KR102222595B1 - Bactericidal implantable device via nanostructure particles with protection layer and manufacturing method - Google Patents

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Abstract

보호층을 갖는 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 및 제조방법이 개시된다. 본발명의 일 실시예에 따르면, 나노구조 입자를 제조하는 단계; 표면에 상기 나노구조 입자가 배치되어 물리적 살균효과를 갖는 인체삽입물을 제작하는 단계; 및 상기 인체삽입물의 표면에 형성된 상기 나노구조 입자를 보호하는 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 보호층을 갖는 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 제조방법이 제공된다. Disclosed is a nanostructured particle-based sterilizing human implant having a protective layer and a manufacturing method. According to an embodiment of the present invention, the steps of preparing nanostructured particles; Manufacturing a human implant having a physical sterilization effect by disposing the nanostructured particles on the surface; And forming a protective layer to protect the nanostructured particles formed on the surface of the human implant.

Description

보호층을 갖는 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 및 제조방법{Bactericidal implantable device via nanostructure particles with protection layer and manufacturing method}[Bactericidal implantable device via nanostructure particles with protection layer and manufacturing method]

본 발명은 보호층을 갖는 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 및 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a nanostructured particle-based sterilizing human implant having a protective layer and a manufacturing method.

수술부위 감염에서 박테리아의 바이오필름(biofilm) 형성은 감염부위의 염증, 고열, 폐혈증 및 기타 합병증으로 이어져 환자의 생존률을 현저하게 감소시킨다. 이러한 수술부위 감염을 막기 위해 예방 항생제를 투여하지만, 항생제 내성 박테리아 및 바이오필름에 의해 보호받는 박테리아에는 효과가 미비하다. Bacterial biofilm formation in surgical site infections leads to inflammation, high fever, sepsis and other complications at the site of infection, significantly reducing the patient's survival rate. Prophylactic antibiotics are administered to prevent such surgical site infections, but the effect is insufficient for antibiotic-resistant bacteria and bacteria protected by biofilm.

또한, 수술부위 감염은 외과수술에서 위험성이 증가하며, 인체삽입물에 박테리아가 감염될 경우 인체삽입물을 제거하는 추가적인 수술이 필요하며, 혈류 주변에만 영향을 미치는 항생제의 경우 인체삽입물에 있는 박테리아를 완벽하게 살균하기는 어렵다. In addition, surgical site infection increases the risk of surgery, and if bacteria are infected with the human implant, additional surgery to remove the human implant is required.In the case of antibiotics that affect only the bloodstream, the bacteria in the human implant are completely removed. It is difficult to sterilize.

한국공개특허 제10-2017-0063550호 (2017.06.08. 공개) - 탄소 나노 구조를 가지는 복합물, 그를 사용하는 고분자 재료 및 제조방법Korean Patent Laid-Open Patent No. 10-2017-0063550 (published on Aug. 08, 2017)-A composite material having a carbon nanostructure, a polymer material using the same, and a manufacturing method

본 발명은 보호층을 통해 체내 삽입 과정에서의 손상이 방지되는 나노구조를 이용한 물리적 살균방법을 통해 박테리아의 세포벽을 파괴하여 살균함으로써, 항생제 내성 박테리아에 대해서도 살균이 가능하고, 인체삽입물 표면에 바이오필름 형성을 억제할 수 있는 보호층을 갖는 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 및 제조방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention destroys and sterilizes the cell walls of bacteria through a physical sterilization method using a nanostructure that prevents damage in the process of insertion into the body through a protective layer, so that antibiotic-resistant bacteria can be sterilized, and a biofilm on the surface of a human implant It is to provide a nanostructured particle-based sterilizing human implant and a manufacturing method having a protective layer capable of inhibiting formation.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.Objects other than the present invention will be easily understood through the following description.

본 발명의 일 측면에 따르면, 나노구조 입자를 제조하는 단계; 표면에 상기 나노구조 입자가 배치되어 물리적 살균효과를 갖는 인체삽입물을 제작하는 단계; 및 상기 인체삽입물의 표면에 형성된 상기 나노구조 입자를 보호하는 보호층을 형성하는 단계를 포함하는 보호층을 갖는 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 제조방법이 제공된다. According to an aspect of the present invention, the step of preparing a nanostructure particle; Manufacturing a human implant having a physical sterilization effect by disposing the nanostructured particles on the surface; And forming a protective layer to protect the nanostructured particles formed on the surface of the human implant.

상기 보호층은 생적합성 수용성 고분자 물질로 이루어질 수 있다.The protective layer may be made of a biocompatible water-soluble polymer material.

상기 보호층의 두께는 상기 나노구조 입자의 높이 이상일 수 있다.The thickness of the protective layer may be greater than or equal to the height of the nanostructure particles.

상기 보호층은 목표시간 내에는 분해되어 상기 나노구조 입자 중 일정 비율의 상단이 노출되도록 하는 두께와 분해속도를 가질 수 있다. 상기 목표시간은 박테리아가 표면에 흡착되어 바이오필름을 형성하는 시간일 수 있다.The protective layer may be decomposed within a target time to have a thickness and a decomposition rate such that an upper end of a certain ratio of the nanostructure particles is exposed. The target time may be a time for bacteria to be adsorbed on the surface to form a biofilm.

상기 보호층 형성 단계에서, 상기 보호층은 스핀 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅 중 어느 하나의 코팅 방식에 의해 형성될 수 있다.In the step of forming the protective layer, the protective layer may be formed by any one of spin coating, dip coating, and spray coating.

상기 나노구조 입자 제조 단계에서, 상기 나노구조 입자는 소결법, 실리콘 몰딩법, 열수합성법 중 하나의 방법에 의해 제조될 수 있다. In the step of manufacturing the nanostructured particles, the nanostructured particles may be manufactured by one of a sintering method, a silicon molding method, and a thermal water synthesis method.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 체내에 삽입되는 인체삽입물로서, 상기 인체삽입물의 표면에 형성되고, 체내의 박테리아를 물리적 방식으로 살균하는 나노구조; 및 상기 나노구조를 보호하는 보호층을 포함하는 보호층을 갖는 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a human implant inserted into the body, comprising: a nanostructure formed on the surface of the body implant and sterilizing bacteria in the body in a physical manner; And there is provided a nanostructured particle-based bactericidal human implant having a protective layer including a protective layer for protecting the nanostructure.

상기 보호층은 생적합성 수용성 고분자 희생층일 수 있다.The protective layer may be a biocompatible water-soluble polymer sacrificial layer.

상기 보호층은 체내 삽입 후 일정 시간 내에 용해되어 상기 나노구조를 노출시킬 수 있다.The protective layer may be dissolved within a certain time after insertion into the body to expose the nanostructure.

상기 보호층의 두께는 상기 나노구조의 높이 이상이며, 상기 박테리아가 표면 흡착 후 바이오필름을 형성하는 시간 이내에 용해되어 상기 나노구조 중 일정 비율의 상단이 노출되도록 하는 분해속도에 상응할 수 있다. The thickness of the protective layer may be greater than or equal to the height of the nanostructure, and may correspond to a decomposition rate at which the bacteria dissolve within a time period for forming a biofilm after surface adsorption so that a certain ratio of the upper end of the nanostructure is exposed.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.Other aspects, features, and advantages other than those described above will become apparent from the following drawings, claims, and detailed description of the invention.

본 발명의 실시예에 따르면, 보호층을 통해 체내 삽입 과정에서의 손상이 방지된 나노구조를 이용한 물리적 살균방법을 통해 박테리아의 세포벽을 파괴하여 살균함으로써, 항생제 내성 박테리아에 대해서도 살균이 가능하고, 인체삽입물 표면에 바이오필름 형성을 억제할 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to sterilize antibiotic-resistant bacteria by destroying and sterilizing the cell walls of bacteria through a physical sterilization method using a nanostructure in which damage in the body insertion process is prevented through a protective layer. There is an effect of suppressing the formation of biofilm on the surface of the insert.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 이용한 물리적 살균 과정을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호층을 갖는 나노구조 입자를 이용한 인체삽입물 제조방법의 순서도,
도 3은 무가압 소결법을 통한 나노구조 입자의 제조과정을 나타낸 도면,
도 4는 무가압 소결법에 이용되는 노를 나타낸 도면,
도 5는 실리콘 몰딩법을 나타낸 도면,
도 6 및 도 7은 인체삽입물 제조를 위한 3D 프린터의 사시도 및 단면도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노구조 입자를 나타낸 도면,
도 9는 나노구조를 갖는 표면이 살균 효과를 가지는지 확인하기 위한 실험 과정을 나타낸 도면,
도 10은 CFU 분석 과정을 나타낸 도면,
도 11은 CFU 실험 결과를 정리한 이미지 및 그래프,
도 12는 CFU결과를 바탕으로 박테리아가 죽어있는 것을 확인하기 위하여 SEM을 이용하여 표면을 관찰한 결과 사진,
도 13은 세포벽 및 세포핵 염색을 통해 확인한 세포벽 파괴 결과 사진,
도 14는 나노구조의 손상에 따른 한계를 나타낸 도면,
도 15는 보호층을 이용한 나노구조의 보호를 나타낸 도면,
도 16은 나노구조 흡착 후 박테리아의 세포벽 파괴시간(좌) 및 바이오필름 형성시간(우)을 나타낸 그래프,
도 17은 인체삽입물 표면의 나노구조를 보호하기 위한 보호층으로 적용될 수 있는 생적합성 수용성 고분자의 기계적 물성을 나타낸 표.1 is a view showing a physical sterilization process using a nanostructure according to an embodiment of the present invention.
2 is a flow chart of a method for manufacturing a human implant using nanostructured particles having a protective layer according to an embodiment of the present invention,
3 is a view showing the manufacturing process of nanostructured particles through the pressure-free sintering method,
4 is a view showing a furnace used in the pressure-free sintering method,
5 is a view showing a silicon molding method,
6 and 7 are perspective and cross-sectional views of a 3D printer for manufacturing a human implant,
8 is a view showing a nanostructure particle prepared according to an embodiment of the present invention,
9 is a diagram showing an experimental process for confirming whether a surface having a nanostructure has a sterilizing effect;
10 is a diagram showing a CFU analysis process,
11 is an image and graph summarizing the CFU experiment results,
12 is a photograph of the result of observing the surface using SEM in order to confirm that the bacteria are dead based on the CFU result,
13 is a photograph of the result of cell wall destruction confirmed through cell wall and cell nucleus staining,
14 is a view showing the limit due to damage to the nanostructure,
15 is a view showing the protection of the nanostructure using a protective layer,
16 is a graph showing the cell wall destruction time (left) and biofilm formation time (right) of bacteria after adsorption of nanostructures;
17 is a table showing the mechanical properties of a biocompatible water-soluble polymer that can be applied as a protective layer to protect the nanostructure on the surface of a human implant.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In the present invention, various modifications may be made and various embodiments may be provided, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it should be understood to include all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. It should be. On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in the middle.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. Terms such as first and second may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof does not preclude in advance.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.In addition, components of the embodiments described with reference to each drawing are not limited to the corresponding embodiments, and may be implemented to be included in other embodiments within the scope of maintaining the technical spirit of the present invention. Even if the description is omitted, it is natural that a plurality of embodiments may be implemented again as one integrated embodiment.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same components are assigned the same or related reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant descriptions thereof will be omitted. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈", "…기" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, terms such as "... unit", "... unit", "... module", and "... group" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which is hardware or software or hardware and software. It can be implemented by a combination of.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조를 이용한 물리적 살균 과정을 나타낸 도면이다. 1 is a diagram showing a physical sterilization process using a nanostructure according to an embodiment of the present invention.

박테리아는 모네라(Monera)계에 속하는 단세포 생물이다. 핵산부분(DNA)과 리보좀(Ribosome)이 세포벽(Cell wall)에 의해 보호되는 구조를 갖는다.Bacteria are single-celled organisms belonging to the Monera family. Nucleic acid portion (DNA) and ribosome (Ribosome) has a structure that is protected by the cell wall (Cell wall).

일반적으로 항생제를 이용하여 박테리아를 살균하지만, 항생제 내성균에 대해서는 효과가 없는 문제점이 있다. 은(Ag) 혹은 구리(Cu)와 같은 금속이온을 이용하여 살균할 수도 있지만, 세포 독성으로 인한 문제점이 많다. In general, antibiotics are used to sterilize bacteria, but there is a problem that it is not effective against antibiotic-resistant bacteria. Although it can be sterilized using metal ions such as silver (Ag) or copper (Cu), there are many problems due to cytotoxicity.

따라서, 본 실시예에서는 끝단이 뾰족한 나노구조의 표면을 가지는 구조물을 통해 물리적으로 박테리아를 살균하고자 한다. 박테리아가 구조물에 흡착되는 경우(①), 구조물의 표면에 형성된 나노구조에 의해 세포벽이 파괴됨으로써(②) 박테리아를 구성하는 내부물질들이 보호받지 못하게 되어 박테리아가 괴사하게 된다(③). Therefore, in this embodiment, it is intended to physically sterilize bacteria through a structure having a nanostructured surface with a pointed tip. When bacteria are adsorbed to the structure (①), the cell wall is destroyed by the nanostructure formed on the surface of the structure (②), and the internal substances constituting the bacteria are not protected and the bacteria die (③).

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 보호층을 갖는 나노구조 입자를 이용한 인체삽입물 제조방법의 순서도이고, 도 3은 무가압 소결법을 통한 나노구조 입자의 제조과정을 나타낸 도면이며, 도 4는 무가압 소결법에 이용되는 노를 나타낸 도면이고, 도 5는 실리콘 몰딩법을 나타낸 도면이며, 도 6 및 도 7은 인체삽입물 제조를 위한 3D 프린터의 사시도 및 단면도이다. Figure 2 is a flow chart of a method for manufacturing a human implant using nanostructured particles having a protective layer according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a view showing the manufacturing process of the nanostructured particles through the pressure-free sintering method, Figure 4 Fig. 5 is a view showing a furnace used in the pressurized sintering method, Fig. 5 is a view showing a silicon molding method, and Figs. 6 and 7 are perspective and cross-sectional views of a 3D printer for manufacturing a human implant.

본 발명의 일 실시예에 따른 보호층을 갖는 나노구조 입자를 이용한 인체삽입물 제조방법은 다음과 같다. A method of manufacturing a human implant using nanostructured particles having a protective layer according to an embodiment of the present invention is as follows.

무가압 소결법을 이용하여 물리적 살균 효과를 갖는 나노구조의 표면을 갖는 나노구조 입자를 제조 및 합성한다(단계 S200). 나노구조 입자는 예를 들어 성게모양을 가질 수 있다. Nanostructured particles having a nanostructured surface having a physical sterilization effect are prepared and synthesized by using a pressure-free sintering method (step S200). Nanostructured particles may have a sea urchin shape, for example.

무가압 소결법(pressureless sintering method)은 다음과 같다. The pressureless sintering method is as follows.

도 3에 도시된 것과 같이, 삼중 증류수(triple distilled water) 45 ml 및 알루미늄 파우더 5 g을 사용하여 유리막대로 일정 시간(예. 5분) 동안 교반하여 현탁액을 제조한다. 즉시 알루미늄 파우더 현탁액 0.2 ml를 사파이어(sapphire)에 붓고 진공 데시케이터에 일정 시간(예. 1일) 동안 건조시켜 삼중 증류수를 완전히 증발시킨다.As shown in FIG. 3, 45 ml of triple distilled water and 5 g of aluminum powder are used and stirred with a glass rod for a certain period of time (eg, 5 minutes) to prepare a suspension. Immediately, 0.2 ml of the aluminum powder suspension is poured into sapphire and dried in a vacuum desiccator for a certain period of time (eg 1 day) to completely evaporate the triple distilled water.

건조 후 준비된 시편을 도 3과 도 4에 도시된 것과 같은 수평 튜브 로(horizontal tube furnace)(300)의 중간에 놓는다. 질소 가스를 이용하여 일정 시간(예. 30분) 동안 정화 공정(유속(flow rate) = 500 cm3/min 정도) 후 일정 승온 속도(heating rate)(5 ℃/min)로 가열한다. 수펑 튜브 로(300)가 900 ℃에 도달했을 때, 온도는 지정된 시간 동안 유지된다. 그 후 수평 튜브 로(300)는 -5 ℃/min의 속도로 냉각된다. 전체 공정 동안 질소 유속은 500 cm3/min로 유지되어 불활성 분위기를 제공할 수 있다. After drying, the prepared specimen is placed in the middle of a horizontal tube furnace 300 as shown in FIGS. 3 and 4. After a purification process (flow rate = 500 cm 3 /min) using nitrogen gas for a certain period of time (eg 30 minutes), it is heated at a constant heating rate (5 °C/min). When the Sufeng tube furnace 300 reaches 900° C., the temperature is maintained for a specified time. After that, the horizontal tube furnace 300 is cooled at a rate of -5 °C/min. During the entire process, the nitrogen flow rate is maintained at 500 cm 3 /min to provide an inert atmosphere.

물리적 살균 효과를 갖는 나노구조 입자를 제조하는 다른 방법으로 실리콘 몰딩법이 적용될 수도 있다. 실리콘 몰딩법은 도 5에 도시된 3단계를 거친다. A silicon molding method may be applied as another method for producing nanostructured particles having a physical sterilization effect. The silicon molding method goes through three steps shown in FIG. 5.

단계 (1)에서 일정 크기(예. 248-nm) 포토리소그래피를 사용하여 원하는 크기의 패터닝된 실리콘(Si) 마스터를 제조한다. 다음으로 단계 (2)에서 몰드로서 오리지날 실리콘 마스터로부터 음(negative)의 복제 몰드를 생성한다. 그리고 단계 (3)에서 복제 몰드에 대해 액체 전구체(liquid precursor)를 캐스팅한 후, 경화 및 박리하여 패터닝된 성게모양 나노구조 입자를 획득할 수 있다. In step (1), a patterned silicon (Si) master of a desired size is prepared using photolithography with a certain size (eg, 248-nm). Next, in step (2), a negative replica mold is created from the original silicon master as a mold. Then, after casting a liquid precursor to the replica mold in step (3), it may be cured and peeled off to obtain patterned sea urchin-shaped nanostructure particles.

물리적 살균 효과를 갖는 나노구조 입자를 제조하는 또 다른 방법으로 열수합성법(hydrothermal process)에 적용될 수도 있다. It can also be applied to a hydrothermal process as another method for producing nanostructured particles having a physical sterilization effect.

열수합성은 고압/고온 조건에서 일어나는 반응으로, 열유속법(solvothermal method)의 하위 집합이다. 합성은 고압 반응기로서 멸균기(auto clave) 내에서 일어난다. 전구체 혼합물(precursor mixture)을 서서히 100~300 ℃ 온도로 가열하고, 반응을 완료하는데 수 시간 내지 수 일이 걸린다. 냉각 중에 미결정 핵이 형성되어 성장하기 시작한다. 저온에서 반응을 수행하고, 격리된 시스템으로 인해 환경 친화적인 장점이 있다. Hydrothermal synthesis is a reaction that takes place under high pressure/high temperature conditions and is a subset of the solvothermal method. Synthesis takes place in an auto clave as a high pressure reactor. The precursor mixture is gradually heated to a temperature of 100 to 300° C., and it takes several hours to several days to complete the reaction. During cooling, microcrystalline nuclei are formed and begin to grow. The reaction is carried out at low temperatures and has the advantage of being environmentally friendly due to the isolated system.

전구체 솔루션(precursor solution)은 양이온(Zn2+), 집진기 이온(OH-/CO3 2-), 계면활성제 및 형태개질제로서 아연 염(zinc salts)을 함유한다. 이 공정을 통해 전구체는 열처리 공정을 사용하여 ZnO로 전환된다. ZnO 수열합성에서 가장 많이 사용되는 전구 물질은 아연 아세테이트, 아연 질산염 및 아연 클로라이드과 같은 아연 염이다. 증발기로 작용하는 알칼리 화합물은 수산화칼륨, 수산화나트륨, 암모니아 중 하나일 수 있다. 2가 금속 이온은 산성 매질에서 가수 분해되지 않으므로, ZnO 나노입자를 형성하기 위해 알칼리성 용액의 존재가 요구되기 때문이다. Contains a - (/ CO 3 2- OH) , zinc salts (zinc salts) as a surfactant and forms the modifier precursor solution (precursor solution) is a cation (Zn 2+), ion dust collector. Through this process, the precursor is converted to ZnO using a heat treatment process. The most commonly used precursors in ZnO hydrothermal synthesis are zinc salts such as zinc acetate, zinc nitrate and zinc chloride. The alkali compound acting as an evaporator may be one of potassium hydroxide, sodium hydroxide, and ammonia. This is because divalent metal ions do not hydrolyze in an acidic medium, so the presence of an alkaline solution is required to form ZnO nanoparticles.

공정의 온도, 적용된 전구체, 계면활성제 또는 형태개질제, pH에 따라 형성되는 나노구조가 결정될 수 있다. The nanostructure formed may be determined depending on the temperature of the process, the applied precursor, the surfactant or the shape modifier, and the pH.

열수합성법에서 멸균기 대신에 마이크로웨이브를 통한 마이크로파 가열을 이용함으로써 결정화 온도 및 시간을 감소시킬 수 있다. In the hydrothermal synthesis method, it is possible to reduce the crystallization temperature and time by using microwave heating through microwave instead of a sterilizer.

다시 도 2를 참조하면, 물리적 살균 효과를 갖는 나노구조 입자를 고분자와 혼합하고, 3D 프린팅을 통해 인체삽입물을 제조할 수 있다(단계 S210). Referring back to FIG. 2, nanostructured particles having a physical sterilization effect are mixed with a polymer, and a human implant may be manufactured through 3D printing (step S210).

단계 S210에서 3D 프린터가 이용될 수 있다. In step S210, a 3D printer may be used.

도 6 및 도 7에는 3D 프린터(100), 파우더 혼합물 토출 장치(110), 몸체(111), 압출부(112), 노즐(113), 히터(114), 재료 공급 유닛(120), 빌드 플랫폼(130), 파우더 혼합물(6), 제1 입자(6a), 제2 입자(6b)가 도시되어 있다.6 and 7 show a 3D printer 100, a powder mixture discharging device 110, a body 111, an extrusion unit 112, a nozzle 113, a heater 114, a material supply unit 120, and a build platform. 130, a powder mixture 6, a first particle 6a, and a second particle 6b are shown.

본 발명의 일 실시예에 따른 파우더 혼합물 토출 장치(110)는 복수의 입자들이 고르게 분포된 파우더 혼합물이 비용융 상태로 노즐 입구를 진입한 이후 노즐 끝단에 설치된 히터를 통해 용융 상태가 되어 모델링 재료가 토출됨으로써 노즐 입구에서의 병목 현상을 방지하고 혼합물 형태 혹은 기공을 갖는 형태의 3차원 적층이 가능한 것을 특징으로 한다. In the powder mixture discharging device 110 according to an embodiment of the present invention, after a powder mixture in which a plurality of particles are evenly distributed enters the nozzle inlet in a non-melted state, the modeling material is in a molten state through a heater installed at the end of the nozzle. It is characterized in that it prevents bottlenecks at the nozzle inlet by being discharged, and enables three-dimensional lamination in the form of a mixture or a form having pores.

본 발명의 일 실시예에 따른 3D 프린터(100)는 재료 공급 유닛(120), 파우더 혼합물 토출 장치(110), 빌드 플랫폼(130)을 포함한다. The 3D printer 100 according to an embodiment of the present invention includes a material supply unit 120, a powder mixture discharge device 110, and a build platform 130.

재료 공급 유닛(120)은 3차원 구조체의 재료(3차원 모델링 재료)가 되는 고분자 재료를 제공한다. 본 실시예에서 재료 공급 유닛(120)은 복수의 입자가 혼합된 혼합물을 파우더 상태로 파우더 혼합물 토출 장치(110)에 공급한다. The material supply unit 120 provides a polymer material that becomes a material of a three-dimensional structure (a three-dimensional modeling material). In this embodiment, the material supply unit 120 supplies a mixture in which a plurality of particles are mixed to the powder mixture discharge device 110 in a powder state.

재료 공급 유닛(120)은 파우더 혼합물(6)을 공급함에 있어 혼합되는 입자의 종류 및 함량 중 적어도 하나를 실시간으로 조절할 수 있어, 본 실시예에서 입자 중 하나는 물리적 살균 효과를 갖는 나노구조 입자로 이루어질 수 있다. 또한, 구조체의 속성을 강성 구조 혹은 탄성 구조로 다양화할 수 있고, 입자 밀도 분포가 경사체 구조를 가지도록 하여 하나의 구조체 내에서도 그 위치에 따른 속성을 다변화시킬 수 있도록 한다. The material supply unit 120 can adjust at least one of the type and content of the particles to be mixed in real time when supplying the powder mixture 6, so that one of the particles in this embodiment is a nanostructure particle having a physical sterilization effect. Can be done. In addition, the properties of the structure can be diversified into a rigid structure or an elastic structure, and the particle density distribution has an inclined body structure, so that the properties can be diversified according to its position even within a single structure.

빌드 플랫폼(130)은 3차원 모델링 재료가 프린팅되어 3차원 구조체가 제작되는 스테이지(stage)이다. The build platform 130 is a stage in which a 3D modeling material is printed to produce a 3D structure.

빌드 플랫폼(130) 상에는 폼 베이스(foam base)가 마련되어 있을 수 있다. 3차원 모델링 재료가 폼 베이스 상에 프린팅되어 빌드 플랫폼에서 용이하게 분리되도록 할 수도 있다. A foam base may be provided on the build platform 130. The three-dimensional modeling material can also be printed on the foam base to facilitate separation from the build platform.

파우더 혼합물 토출 장치(110)는 재료 공급 유닛(120)으로부터 복수의 입자(6a, 6b)가 미리 설정된 함량으로 고르게 분포된 파우더 혼합물(6)을 공급받고, 파우더 혼합물(6)에 열을 가하여 용융 상태로 만든 후 빌드 플랫폼(130) 상에 프린팅시킨다. The powder mixture discharging device 110 receives the powder mixture 6 in which a plurality of particles 6a and 6b are evenly distributed in a preset content from the material supply unit 120 and melts the powder mixture 6 by applying heat. After making it into a state, it is printed on the build platform 130.

파우더 혼합물 토출 장치(110)는 몸체(111), 압출부(112), 노즐(113), 히터(114)를 포함한다. The powder mixture discharging device 110 includes a body 111, an extruded part 112, a nozzle 113, and a heater 114.

몸체(111)는 그 내부에 재료 공급 유닛(120)으로부터 공급된 3차원 모델링 재료, 즉 파우더 혼합물이 수용되는 부분으로서, 예를 들면 실린더형 배럴일 수 있다.The body 111 is a part in which a three-dimensional modeling material supplied from the material supply unit 120, that is, a powder mixture, is accommodated therein, and may be, for example, a cylindrical barrel.

노즐(113)은 몸체(111)의 하부에 결합되며, 몸체(111) 내에 수용된 3차원 모델링 재료를 용융 상태로 하방향으로 토출되도록 한다. The nozzle 113 is coupled to the lower portion of the body 111 and allows the 3D modeling material accommodated in the body 111 to be discharged downward in a molten state.

압출부(112)는 몸체(111) 내에 수용되어 있으며, 회전 동작을 통해 몸체(111) 내에 수용된 3차원 모델링 재료를 노즐(113)을 향해 진행시킬 수 있다. 예를 들어, 압출부(112)는 도면에 도시된 것과 같은 스크류(screw) 형상을 가질 수 있다. The extrusion unit 112 is accommodated in the body 111, and the three-dimensional modeling material accommodated in the body 111 may be advanced toward the nozzle 113 through a rotation operation. For example, the extruded part 112 may have a screw shape as shown in the drawing.

이러한 압출 방식은 복수의 입자가 고르게 분포된 파우더 혼합물이 노즐(113) 입구에 이르기까지 최대한 고른 분포 상태를 유지할 수 있도록 한다. This extrusion method allows the powder mixture in which a plurality of particles are evenly distributed to the nozzle 113 inlet to maintain a uniform distribution state as much as possible.

히터(114)는 노즐(113)의 토출측 끝단에 설치되어, 노즐(113)을 통해 빌드 플랫폼(130) 상에 토출되는 3차원 모델링 재료, 즉 파우더 혼합물(6)을 가열하여 용융 상태로 만들어 준다. 여기서, 파우더 혼합물에 포함된 복수의 입자 중 적어도 하나(6a)는 가열에 의해 용융 상태로 변화된 이후 온도가 낮아지면 다시 경화되는 물질로 구성될 수 있다. The heater 114 is installed at the discharge-side end of the nozzle 113, and heats the three-dimensional modeling material, that is, the powder mixture 6, which is discharged on the build platform 130 through the nozzle 113 to make it in a molten state. . Here, at least one (6a) of the plurality of particles included in the powder mixture may be formed of a material that is changed to a molten state by heating and then cured again when the temperature is lowered.

노즐(113)의 입구에서는 비용융 상태의 파우더 혼합물(6)이 재료 공급 유닛(120)으로부터 공급받은 상태와 같이 복수의 입자들이 고르게 분포된 상태로 유입된다. 따라서, 기존 장치와 같이 용융 상태로 유입될 경우에 용융되지 않은 입자에 의해 노즐(113) 입구에서 발생되는 병목 현상이 발생되지 않을 수 있게 된다. At the entrance of the nozzle 113, the powder mixture 6 in a non-melted state is introduced in a state in which a plurality of particles are evenly distributed, as in a state supplied from the material supply unit 120. Therefore, when introduced in a molten state like a conventional device, a bottleneck generated at the entrance of the nozzle 113 may not be generated by unmelted particles.

파우더 혼합물(6)이 압출부(112)에서의 압출에 의해 노즐(113)의 토출측으로 진행되는 중에 노즐(113)의 토출측 끝단에 설치된 히터(114)에 의해 가열되어 용융 상태가 된다. 이 경우 노즐(113)의 입구를 이미 지난 이후에 용융 상태가 되므로 입자의 병목 현상이 발생하지 않게 되고, 설정된 혼합 함량을 유지한 상태대로 빌드 플랫폼(130) 상에 3차원 적층이 이루어질 수 있게 된다. The powder mixture 6 is heated by the heater 114 installed at the discharging side end of the nozzle 113 while the powder mixture 6 is being pushed to the discharging side of the nozzle 113 by extrusion in the extruded part 112 to become a molten state. In this case, since the inlet of the nozzle 113 is already in a molten state, a bottleneck of particles does not occur, and a three-dimensional stacking can be made on the build platform 130 while maintaining the set mixing content. .

본 실시예에서 빌드 플랫폼(130)과 파우더 혼합물 토출 장치(110)는 3차원 적층을 위해 상대적인 3차원 이동이 가능한 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 빌드 플랫폼(130)이 상하 방향(Z축 방향)으로 이동 가능하고 파우더 혼합물 토출 장치(110)가 수평면(XY 평면) 상에서 2차원적으로 이동 가능한 방식, 빌드 플랫폼(130)이 수평면 상에서 2차원적으로 이동 가능하고 파우더 혼합물 토출 장치(110)가 상하 방향으로 이동 가능한 방식, 혹은 빌드 플랫폼(130) 또는 파우더 혼합물 토출 장치(110)중 적어도 하나가 X, Y, Z축의 3차원 이동이 되는 등 3축 제어가 이루어지도록 하는 방식 등이 적용될 수 있을 것이다. In this embodiment, the build platform 130 and the powder mixture discharging device 110 may have a structure capable of relatively three-dimensional movement for three-dimensional stacking. For example, the build platform 130 is movable in the vertical direction (Z-axis direction) and the powder mixture discharging device 110 is movable two-dimensionally on a horizontal plane (XY plane), and the build platform 130 is a horizontal plane. It is possible to move two-dimensionally on the top and the powder mixture discharging device 110 is movable in the vertical direction, or at least one of the build platform 130 or the powder mixture discharging device 110 is three-dimensionally moved in the X, Y, and Z axes. A method that allows 3-axis control to be performed, such as this, may be applied.

본 실시예에서 재료 공급 유닛(120)은 미리 설정된 비율로 혼합된 파우더 혼합물을 파우더 혼합물 토출 장치(110)에 공급하게 된다. In this embodiment, the material supply unit 120 supplies the powder mixture mixed at a preset ratio to the powder mixture discharge device 110.

재료 공급 유닛(120)은 제1 재료 공급부, 제2 재료 공급부, 함량 제어부를 포함할 수 있다. The material supply unit 120 may include a first material supply unit, a second material supply unit, and a content control unit.

제1 재료 공급부 및 제2 재료 공급부는 3차원 모델링 재료인 파우더 혼합물의 원재료인 제1 재료 및 제2 재료를 각각 공급한다. The first material supply unit and the second material supply unit supply a first material and a second material, which are raw materials of a powder mixture, which is a three-dimensional modeling material.

제1 재료 공급부에서 공급되는 제1 재료와 제2 재료 공급부에서 공급되는 제2 재료는 함량 제어부에 의해 그 혼합 비율이 제어되어 소정의 함량을 가지는 파우더 혼합물이 되어 후단의 파우더 혼합물 토출 장치(110)로 공급된다. The mixing ratio of the first material supplied from the first material supply unit and the second material supplied from the second material supply unit is controlled by the content control unit to become a powder mixture having a predetermined content, and the powder mixture discharging device 110 at the rear stage Is supplied as.

함량 제어부에서 제1 재료와 제2 재료의 함량을 제어하는 방식은 다음과 같을 수 있다. A method of controlling the contents of the first material and the second material in the content control unit may be as follows.

예를 들면, 함량 제어부에서 제1 재료 공급부와 연결된 제1 통로와 제2 재료 공급부와 연결된 제2 통로는 솔레노이드 밸브에 의해 그 개폐 정도가 제어될 수 있다. 이러한 솔레노이드 밸브는 미리 설정된 파우더 혼합물의 함량에 상응하여 그 동작 정도가 결정될 수 있을 것이다. For example, in the content control unit, the opening and closing degree of the first passage connected to the first material supply unit and the second passage connected to the second material supply unit may be controlled by a solenoid valve. The solenoid valve may have an operating degree corresponding to a predetermined amount of the powder mixture.

다시 도 1을 참조하면, 인체삽입물 표면에 물리적 살균 효과를 갖는 나노구조 입자를 코팅하여 살균성을 갖는 인체삽입물을 제조할 수도 있다(단계 S220). Referring back to FIG. 1, a human implant having sterilizing properties may be prepared by coating nanostructured particles having a physical sterilizing effect on the surface of the human implant (step S220).

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 나노구조 입자를 나타낸 도면이고, 도 9는 나노구조를 갖는 표면이 살균 효과를 가지는지 확인하기 위한 실험 과정을 나타낸 도면이며, 도 10은 CFU 분석 과정을 나타낸 도면이고, 도 11은 CFU 실험 결과를 정리한 이미지 및 그래프이고, 도 12는 CFU결과를 바탕으로 박테리아가 죽어있는 것을 확인하기 위하여 SEM을 이용하여 표면을 관찰한 결과 사진이며, 도 13은 세포벽 및 세포핵 염색을 통해 확인한 세포벽 파괴 결과 사진이다. FIG. 8 is a view showing nanostructured particles prepared according to an embodiment of the present invention, FIG. 9 is a view showing an experimental process for confirming whether a surface having a nanostructure has a bactericidal effect, and FIG. 10 is a CFU analysis A diagram showing the process, FIG. 11 is an image and graph summarizing the CFU experiment results, and FIG. 12 is a photograph of the result of observing the surface using SEM to confirm that bacteria are dead based on the CFU result, and FIG. 13 Is a photograph of the result of cell wall destruction confirmed through cell wall and cell nucleus staining.

도 8을 참조하면, 알루미늄 입자를 이미지의 좌측에 기재된 온도와 시간으로 소결을 했을 때 나타나는 형상이며, 800℃에서 30분동안 소결한 샘플은 표면에 나노구조가 없는 반면 900℃에서 1시간동안 소결한 샘플에서는 나노구조가 성장하며 마치 성게 모양과 유사한 형태를 가진다.Referring to FIG. 8, it is a shape that appears when aluminum particles are sintered at the temperature and time indicated on the left side of the image, and the sample sintered at 800°C for 30 minutes has no nanostructure on the surface, but sintered at 900°C for 1 hour. In one sample, the nanostructures grow and have a shape similar to that of a sea urchin.

이러한 나노구조를 갖는 표면에서 살균실험을 진행하여 박테리아에 대하여 물리적 살균능력을 갖는지 실험하였다. 도 9를 참조하면, (a) 박테리아 현탁액 준비, (b) 0.5 ml 박테리아 용액을 샘플 위에 주입, (c) 배양 (37 ℃, 7 hr), (d) 샘플에서 박테리아 수집 과정으로 이루어진다. A sterilization experiment was conducted on the surface having such a nanostructure to test whether it has physical sterilization ability against bacteria. Referring to FIG. 9, (a) preparing a bacterial suspension, (b) injecting a 0.5 ml bacterial solution onto the sample, (c) culturing (37° C., 7 hr), and (d) collecting bacteria from the sample.

박테리아 살균실험은 박테리아를 액체배지에서 18시간 동안 성장시킨 후 OD(optical density) 600을 0.3으로 희석 시킨 후 샘플 위에 도포한다. OD600은 600nm파장으로 액체배지 내부에 박테리아가 얼마나 존재하는지 확인하는 방법 중 하나이며, 이를 0.3으로 맞추는 이유는 박테리아의 밀도를 조절함으로써 액체배지 내부에서 성장할 수 있는 조건을 맞추기 위함이다.In the bacteria sterilization experiment, bacteria are grown in a liquid medium for 18 hours, then OD (optical density) 600 is diluted to 0.3 and then applied on a sample. OD600 is one of the methods to check how much bacteria are present in the liquid medium with a wavelength of 600 nm, and the reason for setting it to 0.3 is to meet the conditions for growing inside the liquid medium by controlling the density of bacteria.

박테리아 액체배지를 샘플 위에 뿌리고 37℃에서 각 시간별로 배양후 샘플만 꺼내어 PBS(phosphate buffered saline)용액 1ml를 이용하여 셈플 표면에 붙은 박테리아만 세척한다. 박테리아 세척 후 세척한 용액을 별도로 수집한다.Sprinkle the bacterial liquid medium on the sample, incubate at 37°C for each hour, take out only the sample, and wash only the bacteria attached to the sample surface using 1 ml of a phosphate buffered saline (PBS) solution. After washing the bacteria, the washed solution is collected separately.

수집된 박테리아 용액을 이용하여 CFU(colony forming unit)분석을 하게 되는데, CFU분석은 해당 샘플에 박테리아가 얼마나 생존 가능한지 확인하는 실험이다.CFU (colony forming unit) analysis is performed using the collected bacterial solution. CFU analysis is an experiment to determine how viable bacteria are in the sample.

도 10에 도시된 것과 같이 샘플에서 세척하여 얻은 박테리아 용액을 각각 10-1,10-2,10-3,10-4,10-5로 희석하여 각각 희석된 용액을 아가배지(고체배지)에 50㎛를 떨어뜨린 후 잘 펴줍니다. 잘 펴진 아가배지는 다시 37 ℃에서 18시간동안 배양시킨 후 배지위에 형성된 박테리아 콜로니 수를 계산한다.As shown in Fig. 10, the bacterial solution obtained by washing the sample was diluted with 10 -1 ,10 -2 ,10 -3 ,10 -4 ,10 -5 respectively, and each diluted solution was added to agar medium (solid medium). After dropping 50㎛, spread well. The well-opened agar medium is incubated again at 37° C. for 18 hours, and the number of bacterial colonies formed on the medium is counted.

박테리아 1개에서 콜로니 1개가 형성하는 것으로 가정하기 때문에 콜로니의 수가 적을수록 샘플에서 생존한 박테리아가 적은 것이며, 샘플에서 살균작용이 있다는 것을 확인 할 수 있다.Since it is assumed that one colony from one bacteria is formed, the smaller the number of colonies, the fewer bacteria survived in the sample, and it can be confirmed that there is a bactericidal action in the sample.

도 11의 (a)는 CFU 실험 결과를 정리한 이미지와 그래프이고, 사파이어 웨이퍼와 나노구조가 없는 샘플에서 박테리아 콜로니 수가 많은 것을 확인하였고, 나노구조가 있는 샘플에서는 콜로니의 수가 없는 것을 확인하였다.Figure 11 (a) is an image and graph summarizing the results of the CFU experiment, it was confirmed that the number of bacterial colonies was large in the sample without the sapphire wafer and the nanostructure, and it was confirmed that the number of colonies was not present in the sample with the nanostructure.

도 12를 참조하면, CFU결과를 바탕으로 박테리아가 죽어있는 것을 확인하기 위하여 SEM을 이용하여 표면을 관찰한 결과 왼쪽부터 사파이어웨이퍼, 나노구조가 없는 표면, 나노구조가 있는 표면에서 대장균을 관찰한 이미지가 도시되어 있다. 나노구조가 있는 표면을 보시면 나노구조에 의해 대장균이 찔려서 형태를 유지하지 못한 것으로 확인되고 있으며, 박테리아의 핵을 염색하는 propidium iodide 형광염료를 이용하여 확인하였다.Referring to FIG. 12, as a result of observing the surface using SEM to confirm that the bacteria are dead based on the CFU result, an image of observing E. coli from the left side from the left side of the sapphire wafer, the surface without nanostructure, and the surface with nanostructure Is shown. Looking at the surface with the nanostructure, it was confirmed that E. coli was stabbed by the nanostructure and did not maintain its shape, and it was confirmed using propidium iodide fluorescent dye that stains the nucleus of the bacteria.

도 13을 참조하면, live cell은 세포벽을 염색하는 염료이고 dead cell은 세포핵을 염색하는데 염색된 세포는 세포벽이 파괴되었다는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 13, it can be seen that live cells are dyes for staining the cell wall, and dead cells are for staining the cell nucleus, and the stained cells are destroyed.

하지만, 전술한 나노구조 입자를 이용한 물리적 살균은 항생제 내성균까지 살균할 수 있는 가장 효과적인 방법이다. 하지만, 이러한 나노구조 입자의 경우 마찰력이나 응력에 매우 취약하여 임플란트 디바이스에는 적용이 어려운 한계가 있다. However, physical sterilization using the above-described nanostructured particles is the most effective method for sterilizing even antibiotic-resistant bacteria. However, these nanostructured particles are very vulnerable to frictional forces or stresses, so there is a limit that is difficult to apply to implant devices.

도 14는 나노구조의 손상에 따른 한계를 나타낸 도면이고, 도 15는 보호층을 이용한 나노구조의 보호를 나타낸 도면이다. 14 is a view showing the limit due to damage to the nanostructure, and FIG. 15 is a view showing the protection of the nanostructure using a protective layer.

도 14를 참조하면, 물리적 살균을 위한 나노구조는 외과수술시 나타나는 외력(충격력(impact), 드릴링(drilling), 골사이 마찰 혹은 근육과의 마찰(friction) 등)에 의해 나노구조가 파괴될 수 있다. 나노구조에 손상이 발생하면, 박테리아의 세포벽을 파괴하지 못하게 되어 구조적(물리적) 살균 효과를 얻지 못하게 된다. Referring to FIG. 14, the nanostructure for physical sterilization may be destroyed by external forces (impact, drilling, interosseous friction, friction with muscles, etc.) appearing during a surgical operation. have. When the nanostructure is damaged, the bacterial cell wall cannot be destroyed, and the structural (physical) sterilization effect cannot be obtained.

따라서, 물리적 살균을 위한 인체삽입물 표면 나노구조가 체내에서 살균효과를 발현하기 위해서는 외과수술시 나타나는 외력으로부터 나노구조를 보호해야 하며, 체내 삽입 후 나노구조가 노출되어 물리적으로 살균이 가능해야 한다(도 15 참조). Therefore, in order for the nanostructure on the surface of a human implant for physical sterilization to exhibit sterilization effect in the body, the nanostructure must be protected from external forces that appear during surgery, and after insertion into the body, the nanostructure must be exposed to physically sterilize it (Fig. 15).

다시 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 보호층을 갖는 나노구조 입자기반 인체삽입물의 경우, 단계 S210 혹은 단계 S220에서 3D 프린팅 혹은 나노구조 입자 코팅을 통해 인체삽입물을 제작한 이후, 보호층(protection layer)을 제작한다(단계 S230). Referring back to FIG. 1, in the case of a nanostructured particle-based human implant having a protective layer according to the present embodiment, after manufacturing the human implant through 3D printing or nanostructured particle coating in step S210 or step S220, the protective layer ( protection layer) is produced (step S230).

나노구조(10)를 보호하는 보호층(20)은 체내 삽입을 위해 생적합성 재질일 수 있다. 또한, 체내 삽입 후에는 쉽게 분해되어 나노구조(10)가 노출될 수 있게 하기 위해 수용성 재질일 수 있다. 따라서, 보호층(20)은 생적합성 수용성 고분자 희생층일 수 있다. 이러한 보호층(20)은 체내 삽입 후 일정 시간 내에 녹아 나노구조(10)를 노출시켜 박테리아를 살균할 수 있다. The protective layer 20 protecting the nanostructure 10 may be made of a biocompatible material for insertion into the body. In addition, it may be a water-soluble material in order to be easily decomposed after insertion into the body so that the nanostructures 10 can be exposed. Therefore, the protective layer 20 may be a biocompatible water-soluble polymer sacrificial layer. The protective layer 20 melts within a certain period of time after insertion into the body to expose the nanostructures 10 to sterilize bacteria.

도 16에는 나노구조 흡착 후 박테리아의 세포벽 파괴시간(좌) 및 바이오필름 형성시간(우)이 도시되어 있다. FIG. 16 shows the cell wall destruction time (left) and biofilm formation time (right) of bacteria after adsorption of nanostructures.

박테리아 중 포도상구균은 표면에 흡착 후 4시간 동안 증식하여 바이오필름을 형성한다. 나노구조 위에 흡착 시 최소 3분 후 세포벽 파괴가 이루어진다. 따라서, 외과수술 시 나노구조(10)를 보호하는 보호층(20)은 체내 삽입 후 4시간 안에 분해되게 함으로써, 나노구조(10)에 의해 박테리아를 살균하여 바이오필름 형성을 억제할 수 있다. Among bacteria, staphylococcus aureus grows for 4 hours after adsorbing to the surface to form a biofilm. Cell wall destruction occurs after at least 3 minutes when adsorbed onto the nanostructure. Therefore, the protective layer 20 that protects the nanostructure 10 during surgery is decomposed within 4 hours after insertion into the body, thereby sterilizing bacteria by the nanostructure 10 to suppress the formation of a biofilm.

도 17에는 인체삽입물 표면의 나노구조를 보호하기 위한 보호층으로 적용될 수 있는 생적합성 수용성 고분자의 기계적 물성을 나타낸 표가 도시되어 있다. FIG. 17 shows a table showing the mechanical properties of a biocompatible water-soluble polymer that can be applied as a protective layer to protect the nanostructure on the surface of a human implant.

수용성 고분자로서 PEG(폴리에틸렌 글리콜)은 분자량(Mw)이 100,000미만인 경우에는 5.2MPa의 영 계수(Young's modulus)를 가지며, 분자량(Mw)이 100,000초과인 경우에는 70MPa의 영 계수를 가진다. 폴리아크릴아미드(polyacrylamide)는 1MPa의 영 계수를 가지며, PVA(폴리비닐 알콜)은 20.81MPa, PAA(폴리아크릴산)은 36MPa의 영 계수를 가진다. As a water-soluble polymer, PEG (polyethylene glycol) has a Young's modulus of 5.2 MPa when the molecular weight (Mw) is less than 100,000, and has a Young's modulus of 70 MPa when the molecular weight (Mw) is more than 100,000. Polyacrylamide has a Young's modulus of 1 MPa, PVA (polyvinyl alcohol) has a Young's modulus of 20.81 MPa, and PAA (polyacrylic acid) has a Young's modulus of 36 MPa.

인체삽입물 표면의 나노구조를 보호하기 위한 보호층(20)은 코팅 기법에 의해 제작될 수 있다. 코팅 기법으로는 스핀 코팅(spin coating), 딥 코팅(deep coating), 스프레이 코팅(spray coating) 중 하나가 이용될 수 있다. The protective layer 20 for protecting the nanostructure on the surface of the human implant may be manufactured by a coating technique. As a coating technique, one of spin coating, deep coating, and spray coating may be used.

스핀 코팅의 경우, 보호층을 형성할 생적합성 수용성 고분자 용액을 나노구조가 형성된 인체삽입물 위에 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 함으로써 코팅할 수 있다. 딥 코팅의 경우, 나노구조가 형성된 인체삽입물을 생적합성 수용성 고분자 용액 내에 담그었다가 빼내 건조시킴으로써 코팅할 수 있다. 스프레이 코팅의 경우, 나노구조가 형성된 인체삽입물 표면에 스프레이 장치를 이용하여 생적합성 수용성 고분자 용액을 분사시킴으로써 코팅할 수 있다. In the case of spin coating, it can be coated by dropping a biocompatible water-soluble polymer solution to form a protective layer on a human implant having a nanostructure and rotating at high speed to spread thinly. In the case of dip coating, a human implant having a nanostructure can be coated by immersing it in a biocompatible water-soluble polymer solution, then removing it and drying it. In the case of spray coating, it can be coated by spraying a biocompatible water-soluble polymer solution on the surface of the human implant on which the nanostructure is formed using a spray device.

본 실시예에서 물리적 살균효과를 갖는 나노구조를 보호하기 위한 보호층은 체내 삽입 후 일정 시간(예컨대, 4시간) 이내에 고분자가 녹아야 하므로, 지속적으로 보호하기 위한 코팅과는 다르게 체내 삽입 후 보호층이 용해될 필요가 있다. In this embodiment, the protective layer for protecting the nanostructure having a physical sterilization effect must melt the polymer within a certain time (for example, 4 hours) after insertion into the body, so unlike the coating for continuous protection, the protective layer after insertion into the body It needs to be dissolved.

보호층(20)의 두께는 체내 삽입 과정에서는 나노구조가 외력에 의해 파괴되지 않도록 하기 위해 나노구조의 높이 이상일 수 있다. 다만, 외력으로부터의 나노구조의 보호를 위해 보호층(20)이 너무 두꺼울 경우 체내 삽입 이후 보호층(20)이 용해되어 나노구조가 외부로 노출되어야 하는 상황에서 노출이 안 될 수 있다. 따라서, 박테리아가 표면 흡착 후 바이오필름을 형성하는 시간(예컨대, 4시간) 이내에는 나노구조 중 일정 비율의 상단이 노출될 수 있도록 하는 두께를 가지는 것이 바람직하다. 이 경우 보호층(20)의 두께는 분해속도에 상응하여 결정될 수 있다. 분해속도가 빠른 경우에는 보다 안전한 보호를 위해 큰 두께를 가질 수 있으며, 분해속도가 느린 경우에는 목표시간 내에 나노구조의 노출이 이루어지도록 작은 두께를 가질 수 있다. The thickness of the protective layer 20 may be greater than or equal to the height of the nanostructure so that the nanostructure is not destroyed by an external force during the process of insertion into the body. However, if the protective layer 20 is too thick to protect the nanostructure from external force, the protective layer 20 may be dissolved after insertion into the body, and thus the nanostructure may not be exposed in a situation where the nanostructure must be exposed to the outside. Therefore, it is desirable to have a thickness such that a certain percentage of the upper end of the nanostructure can be exposed within the time (eg, 4 hours) for the bacteria to form a biofilm after surface adsorption. In this case, the thickness of the protective layer 20 may be determined according to the decomposition rate. If the decomposition rate is high, it may have a large thickness for safer protection, and if the decomposition rate is slow, it may have a small thickness so that the nanostructure is exposed within a target time.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to the embodiments of the present invention, those of ordinary skill in the relevant technical field variously modify the present invention within the scope not departing from the spirit and scope of the present invention described in the following claims. And it will be appreciated that it can be changed.

100: 3D 프린터 110: 파우더 혼합물 토출 장치
111: 몸체 112: 압출부
113: 노즐 114: 히터
120: 재료 공급 유닛 130: 빌드 플랫폼
10: 나노구조 20: 보호층100: 3D printer 110: powder mixture ejection device
111: body 112: extrusion
113: nozzle 114: heater
120: material supply unit 130: build platform
10: nanostructure 20: protective layer

Claims (10)

나노구조 입자를 제조하는 단계;
표면에 상기 나노구조 입자가 배치되어 물리적 살균효과를 갖는 인체삽입물을 제작하는 단계; 및
상기 인체삽입물의 표면에 형성된 상기 나노구조 입자를 보호하는 보호층을 형성하는 단계를 포함하되,
상기 보호층은 목표시간 내에는 분해되어 상기 나노구조 입자 중 일정 비율의 상단이 노출되도록 하는 두께와 분해속도를 가지며,
상기 목표시간은 박테리아가 표면에 흡착되어 바이오필름을 형성하는 시간인 것을 특징으로 하는 보호층을 갖는 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 제조방법.
Preparing nanostructured particles;
Manufacturing a human implant having a physical sterilization effect by disposing the nanostructured particles on the surface; And
Including the step of forming a protective layer to protect the nanostructure particles formed on the surface of the human implant,
The protective layer is decomposed within a target time and has a thickness and a decomposition rate such that a certain percentage of the upper end of the nanostructure particles is exposed,
The target time is a time when bacteria are adsorbed on the surface to form a biofilm.
 제1항에 있어서,
상기 보호층은 생적합성 수용성 고분자 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 보호층을 갖는 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 제조방법.
The method of claim 1,
The protective layer is made of a biocompatible water-soluble polymer material, characterized in that the nano-structured particle-based sterilizing human implant manufacturing method having a protective layer.
 제1항에 있어서,
상기 보호층의 두께는 상기 나노구조 입자의 높이 이상인 것을 특징으로 하는 하는 보호층을 갖는 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 제조방법.
The method of claim 1,
The thickness of the protective layer is a method of manufacturing a sterilizing human implant based on nanostructured particles having a protective layer, characterized in that the height of the nanostructured particles or more.
 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 보호층 형성 단계에서, 상기 보호층은 스핀 코팅, 딥 코팅, 스프레이 코팅 중 어느 하나의 코팅 방식에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 보호층을 갖는 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 제조방법.
The method of claim 1,
In the step of forming the protective layer, the protective layer is formed by any one of spin coating, dip coating, and spray coating.
 제1항에 있어서,
상기 나노구조 입자 제조 단계에서, 상기 나노구조 입자는 소결법, 실리콘 몰딩법, 열수합성법 중 하나의 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 보호층을 갖는 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물 제조방법.
The method of claim 1,
In the step of manufacturing the nanostructured particles, the nanostructured particles are prepared by one of a sintering method, a silicon molding method, and a hydrothermal synthesis method.
 체내에 삽입되는 인체삽입물로서,
상기 인체삽입물의 표면에 형성되고, 체내의 박테리아를 물리적 방식으로 살균하는 나노구조; 및
상기 나노구조를 보호하는 보호층을 포함하되,
상기 보호층의 두께는 상기 나노구조의 높이 이상이며,
상기 박테리아가 표면 흡착 후 바이오필름을 형성하는 시간 이내에 용해되어 상기 나노구조 중 일정 비율의 상단이 노출되도록 하는 분해속도에 상응하는 것을 특징으로 하는 보호층을 갖는 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물.
As a human implant inserted into the body,
A nanostructure formed on the surface of the human implant and sterilizing bacteria in the body in a physical manner; And
Including a protective layer to protect the nanostructure,
The thickness of the protective layer is greater than or equal to the height of the nanostructure,
A nanostructured particle-based bactericidal human implant having a protective layer, characterized in that the bacteria dissolve within a period of time to form a biofilm after surface adsorption and correspond to a decomposition rate such that a certain percentage of the upper ends of the nanostructures are exposed.
 제7항에 있어서,
상기 보호층은 생적합성 수용성 고분자 희생층인 것을 특징으로 하는 보호층을 갖는 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물.
The method of claim 7,
The protective layer is a nano-structured particle-based sterilizing human implant having a protective layer, characterized in that the biocompatible water-soluble polymer sacrificial layer.
 제7항에 있어서,
상기 보호층은 체내 삽입 후 일정 시간 내에 용해되어 상기 나노구조를 노출시키는 것을 특징으로 하는 보호층을 갖는 나노구조 입자기반 살균성 인체삽입물.
The method of claim 7,
The protective layer is a nanostructured particle-based sterilizing human implant having a protective layer, characterized in that dissolving within a certain time after insertion into the body to expose the nanostructure.
 삭제delete
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