KR102467263B1 - 인공 혈관 및 그 제조 방법 - Google Patents

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김민성
이찬송
박민정
김성민
정봉수
이진우
손국희
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 인공 혈관 제조 방법에 있어서, 원통 형상의 컬렉터를 둘러싸도록 전기 방사부를 이용하여 제1혈관층을 형성하는 단계; 상기 제1혈관층을 둘러싸도록 3D 프린팅부를 이용하여 지지층을 형성하는 단계; 및 상기 지지층을 둘러싸도록 상기 전기 방사부를 이용하여 제2혈관층을 형성하여 인공 혈관을 제조하는 단계를 포함한다.

Description

인공 혈관 및 그 제조 방법{Artificial blood vessel and the manufacturing method thereof}
본 발명은 인공 혈관 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
인공 혈관에 대한 높은 수요에 대응하여 인공 혈관 제작에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 인공 혈관은 생체적합 및 생분해성 소재로 제작되면서도 적정한 기계적 강도를 가져야 한다.
인공 혈관을 제조하는 기술로써 3D 프린팅이나 전기 방사 등 여러 기술이 적용되고 있다. 그러나, 3D 프린팅을 통해 제작된 인공 혈관의 경우, 적정한 기계적 강도는 가지나 혈관의 유연성이나 탄성이 떨어지기 때문에 그 적용 범위가 좁다. 그리고, 전기 방사 공정을 통해 제작된 인공 혈관은 생체적합 및 생분해성 소재를 사용하여 제작될 수 있으나, 기계적 강도가 낮아 혈압이나 외부 충격에 의해 파손될 위험성을 가지고 있다.
생체 적합성과 기계적 강도를 모두 만족하기 위해 2개 이상의 별도의 장비를 사용하는 방안이 고안되고 있다. 그러나, 2개 이상의 별도의 장비를 사용하는 경우, 인공 혈관 제조 과정에서 인공 혈관이 사람의 손을 통해 옮겨지면서 재현성이 떨어져 동일 제품의 반복 생산이 어렵거나, 혈관이 오염되는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 단계마다 별도의 장비를 이용함으로써 장비 별 세팅을 새로 하는 과정에서 인공 혈관의 품질이 저하되는 문제가 발생한다.
(특허문헌 1) 공개특허공보 제10-2020-0075936호(2020.06.29.)
본 발명의 목적은 생체 적합성과 기계적 강도를 모두 만족하는 인공 혈관 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 재현성이 높아 대량 생산이 가능하며 품질이 높은 인공 혈관 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인공 혈관 제조 방법에 있어서, 원통 형상의 컬렉터를 둘러싸도록 전기 방사부를 이용하여 제1혈관층을 형성하는 단계; 상기 제1혈관층을 둘러싸도록 3D 프린팅부를 이용하여 지지층을 형성하는 단계; 및 상기 지지층을 둘러싸도록 상기 전기 방사부를 이용하여 제2혈관층을 형성하여 인공 혈관을 제조하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인공 혈관 제조 방법에 있어서, 상기 전기 방사부 및 상기 3D 프린팅부는 동일한 성형 영역을 가지고, 상기 동일한 성형 영역 내에서 상기 인공 혈관이 제조되도록 상기 전기 방사부 및 상기 3D 프린팅부의 출력 좌표를 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 전기 방사부 및 상기 3D 프린팅부의 출력 좌표를 설정하는 단계는, 상기 전기 방사부 및 상기 3D 프린팅부 간 설치 간격에 기초하여 상기 출력 좌표를 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인공 혈관 제조 방법에 있어서, 상기 컬렉터의 일측 단부는 모터에 고정되어 회전하고, 상기 컬렉터는 상기 컬렉터의 길이방향으로 이동하면서 상기 인공 혈관이 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인공 혈관에 있어서, 원통 형상의 컬렉터를 둘러싸도록 전기 방사부를 이용하여 형성된 제1혈관층; 상기 제1혈관층을 둘러싸도록 3D 프린팅부를 이용하여 형성된 지지층; 및 상기 지지층을 둘러싸도록 상기 전기 방사부를 이용하여 형성된 제2혈관층을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인공 혈관 제조 방법을 통해 전기방사 공정과 3D 프린팅 공정을 하나의 성형영역에서 교차적으로 진행하여 생체에 적합하면서도 기계적 강도를 향상시킨 인공 혈관을 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 혈관 제조의 모습을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 혈관 제조 방법을 흐름도로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 혈관의 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 혈관을 도시한 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 혈관 제조의 모습을 도시한 도면이다.
도 1은 전기 방사부(1), 3D 프린팅부(2), 컬렉터(3) 및 모터(4)를 도시하고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기 방사부(1)와 3D 프린팅부(2)를 이용하여 컬렉터(3)에 인공 혈관을 형성한다.
인공 혈관은 대표적으로 내막과 외막으로 이루어지고 내막과 외막 사이를 지지하는 중막으로 이루어질 수 있다. 인공 혈관은 삽입된 위치에 존재하는 수많은 종류의 세포가 자랄 수 있는 환경, 즉 생체 적합한 환경을 만들어줄 수 있어야 한다. 세포가 성장할 수 있는 세포 외기질의 경우 세포들이 잘 고착되어 성장할 수 있도록 나노 사이즈로 이루어지고 콜라겐이나 엘라스틴과 같은 친수성 파이버로 구성된다.
인공 혈관 또한 이러한 환경을 조성할 수 있도록 전기 방사부(1)를 이용하여 전기적으로 하전된 고분자 용액의 젯(jet)을 통해 나노 사이즈 파이버 혹은 마이크로 사이즈의 파이버를 제조할 수 있다. 전기 방사부(1)를 이용하여 혈관층을 형성하는 경우, 친수성 물질을 이용하지 않더라도 파이버들을 방사하여 세포가 닿을 수 있는 표면적을 넓힐 수 있으므로, 인공 혈관의 생체 적합성을 부여할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기 방사부(1)를 이용하여 생성된 복수의 혈관층을 지지하도록 3D 프린팅부(2)를 이용하여 지지층을 형성할 수 있다. 이때, 도 1은 열가소성 수지를 이용하는 FDM(Fused Deposition Modeling) 방식을 이용한 3D 프린팅부(2)를 도시하고 있으나, 이에 한정되지 않는다.
인공 혈관이 형성되는 베이스로써 컬렉터(3)는 봉 형태로 이루어지며, 혈관이 제조되는 동안 그 형상을 유지하도록 중심을 지지하는 역할을 한다. 그리고, 컬렉터(3)의 두께에 기초하여 인공 혈관의 두께가 정해지는 바, 제조하고자 하는 인공 혈관의 두께에 따라 적합한 컬렉터(3)를 선택하여 이용할 수 있다. 선택된 컬렉터(3)에 따라, 모터(4)의 회전속도, 전기 방사부(1) 노즐의 이동 속도, 노즐과 컬렉터(3)의 거리, 전기방사 용액의 유속, 전압 등의 매개변수를 설정할 수 있다.
컬렉터(3)의 일측 단부는 모터(4)에 고정되고, 모터(4)는 제어부(5)(미도시)의 구동에 따라 인공 혈관의 제조 과정 중에서 컬렉터(3)를 회전시키거나 길이방향으로 이동시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기 방사부(1)와 3D 프린팅부(2)는 동일한 성형 영역(10)을 가지고, 제어부(5)는 전기 방사부(1)와 3D 프린팅부(2)가 동일한 성형 영역(10) 내에서 혈관층과 지지층을 형성하는 동작을 수행하도록 제어한다. 이에 대하여 구체적인 내용은 도 2에서 자세히 서술한다.
인공 혈관은 복수의 층으로 이루어져 각 층에 따라 요구되는 물성이 다른 바, 이를 만족하도록 복수의 장비를 이용하여 제조될 수 있다. 다만, 앞서 서술한 바와 같이 복수의 장비를 통해 인공 혈관을 제조하기 위해 컬렉터(3)를 이용하고자 하는 장비로 반복적으로 이동하는 것은 인공 혈관의 오염, 품질저하, 공정의 번거로움 등의 다양한 문제가 발생한다.
이하에서는, 이를 해결하기 위해 전기 방사부(1)와 3D 프린팅부(2)를 함께 제어하여 하나의 공정으로 수행하는 인공 혈관의 제조방법에 대해서 구체적으로 서술한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인공 혈관 제조 방법을 통해 전기방사 공정과 3D 프린팅 공정을 하나의 성형영역에서 교차적으로 진행하여 생체에 적합하면서도 기계적 강도를 향상시킨 인공 혈관을 제작할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 혈관 제조 방법을 흐름도로 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 원통 형상의 컬렉터(3)를 둘러싸도록 전기 방사부(1)를 이용하여 제1혈관층을 형성할 수 있다(S210).
이 때, 제어부(5)는 전기 방사부(1)를 이용하여 제1혈관층을 형성할 성형 영역(10)을 설정하고, 설정된 성형 영역(10) 내에서 제1혈관층을 형성하도록 전기 방사부(1)를 제어한다. 이 때, 성형 영역(10)은 좌표값으로 정해질 수 있다. 이때, 제어부(5)는 출력 좌표에 관한 데이터나 전기 방사부(1)를 구동시키기 위한 노즐 속도 등에 관한 데이터 등 각종 데이터를 외부로부터 수신하거나, 기 저장된 값을 이용할 수 있다. 혹은 제어부(5)는 출력 좌표 등 필요한 데이터를 산출할 수 있는 기초 데이터, 예를 들어 센서를 통한 컬렉터의 위치를 감지할 수 있는 데이터 등을 수신하여, 성형 영역(10)을 설정할 수 있다.
이 때, 제1혈관층은 컬렉터(3)의 길이방향으로 형성되는 바, 제어부(5)는 성형 영역(10) 내의 일 영역(11)에서 전기 방사부(1)에 의해 제1혈관층이 형성되도록 모터(4)를 구동시켜 컬렉터(3)를 회전 및 이동하도록 제어할 수 있다. 즉, 제어부(5)는 전기 방사부(1)로부터 파이버들이 방사되는 위치에 일 영역(11)이 위치하도록 컬렉터(3)를 이동시킬 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 제어부(5)는 전기 방사부(1)로부터 파이버들이 일 영역(11)을 향해 방사되도록 전기 방사부(1)를 이동시킬 수 있으며, 어느 하나에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1혈관층을 둘러싸도록 3D 프린팅부를 이용하여 지지층을 형성할 수 있다(S220).
전기 방사부(1)에 의해 형성된 혈관층들은 방사된 파이버들로 구성되어 있는 바, 그 형상을 유지하기 위해서는 혈관층 사이를 지지하는 지지층이 필요하다.
3D 프린팅부(2)에 의해 형성된 3D 프린팅 패턴은 사용자가 원하는 형상으로 디자인이 가능하며, 프린팅 패턴에 따라서 기계적인 강도를 조절할 수 있고, 인공 혈관의 구조, 길이, 직경의 제어가 가능한 바, 인공 혈관이 삽입되는 위치에 존재하는 세포나 조직이 잘 자라는 환경을 제공할 수 있다.
S210에서 전술한 바와 같이, 전기 방사부(1)에 의해 형성된 제1혈관층과 동일한 성형 영역(10) 내에서 인공 혈관이 제조되도록 전기 방사부(1) 및 3D 프린팅부(2)의 출력 좌표를 설정할 수 있다. 보다 구체적으로, 전기 방사부(1) 및 3D 프린팅부(2)의 출력 좌표는, 전기 방사부(1) 및 3D 프린팅부(2) 간 설치 간격에 기초하여 출력 좌표를 설정할 수 있다. 예를 들어, 전기 방사부(1)의 파이버를 방사하는 노즐의 위치와 3D 프린팅부(2)의 노즐의 위치가 수평방향으로 30cm의 간격을 가지는 경우, 전기 방사부(1)의 출력 좌표보다 3D 프린팅부의 출력 좌표가 30cm 이동하는 것으로 설정할 수 있다. 따라서, 전기 방사부(1)가 파이버를 방사하는 출력 좌표를 기준 좌표로 두고, 3D 프린팅부(2)와 전기 방사부(1) 간의 설치 위치의 차이에 따라 3D 프린팅부(2)가 출력하는 좌표를 설정할 수 있다.
또한, 제1혈관층의 혈관층의 두께에 따라 3D 프린팅부(2)가 형성할 지지층의 직경이 달라지므로, 이를 고려하여 출력 좌표를 설정한다.
이 때, 제어부(5)는 출력 좌표를 계산 및 설정하는 동작 및 전기 방사부(1), 3D 프린팅부(2), 컬렉터(3)의 위치를 조정하는 동작을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 3D 프린팅을 통해 기계적 강도를 다양하게 조절 가능하며 섬유로만 이루어진 인공 혈관 보다 형상 유지가 잘 이루어지는 바, 이식수술을 할 때 제어하기 쉽다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단일 제어부의 제어 동작을 통해 서로 다른 공정이 연속적으로 수행될 수 있는 바, 인공 혈관의 품질을 개선하면서 제조 공정이 간단하게 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 지지층을 둘러싸도록 전기 방사부(1)를 이용하여 제2혈관층을 형성하여 인공 혈관을 제조할 수 있다(S230).
본 단계에서는 앞서 S220에서 서술한 바와 같이, 제어부(5)에 의해 설정된 전기 방사부(1)의 출력 좌표에 따라 제2혈관층을 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 인공 혈관 제조 방법을 통해 전기방사 공정과 3D 프린팅 공정을 하나의 성형영역에서 교차적으로 진행하여 생체에 적합하면서도 기계적 강도를 향상시킨 인공 혈관을 제작할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 혈관의 제조 과정을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공 혈관을 도시한 도면이다.
도 3은 앞서 도 1 및 도 2에서 설명한 인공 혈관의 제조 방법에 따라 제조 모습(310 내지 360)을 순서대로 나열하고 있다. 이에 기초하여 제조된 인공 혈관(400)은 도 4를 참조하여 설명한다.
320 및 330은 전기 방사부(1)에 의해 컬렉터(3)의 표면에 제1혈관층(410)이 형성되는 모습을 도시한다. 제1혈관층(410)은 혈관의 내막의 역할을 하는 층으로써, 마이크로 파이버 방사체로 형성될 수 있다. 제어부(5)는 앞서 서술한 바와 같이 모터(4)의 회전속도, 전기 방사부(1) 노즐의 이동 속도, 노즐과 컬렉터(3)의 거리, 전기방사 용액의 유속, 전압 등을 조절하여 제1혈관층(410)을 형성할 수 있다.
340 및 350은 3D 프린팅부(2)에 의해 제1혈관층(410) 위에 지지층(420)이 형성되는 모습을 도시한다. 3D 프린팅을 통해 지지층(420)을 형성함으로써, 인공 혈관(400)의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
마지막으로 360은 전기 방사부(1)에 의해 지지층(420) 위에 제2혈관층(430)이 형성되는 모습을 도시한다. 제2혈관층(430)은 혈관의 외막의 역할을 하는 층으로써, 나노 파이버 방사체로 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 혈관층의 두께나 직경, 파이버의 크기 등은 인공 혈관이 삽입되는 체내의 조건에 기초하여 다르게 설계될 수 있고, 3개의 층 이상으로 제조될 수 있다.
상기와 같이 제조된 인공 혈관(400)의 경우 보다 기계적 강도가 향상되어 외부 충격 및 혈압을 견딜 수 있으며, 서로 다른 방식의 층 형성이 하나의 단일 공정 과정에서 이루어지는 바 인공 혈관의 생산성 및 품질이 향상된다.
1: 전기 방사부
2: 3D 프린팅부
3: 컬렉터
4: 모터
5: 제어부

Claims (5)

  1. 인공 혈관 제조 방법에 있어서,
    제어부가 원통 형상의 컬렉터를 둘러싸도록 제1혈관층을 형성할 성형 영역 및 전기 방사부의 제1출력 좌표를 설정하는 단계;
    상기 제어부가 상기 성형 영역 및 상기 제1출력 좌표에 기초하여 상기 전기 방사부를 제어하여 제1혈관층을 형성하는 단계;
    상기 제어부가 상기 제1혈관층의 두께에 기초하여 3D 프린팅부의 제2출력 좌표를 설정하는 단계;
    상기 제어부가 상기 제2출력 좌표에 기초하여 상기 제1혈관층을 둘러싸도록 상기 3D 프린팅부를 제어하여 지지층을 형성하는 단계; 및
    상기 제어부가 상기 지지층의 두께에 기초하여 상기 전기 방사부의 제3출력 좌표를 설정하는 단계;
    상기 제어부가 상기 제3출력 좌표에 기초하여 상기 지지층을 둘러싸도록 상기 전기 방사부를 제어하여 제2혈관층을 형성하여 인공 혈관을 제조하는 단계를 포함하는 인공 혈관 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전기 방사부 및 상기 3D 프린팅부의 출력 좌표를 설정하는 단계는,
    상기 전기 방사부 및 상기 3D 프린팅부 간 설치 간격에 기초하여 상기 출력 좌표를 설정하는 단계를 포함하는 인공 혈관 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 컬렉터의 일측 단부는 모터에 고정되어 회전하고, 상기 컬렉터는 상기 컬렉터의 길이방향으로 이동하면서 상기 인공 혈관이 제조되는 것을 특징으로 하는 인공 혈관 제조 방법.
  5. 인공 혈관에 있어서,
    원통 형상의 컬렉터를 둘러싸도록 제어부에 의해 설정된 성형 영역 및 제1출력 좌표에 기초하여 상기 제어부에 의해 제어되는 전기 방사부를 통해 형성된 제1혈관층;
    상기 제1혈관층의 두께에 따라 상기 제어부에 의해 설정된 제2출력 좌표에 기초하여 상기 제1혈관층을 둘러싸도록 상기 제어부에 의해 제어되는 3D 프린팅부를 통해 형성된 지지층; 및
    상기 지지층의 두께에 따라 상기 제어부에 의해 설정된 제3출력 좌표에 기초하여 상기 지지층을 둘러싸도록 상기 제어부에 의해 제어되는 상기 전기 방사부를 통해 형성된 제2혈관층을 포함하는 인공 혈관.
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