코팅액 조성물 1 및 2와 비교예 1 내지 3으로 딥 코팅 방법으로 코팅하여 건조함으로써, 코팅된 3D 모형을 제조하였다.
실시예 3: 특성 확인
상기 실시예 2에서 제조된 3D 모형용 코팅액 조성물 1 및 2와 비교예 1 내지 3으로 코팅된 3D 모형의 특성을 확인하였다.
비교예 2의 경우, 유해한 냄새, 제조 후 재사용 불가능(1회성) 등으로 수술 전 시뮬레이션에 활용하기에 부적절하다는 것을 확인할 수 있었고, 비교예 3의 경우, 표면 경화가 일어나지 않아, 3D 프린팅에 의해 제조된 모형에 코팅 시 벗겨지는(peel off) 문제가 있다는 것을 확인할 수 있었다.
3D 모형용 코팅액 조성물 1 및 2와 비교예 1의 인장강도, 인열강도 등의 물성을 확인하였다. 그 결과, 코팅액의 농도가 높아질수록(비교예 1 → 3D 모형용 코팅액 조성물 1 → 3D 모형용 코팅액 조성물 2의 순서) 코팅 두께는 두꺼워지고 인장강도, 인열강도 및 탄성계수는 낮아지며, 신율은 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 인열강도 및 인장강도는 두께에 의존하기 때문에 코팅액의 농도가 높아질수록 코팅 두께가 두꺼워져 인열강도 및 인장강도는 낮아지게 된다. 또한, 코팅액의 농도가 증가하면 실리콘 성분이 증가하면서 3D 프린팅 모형의 표면에 비정질(amorphous) 부분이 증가하기 때문에 인장강도는 낮아지고 신율은 증가하게 된다. 봉합 시험 시 찢어지지 않고 실제 심장 등의 장기와 같은 질감을 나타내기 위하여, 탄성계수 및 신율을 고려할 때, 코팅액의 농도가 30 내지 50 중량%인, 3D 모형용 코팅액 조성물 1 및 2가 수술 전 시뮬레이션에 사용하기 적절하다는 것을 확인할 수 있었다(표 1).
비교예 1 3D 모형용 코팅액 조성물 1 3D 모형용 코팅액 조성물 2
고무재료 농도 (중량%) 0 30 50
코팅 두께 (mm) 0 0.15 0.35
인장강도 (ASTM D412) (MPa) 2.66 2.23 2.11
인열강도 (ASTM D624) (kN/m) 5.89 5.12 4.84
신율 (ASTM D412) (%) 226 246 257
탄성계수 (ASTM D412) (MPa) 0.55 0.52 0.50
실시예 4: 봉합(suture) 시험
봉합 시험을 위하여 바(bar) 형태의 기판(20.0 mm X 50.0 mm X 1.5 mm, 가로 X 세로 X 두께)을 제작하였다(도 1). 기판을 실시예 1의 3D 모형용 코팅액 조성물 2로 딥 코팅 방법으로 코팅한 후 건조하여 코팅된 3D 모형을 제조하고, 바 샘플의 왼쪽으로부터 10.0 mm 지점의 맨 아래 지점에서부터 30.0 mm 지점까지 잘랐다. 잘린 지점으로부터 양 옆 1-2 mm 떨어진 지점을 수술용 실과 가위를 이용하여 봉합하였다(도 2).
혈관 봉합 시뮬레이션 및 심실 중격 결손증(ventricular septal defect, VSD) 봉쇄 시뮬레이션 결과, 실시예 1의 3D 모형용 코팅액 조성물 2로 코팅하지 않은 경우 봉합 시 실이 통과한 부분으로부터 수직으로 찢어지고 질감이 실제 장기와 많이 달랐으나, 실시예 1의 3D 모형용 코팅액 조성물 2로 코팅한 경우, 봉합 시 찢어지지 않고 실제 심장 등과 같은 장기와 질감이 유사함을 확인할 수 있었다(도 3 내지 도 5).
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시태양일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims (17)

  1. 고무재료 및 유기용매를 포함하는 3D 모형용 코팅액 조성물로서,
    상기 고무재료는 실리콘이며,
    상기 유기용매는 테트라히드로푸란(THF)인 것이고,
    상기 3D 모형용 코팅액 조성물은 주석을 더 포함하고
    3D 모형용 코팅액 조성물 총 100 중량%에 대하여, 고무재료를 30 내지 50 중량%를 포함하며,
    상기 3D 모형은 인체 심장과 유사한 탄성 및 강도를 갖는 심장 모형인 것을 특징으로 하는 것인, 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
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  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 3D 모형은 3D 프린팅에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 3D 모형용 코팅액 조성물.
  8. 고무재료 및 유기용매를 혼합하는 단계를 포함하는 3D 모형용 코팅액 조성물의 제조방법으로서,
    상기 고무재료는 실리콘이며,
    상기 유기용매는 테트라히드로푸란(THF)인 것이고,
    상기 제조방법은 주석을 혼합하는 단계를 더 포함하고,
    고무재료 및 유기용매 혼합 시, 3D 모형용 코팅액 조성물 총 100 중량%에 대하여 고무재료가 30 내지 50 중량% 포함되도록, 코팅액 조성물의 농도를 조절하는 것을 특징으로 하며,
    상기 3D 모형은 인체 심장과 유사한 탄성 및 강도를 갖는 심장 모형인 것을 특징으로 하는 것인, 3D 모형용 코팅액 조성물의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제8항에 있어서, 3D 모형은 3D 프린팅에 의해 제조된 것을 특징으로 하는 3D 모형용 코팅액 조성물의 제조방법.
  15. 제1항, 제7항 중 어느 한 항에 따른 3D 모형용 코팅액 조성물로 3D 프린팅 모형을 코팅하는 단계를 포함하는 3D 심장 모형의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서, 0.5 내지 10.0 mm의 두께로 코팅하는 것을 특징으로 하는 3D 심장 모형의 제조방법.
  17. 제15항에 있어서, 딥 코팅, 스프레잉 및 브러싱으로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 방법으로 코팅하는 것을 특징으로 하는 3D 심장 모형의 제조방법.
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