KR20190000577A - Composition for 3D printing and 3D printing method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 3D 프린팅용 조성물 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서스펜션을 이용한 바이오 프린팅 방법에서 구조체의 물리적 경화 방식을 이용함으로써 정교하고 세포적합성이 뛰어난 바이오 구조체를 얻을 수 있는 3D 프린팅용 조성물 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a 3D printing composition and a 3D printing method using the same. More particularly, the present invention relates to a 3D printing method using a suspension, a 3D printing method capable of obtaining a biocompatible, And a 3D printing method using the same.
3D 프린팅은 우수한 생산 기술 중 하나로 활용되고 있으며, 개인 맞춤형 생산 시대를 열어 각종 소재, 부품, 장치 등의 출력과 의료, 바이오 등 신 사업 영역에서도 정밀 가공 기술로 부상하고 있다. 일반적인 프린터가 입력된 사진이나 문서에 따라 잉크를 분사하듯, 3D프린터는 디지털화된 3차원 제품 디자인을 2차원 단면으로 연속적으로 재구성하여 소재를 한 층씩 인쇄하면서 적층한다. 즉, 재료를 직접 짜르거나 깎는 방식의 전통적인 생산방식을 절삭가공이라 하는 반면 3D 프린팅은 새로운 층을 층층이 쌓는 방식이기 때문에 적층 가공 이라고 하기도 한다.3D printing is being utilized as one of the excellent production technologies, and it is emerging as a precise processing technology in new business fields such as output of various materials, parts and devices, and medical and biotechnology by opening a personalized production era. Just as a typical printer ejects ink according to input photographs or documents, the 3D printer continuously reconstructs digitized three-dimensional product designs into two-dimensional sections to stack the materials one layer at a time. In other words, the traditional production method of cutting or cutting the material directly is called cutting, while the 3D printing is called lamination because the new layer is stacked.
3D 프린터가 개발되고 대부분의 프린팅 원리는 액체 상태에서 빛을 받으면 굳어지는 성질 즉, 광경화성의 수지(플라스틱)를 사용하여 제품의 단면을 인쇄/적층하는 광 조형법으로 시제품을 생산한다. 또한, 금속분말에 레이저를 조사하거나 플라스틱을 녹여 단면을 직접 인쇄하는 등 다양한 방법으로 3D 프린팅 기술이 등장하고 있다.3D printers have been developed and most printing principles produce prototypes by photo-shaping methods that print / laminate the cross-section of a product using hardening properties, that is, photocurable resin (plastic), when light is received in a liquid state. In addition, 3D printing technology has appeared in various ways such as laser irradiation of a metal powder or printing of a cross section directly by dissolving plastic.
또한, 3D 프린팅 기술이 단순한 시제품이나 부품의 제조 영역을 넘어 인간의 장기, 생명체의 조직 등의 출력을 위한 생체재료 및 생채적합성재료의 출력물을 얻기 위해 개발되고 있으며, 실제로 바이오 잉크 등의 재료를 사용하는 바이오 프린팅을 통해 사용자가 요구하는 출력물을 얻고 있다. In addition, 3D printing technology has been developed to obtain output of biomaterials and biocompatible materials for output of human organs, organisms, etc., beyond the scope of simple prototype or component manufacturing, and actually uses materials such as bio ink Biotechnology, and biotechnology.
바이오 프린팅은 세포-함유 매체의 분배를 필요로 하기 때문에, 바이오 프린팅에서는 소재의 세포적합성(cytocompatible)이 중요하다. 이를 위해 젤라틴, 젤라틴/키토산, 젤라틴/알지네이트, 젤라틴/피프로넥틴, 루트롤 F127(Lutrol F127)/알지네이트, 및 알지네이트 등의 재료를 사용한 하이드로겔이 바이오 프린팅에 사용되고 있다. 바이오 프린팅에 사용되는 상기 하이드로겔 또는 하이드로겔과 세포의 혼합물 등은 '바이오 잉크(bioink)'로도 지칭된다.Since bioprinting requires the distribution of cell-containing media, cytocompatibility of the material is important in bioprinting. For this purpose, hydrogels using materials such as gelatin, gelatin / chitosan, gelatin / alginate, gelatin / phyfonectin, Lutrol F127 / alginate, and alginate have been used for bioprinting. The hydrogel or a mixture of the hydrogel and the cells used in the bio-printing is also referred to as a " bio-ink ".
그런데, 바이오 프린팅에서는 세포의 배양이나 출력을 하는 경우 이물질이나 세균으로부터의 오염을 방지하는 것이 중요하며, 나아가 인체에 적용될 수 있도록 바이오 구조체의 정교함과 세밀함을 만족하고 또한, 세포 독성이나 세포적합성을 충분히 만족하는 구조물을 성형하는 것이 중요하다.However, in the case of bioprinting, it is important to prevent contamination from foreign substances and bacteria when culturing or outputting the cells. Further, it is necessary to satisfy the sophistication and fineness of the biostructure to be applied to the human body, It is important to mold the structure sufficiently satisfactory.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 프린팅 시 이물질의 발생 내지 유입을 최소화 하기 위한 링크구조의 바이오 프린터가 본 출원인에 의해 출원되기도 하였으며, 서스펜션(슬러리)을 지지체로 이용하여 지지체 내에 구조체를 프린팅하는 서스펜션 방식의 3d 프린팅 기술도 제시되고 있다. In order to solve such a problem, the applicant of the present invention has applied a bio printer having a link structure for minimizing the generation or inflow of foreign matter during printing. In addition, a suspension type (3D) printer in which a structure is printed in a support using a suspension Printing technology is also presented.
그러나, 이러한 기술은 형태 구현의 어려움(연질소재)이 있으며 소재 자체의 안전성에 대한 추가 검증이 필요하고, 구조체 내의 세포 함량이 상대적으로 낮다는 문제점이 있다. 또한, 세밀한 형태의 구현이 어렵고 일부 서스펜션 방식의 프린팅 방법의 경우에는 지지체(슬러리) 내에서만 형태를 유지할 수 있거나, 구조체를 형성하는 조성물이 생체 적합성 내지 세포 적합성을 만족하지 못하는 문제점이 있다.However, this technique has difficulties in form implementation (soft material), further verification of the safety of the material itself is required, and the cell content in the structure is relatively low. In addition, in the case of some suspension type printing methods, it is difficult to realize detailed form, and the form can be maintained only in the support (slurry), or the composition forming the structure does not satisfy biocompatibility or cell suitability.
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 바이오 구조체 성형을 위한 3D 프린팅용 조성물 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법을 이용하여 정교하고 세포적합성이 우수한 바이오 구조체를 성형하려는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to form a biocompatible structure with excellent cell fit using a 3D printing composition for forming a biostructure and a 3D printing method using the same.
본 발명에 따른 바이오 잉크를 이용한 3D 프린팅 방법은 슬러리 상태의 지지체를 준비하는 단계, 상기 지지체 내부에 구조체 조성물(바이오 잉크)을 적층시키는 단계, 상기 지지체 및 구조체의 환경 조건을 제어하는 단계 및 상기 지지체를 제거하거나 성형된 상기 구조체를 배출하는 단계를 포함하며, 상기 환경 조건을 제어하는 단계; 는 온도 내지 압력을 제어하는 단계를 포함하고, 상기 지지체는 서스펜션 상태로서 겔, 하이드로겔, 알지네이트, 젤라틴, 콜라겐, 젤란 검, 피브린, 셀룰로오스, PLA, PEG, PVA, PLLA, PLGA 및 PCL 중 어느 하나 이상으로 마련되는 것을 특징으로 한다.A 3D printing method using a bioinf ink according to the present invention comprises the steps of preparing a support in a slurry state, laminating a structure composition (bio ink) inside the support, controlling environmental conditions of the support and the structure, Removing the molded structure, and controlling the environmental condition; Wherein the support comprises at least one of a gel, hydrogel, alginate, gelatin, collagen, gellan gum, fibrin, cellulose, PLA, PEG, PVA, PLLA, PLGA and PCL as a suspension state Or more.
또한, 상기 구조체 조성물은 열 경화성 소재를 사용하고 상기 지지체는 열 가소성 소재를 사용함으로써 상기 구조체를 성형한 후 상기 환경 조건을 섭씨 35도 내지 40도로 승온시켜 상기 구조체를 경화시키며, 상기 환경 조건 및 구조체의 경화 정도를 센싱하기 위해 상기 구조체 조성물 내지 상기 지지체 및 보울에 감온 소재 내지 온도 센서를 마련하는 것을 특징으로 한다.In addition, the structure composition uses a thermosetting material and the support is made of a thermoplastic material to form the structure, then the temperature is raised by 35 to 40 degrees Celsius to cure the structure, A temperature sensitive material or a temperature sensor is provided on the structure composition or the support and the bowl to sense the degree of curing of the structure.
또한, 상기 구조체 조성물은 겔, 하이드로겔, 알지네이트, 젤라틴, 콜라겐, Pluronic acid, 젤란 검, 피브린, 셀룰로오스, PLA, PEG, PVA, PLLA, PLGA, PCL 및 빙햄 플라스틱 중 어느 하나 이상으로 마련되는 것을 특징으로 한다.The structural composition may be one or more of gel, hydrogel, alginate, gelatin, collagen, pluronic acid, gellan gum, fibrin, cellulose, PLA, PEG, PVA, PLLA, PLGA, PCL and Bingham plastic .
또한, 상기 구조체 조성물은 콜라겐을 사용하되 섭씨 10도 내지 20도에서 pre-gelation이 발생하고, 섭씨 35도 내지 40도에서 완전 gelation(겔화, 경화) 되는 열 경화성 소재를 사용하며, 출력 노즐에서 토출이 용이하도록 상기 출력 노즐에서의 전단율(shear rate)을 참고하여 상기 구조체 조성물의 점도 및 표면장력을 선택 및 제어하는 것을 특징으로 한다.In addition, the structure composition uses a thermosetting material which is pre-gelated at 10 to 20 degrees Celsius and completely gelated (gelated, cured) at 35 to 40 degrees Celsius by using collagen, The viscosity and the surface tension of the structure composition are selected and controlled by referring to the shear rate at the output nozzle so that the viscosity and surface tension of the structure composition can be easily measured.
또한, 상기 구조체 조성물은 가교제 및 보강재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the structure composition further includes a crosslinking agent and a reinforcing material.
또한, 상기 구조체 조성물은 콜라겐을 사용하되, 염기성 용액이나 완충 용액이 포함된 지지체에 출력하여 gelation 시키며, 상기 염기성 용액의 산도는 pH 7.0 내지 7.5로 마련되고, 상기 완충 용액은 HEPES, BES, TES 내지 MOPS 중 어느 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 한다.Also, the structure composition uses collagen to generate and gelate the supernatant containing a basic solution or a buffer solution. The pH of the basic solution is adjusted to a pH of 7.0 to 7.5, and the buffer solution contains HEPES, BES, TES, MOPS, and the like.
또한, 상기 지지체는 상기 구조체의 겔화(gelation) 이후, 소정 범위 이내의 pH 변화에 따라 제거되며, 상기 지지체로는 빙햄 플라스틱 모델에 따른 카보머(carbomer)인 것을 특징으로 한다.In addition, the support is removed according to a pH change within a predetermined range after gelation of the structure, and the support is a carbomer according to a Bingham plastic model.
또한, 상기 환경 조건을 제어하기 이전에는, 상기 지지체 및 구조체 조성물은 섭씨 20도 내지 25도에서 마련하고, 상기 지지체 내부에 상기 구조체 조성물을 성형한 후 섭씨 35도 내지 40도로 승온하여 상기 구조체를 물리적 경화시키되, 승온의 과정을 단계별로 설정하거나 상기 구조체의 종류에 따라 선택적으로 제어함으로써 세포손상을 최소화 하는 것을 특징으로 한다.Also, before controlling the environmental conditions, the support and the structure composition are prepared at a temperature of 20 to 25 degrees Celsius, and the structure composition is formed in the support, and then heated to 35 to 40 degrees Celsius, And curing. However, it is characterized by minimizing the cell damage by setting the process of temperature increase stepwise or selectively controlling according to the type of the structure.
본 발명에 따라 3D 프린팅 방법에 사용되는 구조체 조성물에 있어서, 콜라겐 및 세포를 포함하고, 섭씨 10도 내지 20도에서 pre-gelation이 발생하고, 섭씨 35도 내지 40도에서 완전 gelation(겔화, 경화) 되는 것을 특징으로 한다.In the structure composition used in the 3D printing method according to the present invention, pregelation occurs at 10 to 20 degrees Celsius including collagen and cells, and complete gelation (gelation, curing) occurs at 35 to 40 degrees Celsius. .
또한, Pluronic acid 을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.It is further characterized by containing pluronic acid.
또한, 상기 Pluronic acid 의 구조식은,In addition, the structural formula of the above-
또한, 상기 구조체 조성물은 압력의 증가에 따라 점도가 감소하는 빙햄 플라스틱 모델의 소재를 이용하는 것을 특징으로 한다.Also, the structure composition is characterized by using a Bingham plastic model material whose viscosity decreases with an increase in pressure.
또한, 상기 구조체의 경화 정도 내지 환경 조건을 센싱하기 위해 세포 독성 및 생체 적합성을 만족시키는 감온 소재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is further characterized by a temperature sensitive material that satisfies cytotoxicity and biocompatibility to sense the degree of curing or environmental condition of the structure.
본 발명에 따른 3D 프린팅용 조성물 및 이를 이용한 3D 프린팅 방법은 가장 적합한 성능의 조성물을 사용하고 물리적 경화를 이용하여 구조체를 완성함으로써 정교하고 세포적합성이 우수한 바이오 구조체를 얻을 수 있도록 한다.The composition for 3D printing and the 3D printing method using the same according to the present invention can obtain a biocompatible structure having excellent elaboration and cell suitability by completing the structure using the most suitable composition and physical curing.
도 1은 종래 기술에 따른 바이오 구조체의 성형 방법에 관한 설명도,
도 2는 본 발명에 따른 바이오 구조체의 3D 프린팅 방법에 관한 순서도,
도 3은 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법 및 조성물에 대한 설명도,
도 4a, 4b, 4c, 4d 및 4e는 본 발명에 따라 물리적 경화를 이용하여 바이오 구조체를 완성하는 과정을 설명하는 설명도,
도 5는 본 발명에 따른 구조체의 조성물의 열경화에 따른 실험결과를 보여주는 사진,
도 6은 본 발명에 따른 구조체 조성물의 세포를 배양한 결과를 보여주는 사진,
도 7a, 7b 및 7c는 본 발명에 따른 구조체 조성물의 일 실시예에 관한 설명도,
도 8은 본 발명에 따른 조성물 및 프린팅 방법에 따라 성형과정의 일부를 보여주는 사진,
도 9는 본 발명에 따른 조성물 및 프린팅 방법에 따라 바이오 구조체를 성형한 결과를 보여주는 사진이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram of a conventional method for molding a biostructure,
FIG. 2 is a flow chart of a 3D printing method of a biostructure according to the present invention,
FIG. 3 is an explanatory diagram of a 3D printing method and composition according to the present invention,
4A, 4B, 4C, 4D, and 4E are explanatory diagrams illustrating a process of completing a biostructure using physical curing according to the present invention,
FIG. 5 is a photograph showing the experimental results of thermosetting the composition of the structure according to the present invention,
FIG. 6 is a photograph showing the result of culturing cells of the construct composition according to the present invention,
Figures 7a, 7b and 7c are explanatory views of an embodiment of the structure composition according to the present invention,
8 is a photograph showing a part of the molding process according to the composition and the printing method according to the present invention,
9 is a photograph showing the result of molding the biostructure according to the composition and the printing method according to the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예에 따른 3D 프린팅 방법 및 조성물에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시 할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않으며, 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이도록 한다.Hereinafter, a 3D printing method and a composition according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention is not limited to the embodiments described herein, but may be embodied in various different forms. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 생체재료 또는 생채적합성 재료를 이용하는 3D 프린팅은 바이오 잉크 즉, 줄기세포, 조직세포 내지 단백질을 포함하는 재료를 출력하며 적층 성형 함으로써 목적물이 형성된다. 따라서, 상기 생체재료가 출력되고 다시 그 위에 적층되는 일반적인 3D 프린팅 방식을 이용하여 3차원의 목적물 에컨대, 코, 귀, 심장 등의 생체재료를 이용한 목적물을 제작하는 것이다.As shown in FIG. 1, 3D printing using a conventional biomaterial or a biocompatible material forms a target by outputting a material containing bio-ink, that is, a stem cell, tissue cell, or protein, and stacking and molding. Accordingly, a target object using a living body material such as nose, ear, heart and the like is formed as a three-dimensional object using a general 3D printing method in which the biomaterial is outputted and laminated thereon.
일반적으로 상기 생체재료를 출력하기 위해서는 노즐이 마련된 주사기와 같은 형태의 저장공간에 상기 생체재료를 수용하고 외부에서 압력을 가하여 상기 노즐을 통해 생체재료가 출력되도록 하며, 경우에 따라서는 별도의 압력 조절장치가 마련되어 출력의 양 내지 출력의 속도를 제어할 수도 있다.Generally, in order to output the biomaterial, the biomaterial is received in a storage space such as a syringe provided with a nozzle, pressure is externally applied to the biomaterial to be output through the nozzle, and in some cases, An apparatus may be provided to control the amount of output or the rate of output.
도 2는 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법의 순서도로서 슬러리 상태의 지지체(100)를 준비하는 단계(S100), 상기 지지체(100) 내부에 구조체 조성물(310, 바이오 잉크)을 적층시키는 단계(S200), 상기 지지체(100) 및 구조체(300)의 환경 조건을 제어하는 단계(S300), 상기 구조체를 성형하는 단계(S400) 및 상기 지지체(100)를 제거(S500)하거나 성형된 상기 구조체를 배출하는 단계(S600)를 포함한다.FIG. 2 is a flow chart of a 3D printing method according to the present invention. FIG. 2 is a flowchart illustrating a 3D printing method according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, a slurry- (S300) controlling the environmental conditions of the support (100) and the structure (300), forming the structure (S400), and removing the support (100) (S500) Step S600.
본 발명에 따른 3D 프린팅 방법은 출력노즐(210)을 기존의 테이블 내지 베드에 적층하는 것이 아니라 물리적 유동성을 갖는 지지체(100)의 내부에 적층하는 방식이며, 상기 지지체(100)는 슬러리 형태 내지 서스펜션의 형태를 말한다. The 3D printing method according to the present invention is a method of stacking the
슬러리(slurry)란 고체와 액체의 혼합물 또는 미세한 고체입자가 물 속에 현탁(懸濁)됨으로써 현탁 물질을 함유하여 유동성이 적은 액체상태를 말하며, 서스펜션(suspension)은 액체 속에 고체의 미립자가 분산되어 있는 것으로, 이 때 미립자의 크기는 0.1∼10μ정도를 말한다. 또한, 빙햄 플라스틱 모델에 따른 지지체(100)의 경우 미립자의 크기는 0.1 내지 300 마이크로미터로 마련될 수 있다. A slurry refers to a liquid state in which a mixture of a solid and a liquid or a fine solid particle is suspended in water to contain a suspended material and thus has low fluidity, and a suspension is a liquid in which solid fine particles are dispersed in a liquid The size of the fine particles is about 0.1 to 10 mu. In addition, in the case of the
따라서, 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법은, 유동성은 있으나 일정 크기 이상의 강도를 가지는 지지체(100) 내부에 구조체 조성물(310)을 적층함으로써 외부로부터의 오염을 방지하고 세포 독성 및 세포 적합성과 같은 바이오 구조체(300) 만이 요구하는 특성을 반영한 3D 프린팅 방법인 것이다. Accordingly, the 3D printing method according to the present invention can prevent contamination from the outside by laminating the
본 발명은 우수한 성능의 구조체 조성물(310)을 사용하고, 이에 맞는 환경 조건을 제어함으로써 세포 독성 및 세포 적합성을 만족하는 바이오 구조체(300)를 얻는다. The present invention provides a
이에 따라 상기 환경 조건을 제어하는 단계(S300)는 온도 내지 압력을 제어하는 단계를 포함한다. 특히, 본 발명에 따른 구조체 조성물(310)은 열 경화성 소재를 사용함으로써 상기 환경 조건 중 온도에 대한 조건이 중요하다. 상기 온도는 인체의 체온과 유사한 온도로써 섭씨 35도 내지 40도의 조건을 부여한다.Accordingly, the step S300 of controlling the environmental condition includes the step of controlling the temperature or pressure. Particularly, the temperature of the environmental condition is important for the
또한, 압력에 대한 조건도 설정이 가능하며, 이때 상기 구조체 조성물(310)은 압력 조건에 반응하는 소재를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 빙햄 플라스틱 모델의 조건을 만족하는 소재가 사용될 수 있다.In addition, conditions for pressure can be set. In this case, the
상기 지지체(100)는 서스펜션 상태로서 겔, 하이드로겔, 알지네이트, 젤라틴, 콜라겐, 젤란 검, 피브린, 셀룰로오스, PLA, PEG, PVA, PLLA, PLGA 및 PCL 중 어느 하나 이상으로 마련될 수 있다. 이러한 소재들은 상기 구조체 조성물(310)에도 함께 사용될 수 있으며, 나아가 바이오 구조체로 활용될 수 있도록 FDA 승인과 같은 일정 요건을 만족해야 한다.The
상기 구조체 조성물(310)이 출력부(200) 내지 출력 노즐(210)로부터 배출되어 적층되는 원리는 종래 델타형 프린터, 링크구조 프린터 내지 다양한 방식의 3D 프린터의 방법에 적용될 수 있으며, 바람직하게는 본 출원인이 출원한 관절구조의 프린터가 활용될 수 있다.The principle that the
즉, 아암을 이동시키고 상기 아암과 힌지 연결된 출력헤드가 이동하면서 출력물을 제작하는 것이다. 상기 아암과 출력헤드 사이의 헤드 연결구는 힌지구조, 볼 조인트, 유니버셜 조인트, 링크구조 등 다양한 연결구로 마련될 수 있으며, 상기 아암을 복수로 마련하여 여러 개의 링크 구조의 연결로 상기 출력부를 이동시킬 수도 있다.That is, the output head is moved while moving the arm and the output head connected to the arm is hinged. The head connecting part between the arm and the output head may be provided with various connecting parts such as a hinge structure, a ball joint, a universal joint, and a link structure. A plurality of the arms may be provided to move the output part have.
상기 출력부는 출력헤드와 상기 출력헤드에 장착되는 출력노즐로 구성되며, 상기 출력노즐은 압축공기 펌프, 유압장치 내지 밸브 가운데 어느 하나 이상으로 구성된 공압조절부의 제어를 통해 출력 양 내지 출력 속도를 조절할 수 있다.The output unit may include an output head and an output nozzle mounted on the output head. The output nozzle may control an output amount and an output speed through a control of a pneumatic control unit including at least one of a compressed air pump, have.
또한, 상기 출력노즐은 크기가 작을수록 정밀한 성형이 가능하나 노즐 직경이 작을수록 생체재료의 압출 시 재료의 손상이 발생하기 때문에 0.01mm 내지 1mm으로 마련되고, 바람직하게는 0.2mm 내지 0.4mm의 직경으로 마련될 수 있다. 또한, 상기 출력노즐의 크기는 사용자의 요구 성능에 따라 다양하게 변경 실시될 수 있으며, 경우에 따라서 상기 출력노즐을 복수로 마련하여 생체재료를 출력할 수도 있다.The smaller the size of the output nozzle is, the more precise the molding can be performed. However, the smaller the diameter of the nozzle, the more the material is damaged when the biomaterial is extruded. Therefore, the diameter is preferably set to 0.01 mm to 1 mm, As shown in FIG. In addition, the size of the output nozzle may be variously changed according to the required performance of the user, and in some cases, the output nozzle may be provided to output the biomaterial.
이에 따른 작동 원리를 설명하면 이송로드를 따라 연직방향으로 이동하는 이송블럭과 상기 이송블럭에 힌지 여결된 아암이 동작하면서 상기 출력부를 수직방향 내지 수평방향으로 이동시키면서 생체재료를 출력한다. 즉, 연직 방향으로 세워진 이송로드와 상기 이송로드를 슬라이딩 이동하며 상기 출력부와 연결된 아암을 이동시키며 출력하는 방법이며, 이러한 방법은 출력부 내지 출력물과 마찰에 의한 오염을 최소화 하기 위해 슬라이딩부분을 외곽으로 배치한 것이다.To explain the operation principle, a transfer block moving in the vertical direction along the transfer rod and an arm hinged to the transfer block operate to output the biomaterial while moving the output portion in the vertical direction or the horizontal direction. That is, a method of moving a conveying rod erected in a vertical direction and an arm connected to the output unit by slidingly moving the conveying rod and outputting the output. In order to minimize contamination due to friction between the output unit and the output unit, .
상기 아암은 상기 출력부와 연결되는 제1 아암과 상기 상부프레임에 연결되는 제2 아암이 수동관절에 의해 링크 연결되고, 상기 제2 아암의 일단이 상기 상부프레임에 능동관절로 연결되어 상기 능동관절의 회전운동에 따라 상기 제1 아암이 상기 출력부를 상하운동 내지 수평운동 시킬 수 있다. Wherein the arm is linked by a first arm connected to the output unit and a second arm connected to the upper frame by a passive joint, and one end of the second arm is connected to the upper frame by an active joint, The first arm can vertically move or horizontally move the output unit.
본 발명에 따른 바이오 구조체의 3D 프린팅 방법은 상술한 바와 같이 본 출원인에 의해 출원된 관절구조 프린터가 활용될 수 있으며, 이러한 관절구조 프린터를 슬러리 상태의 지지체를 베드로 이용함으로써 구조체 조성물을 적층하는 것이다. The 3D printing method of the biostructure according to the present invention can be applied to the articulated printer as filed by the present applicant as described above, and the articulated printer is laminated with the structure composition by using a slurry-like support as a bed.
본 발명에 따른 상기 구조체 조성물(310)은 열 경화성 소재를 사용하고 상기 지지체(100)는 열 가소성 소재를 사용함으로써 상기 구조체(300)를 성형한 후 상기 환경 조건을 섭씨 35도 내지 40도로 승온시켜 상기 구조체(300)를 경화시키며, 상기 환경 조건 및 구조체(300)의 경화 정도를 센싱하기 위해 상기 구조체 조성물 내지 상기 지지체 및 보울(400)에 감온 소재 내지 온도 센서(미도시)를 마련할 수 있다.The
상기 지지체(100)와 상기 구조체 조성물(310)의 물성을 유사한 소재를 사용할 수도 있으며, 상술한 바와 같이 열경화성 내지 열가역성과 같은 물성이 상이한 소재를 사용함으로써 세포 독성 내지 세포 적합성이 가장 우수한 구조체를 얻을 수 있다. Materials having similar physical properties to the
또한, 목적하는 바이오 구조체(300)의 종류, 크기, 성질 등에 따라 환경 조건을 상이하게 변경하거나 선택할 수 있다. 따라서, 이러한 환경조건을 센싱하는 소재 내지 센서(미도시)가 하나 이상 마련되어 사용자에게 알람 할 수 있다.In addition, the environmental conditions can be changed or selected differently depending on the type, size, property, etc. of the
상기 구조체 조성물(310)은 겔, 하이드로겔, 알지네이트, 젤라틴, 콜라겐, Poloxamer 407(Pluronic F127), 젤란 검, 피브린, 셀룰로오스, PLA, PEG, PVA, PLLA, PLGA, PCL 및 빙햄 플라스틱 중 어느 하나 이상으로 마련될 수 있다.The
상기 구조체 조성물(310)은 콜라겐을 사용하되, 염기성 용액이나 완충 용액이 포함된 지지체에 출력하여 gelation 시키며, 상기 염기성 용액의 산도는 pH 7.0 내지 7.5로 마련되고, 상기 완충 용액은 HEPES, BES, TES 내지 MOPS 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.The
상기 구조체 조성물(310)은 콜라겐을 사용하되 섭씨 35도 내지 40도에서 경화되도록 열 경화성 소재를 포함하며, 출력 노즐(210)에서 토출이 용이하도록 상기 출력 노즐(210)에서의 전단율(shear rate)을 참고하여 상기 구조체 조성물(310)의 점도 및 표면장력을 선택 및 제어할 수 있다. 또한, 화학적 경화를 위해 보강재 및 가교제가 더 포함될 수 있다.The
상기 환경 조건을 제어하기 이전에는, 상기 지지체(100) 및 구조체 조성물(310)은 섭씨 20도 내지 25도에서 마련하고, 상기 지지체(100) 내부에 상기 구조체 조성물(310)을 성형한 후 섭씨 35도 내지 40도로 승온하여 상기 구조체(300)를 물리적 경화시키되, 승온의 과정을 단계별로 설정하거나 상기 구조체(300)의 종류에 따라 선택적으로 제어함으로써 세포손상을 최소화 할 수 있다.Prior to controlling the environmental conditions, the
추가 설명하면, 상기 구조체 조성물(310)은 콜라겐을 사용하되 섭씨 10도 내지 20도에서 pre-gelation이 발생하고, 섭씨 35도 내지 40도에서 완전 gelation(겔화, 경화) 되는 것이다.In further detail, the
상기 지지체(100)는 상기 구조체의 겔화(gelation) 이후, 소정 범위 이내의 pH 변화에 따라 제거되며, 상기 지지체로는 빙햄 플라스틱 모델에 따른 카보머(carbomer)로 마련될 수 있다.After the gelation of the structure, the
도 3은 본 발명에 따른 3D 프린팅 방법 및 조성물에 대한 설명도로서 도시된 바와 같이 보울(400)에 지지체(100)를 준비하고 상기 지지체(100) 내부에 출력노즐(210)을 이용하여 구조체 조성물(310)를 적층한다.FIG. 3 is a diagram illustrating a 3D printing method and a composition according to the present invention. Referring to FIG. 3, a
상기 구조체 조성물(310)은 앞서 설명한 바와 같이 열 경화성 소재를 사용하고 목적하는 세포를 포함하며 경우에 따라서 보강재 및 가교제를 포함할 수 있다. 그리고, 상기 지지체(100)는 유동성 있는 소재로서 서스펜션 상태 내지 슬러리 상태의 소재가 이용된다. As described above, the
도 4a, 4b, 4c, 4d 및 4e는 본 발명에 따라 물리적 경화를 이용하여 바이오 구조체(300)를 완성하는 과정을 설명하는 설명도로서, 상기 출력노즐(210)에서 구조체 조성물(310)이 배출되는 원리는 기존의 프린팅 방식과 차이가 없으나 상기 조성물(310)이 지지되는 부재가 종래 베드가 아닌 유동성 있는 지지체(100)인 것이다.4A, 4B, 4C, 4D, and 4E are explanatory diagrams illustrating the process of completing the
구조체 조성물(310)의 적층이 완료되면 상기 실험실의 환경 조건 중, 온도를 제어하는데 승온되는 온도를 섭씨 35도 내지 40도로 하게 되면 상기 구조체 조성물(310)이 열에 의한 물리적 경화를 진행하여 원하는 바이오 구조체(300)를 얻을 수 있다.When the lamination of the
도 5는 본 발명에 따른 구조체 조성물(310)의 열 경화에 따른 실험결과를 보여주는 사진이며, 도 6은 본 발명에 따른 구조체 조성물(310)의 세포를 배양한 결과를 보여주는 사진이다.FIG. 5 is a photograph showing a result of an experiment according to thermosetting of the
도 7a, 7b 및 7c는 본 발명에 따른 구조체 조성물(310)의 일 실시예에 따른 Pluronic acid 의 구조식, 온도와의 관계 및 물리적 변화 과정을 보여준다.Figures 7a, 7b and 7c show the structural formula of pluronic acid according to one embodiment of the
도 8은 본 발명에 따른 구조체 조성물(310) 및 프린팅 방법에 따라 성형과정의 일부를 보여주는 사진이며, 9는 본 발명에 따른 구조체 조성물(310) 및 프린팅 방법에 따라 바이오 구조체(300)를 성형한 결과를 보여주는 사진이다8 is a photograph showing a part of the molding process according to the
본 발명에 따른 슬러리 상태의 지지체(100)를 준비하는 단계(S100), 상기 지지체(100) 내부에 구조체 조성물(310, 바이오 잉크)을 적층시키는 단계(S200), 상기 지지체(100) 및 구조체(300)의 환경 조건을 제어하는 단계(S300), 상기 구조체를 성형하는 단계(S400) 및 상기 지지체(100)를 제거(S500)하거나 성형된 상기 구조체를 배출하는 단계(S600)를 포함하는 바이오 3D 프린팅 방법에 사용되는 구조체 조성물은,A step S200 of laminating a structure composition 310 (bio ink) inside the support 100 (S200), a step (S200) of preparing a
콜라겐, 보강재, 세포 및 가교제를 포함하고, 섭씨 35도 내지 40도에서 경화되는 것을 특징으로 한다. Collagen, a reinforcing material, a cell and a crosslinking agent, and is cured at 35 to 40 degrees Celsius.
상기 구조체 조성물(310) Pluronic acid 을 더 포함할 수 있으며, 상기 Pluronic acid 의 구조식은,The structural composition (310) may further contain pluronic acid, and the structural formula of Pluronic acid may include,
또한, 상기 상기 구조체 조성물의 경화 정도 내지 환경 조건을 센싱하기 위해 세포 독성 및 생체 적합성을 만족시키는 감온 소재를 더 포함할 수도 있다.In addition, it may further include a temperature sensitive material which satisfies cytotoxicity and biocompatibility to sense the degree of curing or environmental condition of the structure composition.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서의 단순 치환, 변형 및 변경은 당 분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and simple substitution, modification and alteration within the technical spirit of the present invention will be apparent to those skilled in the art.
본 발명에 따른 3D 프린팅 방법 및 조성물은 세포 독성 및 세포 적합성을 만족하는 바이오 프린팅 산업에 이용될 수 있다.The 3D printing method and composition according to the present invention can be used in the bioprinting industry which satisfies cytotoxicity and cell suitability.
100: 지지체(slurry) 200: 출력부
210: 출력노즐 300: 구조체
310: 구조체 조성물 400: 보울
S100: 지지체 준비단계
S200: 구조체 조성물 적층단계
S300: 환경조건 제어 단계
S400: 구조체 성형단계
S500: 지지체 제거단계
S600: 구조체 배출단계100: slurry 200: output part
210: output nozzle 300: structure
310: Structure Composition 400: Bowl
S100: Preparation step of support
S200: Structure composition lamination step
S300: Environmental condition control step
S400: Structure molding step
S500: Step of removing the support
S600: Stage release stage
Claims (13)
슬러리 상태의 지지체를 준비하는 단계;
상기 지지체 내부에 구조체 조성물(바이오 잉크)을 적층시키는 단계;
상기 지지체 및 구조체의 환경 조건을 제어하는 단계; 및
상기 지지체를 제거하거나 성형된 상기 구조체를 배출하는 단계; 를 포함하며,
상기 환경 조건을 제어하는 단계; 는 온도 내지 압력을 제어하는 단계; 를 포함하고,
상기 지지체는 서스펜션 상태로서 겔, 하이드로겔, 알지네이트, 젤라틴, 콜라겐, 젤란 검, 피브린, 셀룰로오스, PLA, PEG, PVA, PLLA, PLGA 및 PCL 중 어느 하나 이상으로 마련되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.In a 3D printing method using bio ink,
Preparing a slurry-state support;
Laminating a structure composition (bio ink) inside the support;
Controlling environmental conditions of the support and the structure; And
Removing the support or ejecting the molded structure; / RTI >
Controlling the environmental condition; Controlling the temperature or pressure; Lt; / RTI >
Wherein the support is in a suspension state in at least one of gel, hydrogel, alginate, gelatin, collagen, gellan gum, fibrin, cellulose, PLA, PEG, PVA, PLLA, PLGA and PCL.
상기 구조체 조성물은 열 경화성 소재를 사용하고 상기 지지체는 열 가소성 소재를 사용함으로써 상기 구조체를 성형한 후 상기 환경 조건을 섭씨 35도 내지 40도로 승온시켜 상기 구조체를 경화시키며, 상기 환경 조건 및 구조체의 경화 정도를 센싱하기 위해 상기 구조체 조성물 내지 상기 지지체 및 보울에 감온 소재 내지 온도 센서를 마련하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the structural composition comprises a thermosetting material and the support comprises a thermoplastic material to form the structure and then the temperature is raised by 35 to 40 degrees Celsius to cure the structure and the environmental conditions and the curing Wherein a temperature sensitive material or a temperature sensor is provided on the structure composition, the support, and the bowl to sense a degree of the temperature.
상기 구조체 조성물은 겔, 하이드로겔, 알지네이트, 젤라틴, 콜라겐, Pluronic acid, 젤란 검, 피브린, 셀룰로오스, PLA, PEG, PVA, PLLA, PLGA, PCL 및 빙햄 플라스틱 중 어느 하나 이상으로 마련되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
The method according to claim 1,
Characterized in that the structure composition is provided by at least one of gel, hydrogel, alginate, gelatin, collagen, pluronic acid, gellan gum, fibrin, cellulose, PLA, PEG, PVA, PLLA, PLGA, PCL and Bingham plastics 3D printing method.
상기 구조체 조성물은 콜라겐을 사용하되 섭씨 10도 내지 20도에서 pre-gelation이 발생하고, 섭씨 35도 내지 40도에서 완전 gelation(겔화, 경화) 되는 열 경화성 소재를 사용하며, 출력 노즐에서 토출이 용이하도록 상기 출력 노즐에서의 전단율(shear rate)을 참고하여 상기 구조체 조성물의 점도 및 표면장력을 선택 및 제어하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법. The method according to claim 1,
The structure composition uses a thermosetting material which is pre-gelated at 10 to 20 degrees Celsius and completely gelated (gelated, cured) at 35 to 40 degrees Celsius using collagen, and is easily ejected from an output nozzle Wherein the viscosity and surface tension of the structure composition are selected and controlled by referring to a shear rate at the output nozzle.
상기 구조체 조성물은 가교제 및 보강재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the structural composition further comprises a crosslinking agent and a reinforcing material.
상기 구조체 조성물은 콜라겐을 사용하되, 염기성 용액이나 완충 용액이 포함된 지지체에 출력하여 gelation 시키며, 상기 염기성 용액의 산도는 pH 7.0 내지 7.5로 마련되고, 상기 완충 용액은 HEPES, BES, TES 내지 MOPS 중 어느 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법. The method according to claim 1,
Wherein the acidicity of the basic solution is adjusted to a pH of 7.0 to 7.5, and the buffer solution is selected from the group consisting of HEPES, BES, TES to MOPS Wherein at least one of the at least two of the three-dimensional images is used.
상기 지지체는 상기 구조체의 겔화(gelation) 이후, 소정 범위 이내의 pH 변화에 따라 제거되며, 상기 지지체로는 빙햄 플라스틱 모델에 따른 카보머(carbomer)인 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the support is removed according to a pH change within a predetermined range after gelation of the structure, and the support is a carbomer according to a Bingham plastic model.
상기 환경 조건을 제어하기 이전에는, 상기 지지체 및 구조체 조성물은 섭씨 20도 내지 25도에서 마련하고, 상기 지지체 내부에 상기 구조체 조성물을 성형한 후 섭씨 35도 내지 40도로 승온하여 상기 구조체를 물리적 경화시키되, 승온의 과정을 단계별로 설정하거나 상기 구조체의 종류에 따라 선택적으로 제어함으로써 세포손상을 최소화 하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅 방법.
The method according to claim 1,
Prior to controlling the environmental conditions, the support and the structure composition are prepared at 20 to 25 degrees Celsius, and the structure composition is formed inside the support, and the temperature is raised by 35 to 40 degrees Celsius to physically cure the structure And the temperature increase process is set in a stepwise manner or selectively controlled according to the type of the structure, thereby minimizing cell damage.
콜라겐 및 세포를 포함하고, 섭씨 10도 내지 20도에서 pre-gelation이 발생하고, 섭씨 35도 내지 40도에서 완전 gelation(겔화, 경화) 되는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 조성물.
A structure composition for use in the 3D printing method according to claim 1,
Collagen and cells, wherein pre-gelation occurs at 10 to 20 degrees Celsius, and full gelation (gelation, curing) occurs at 35 to 40 degrees Celsius.
Pluronic acid 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 조성물.
10. The method of claim 9,
≪ RTI ID = 0.0 > Pluronic < / RTI > acid.
11. The method of claim 10,
상기 구조체 조성물은 압력의 증가에 따라 점도가 감소하는 빙햄 플라스틱 모델의 소재를 이용하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 조성물.
10. The method of claim 9,
Wherein the structural composition uses a Bingham plastic model material whose viscosity decreases with increasing pressure.
상기 구조체의 경화 정도 내지 환경 조건을 센싱하기 위해 세포 독성 및 생체 적합성을 만족시키는 감온 소재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 조성물.
10. The method of claim 9,
The composition for 3D printing according to claim 1, further comprising a temperature-sensitive material that satisfies cytotoxicity and biocompatibility to sense the curing degree or environmental condition of the structure.
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