KR20170120766A - 입체형상의 골 이식재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

입체형상의 골 이식재가 개시된다. 본 발명에 따른 입체형상의 골 이식재는, 세라믹 골 이식재를 원료로 하여 3차원 프린터에 의해 3차원 입체 형상으로 마련되는 스캐폴드(scaffold)를 구비하며, 상기 스캐폴드는, 3차원 프린터의 노즐에서 분사되는 세라믹 골 이식재가 구불구불한 라인 형상으로 마련되는 복수개의 골 이식층을 포함한다.

Description

입체형상의 골 이식재 및 그 제조방법{Bone Graft Material having three dimensional shape and Method of Manufacturing the same}

본 발명은, 입체형상의 골 이식재 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 치과용 임플란트 시술 시 피시술자의 잔존 치조골이 부족할 경우 치조골의 결손 부위에 이식되는 입체형상의 골 이식재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

감염성 질환이나 외상, 임플란트 식립과 연관하여 잔존 골량이 부족한 경우 결손된 골조직을 회복하기 위해 골 이식술을 이용한 재건수술이 시행되어진다.

이를 위해 골유도재생술과 동반하거나 또는 단독으로 사용되는 여러 종류의 이식재 중 자가골이 골형성, 골유도, 골전도의 성질을 모두 가진 이상적인 이식재로 평가되지만, 채득을 위한 부가적인 수술부위가 필요하고, 이로 인한 환자 불편과 합병증의 가능성이 증가하는 단점을 갖는다.

이러한 문제점으로 인하여 자가골을 대체하기 위한 여러 종류의 골 이식재에 대해 많은 연구가 이루어져왔다. 이중 부분적으로 골유도능을 가지는 것으로 알려진 탈회동결건조골을 이용한 골이식술이 많이 시행되어져 왔다.

하지만 골유도능을 가지는 것으로 알려진 골형성 단백질의 존재와 양에 대해 의문이 제기되었고, 질병전염의 가능성을 전혀 배제할 수 없다는 문제점을 가지며, 또한 임상에서 사용시 부적절한 흡수율과 강도가 단점이 될 수 있다.

이에 따라, 동종골 이식재와 더불어 최근에는 우골에서 단백질을 제거한 이종골 이식재, 생체유리와 여러 조성의 인산칼슘염과 탄산칼슘염 등의 질병전염의 가능성이 전혀 없는 합성골 이식재에 대한 연구가 광범위하게 이루어져 왔다.

한편, 최근에는 조직공학적 접근을 통한 골 재생에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 이를 위한 골 재생용 스캐폴드(scaffold)의 개발에 대한 연구가 급속도로 증가하고 있다.

조직공학적 측면에서, 뼈 수복 과정에서 가장 고려되어야 할 요소는 골형성 전구세포(osteogenic progenitor cell), 골유도 성장인자(osteoinductive growth factor)와 골전도 기질(osteoconductive matrices)이다.

이중 뼈 성장과 조직 발달을 위한 구조 및 특이적 환경을 제공하는 임시적인 매트릭스로써 이상적인 스캐폴드는 세포의 부착, 성장, 그리고 분화를 도울 수 있어야 하기 때문에, 스캐폴드는 공극의 크기, 공극 상호 간극의 크기 그리고 공극률의 기하학적 변수가 고려되어 디자인 되어야 한다.

이상적인 스캐폴드 제작을 위한 방법으로써 특정모양의 틀(mold)에 골분말과 중합체를 형성하는 물질을 혼합하여 3차원 스캐폴드를 제작하고 이를 체내에 이식하거나 체외배양하여 형성된 조직을 이식하려는 시도들이 진행되어 왔다.

하지만 최근 들어 이러한 스캐폴드를 제작하기 위해서 분말형 재료를 기반으로 하는 3차원 프린팅(powder based three-dimensional printing)같은 쾌속조형기술(RP, Rapid Prototype) 기술이 주목 받고 있다.

쾌속조형기술이란 3차원 영상자료의 2차원 단면화를 통해서 재료를 체계적으로 한 층씩 적층함으로써 실제 3차원 모델을 빠른 시간 안에 제작할 수 있는 기술을 일컫는다.

현재 의료분야에서의 쾌속조형기술은 환자의 씨티(CT) 영상자료를 이용하여 해부학적 모델(anatomical model)을 제작하여 질환부위의 모의시술을 위한 용도로서 주로 사용되고 있다.

최근에는 더 나아가 골 조직공학 재생분야에서 환자의 씨티(CT) 영상자료를 기반으로 환부 맞춤형 스캐폴드를 제작하고, 이를 이용하여 골 결손부의 수복을 위한 목적으로 연구되고 있다.

이러한 스캐폴드에 혈액이 흐를 수 있는 미세한 공동이 생성된 경우, 공동을 타고 흐르는 혈액에 의해 피시술자의 골이 재생됨으로써, 골 이식의 효율을 더욱 높일 수 있다.

따라서 스캐폴드에 미세한 공동을 용이하게 형성할 수 있는 입체형상의 골 이식재의 개발이 필요한 실정이다.

대한민국 공개특허공보 제10-2009-0061333호, (2009.06.16.)

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 피시술자의 체내에 삽입되는 스캐폴드에 미세한 공동을 용이하게 형성할 수 있는 입체형상의 골 이식재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 세라믹 골 이식재를 원료로 하여 3차원 프린터에 의해 3차원 입체 형상으로 마련되는 스캐폴드(scaffold)를 구비하며, 상기 스캐폴드는, 상기 3차원 프린터의 노즐에서 분사되는 상기 세라믹 골 이식재가 구불구불한 라인 형상으로 마련되는 복수개의 골 이식층을 포함하는 입체형상의 골 이식재가 제공될 수 있다.

상기 복수개의 골 이식층은, 제1 골 이식층; 및 상기 제1 골 이식층에 교차하는 방향으로 배치되는 제2 골 이식층을 포함할 수 있다.

상기 복수개의 골 이식층은, 제1 골 이식층; 및 상기 제1 골 이식층에 나란한 방향으로 평행이동되는 방향으로 배치되는 제2 골 이식층을 할 수 있다.

상기 스캐폴드는, 상면부; 상기 상면부에서 이격되어 배치되는 하면부; 및 상기 상면부와 하면부를 연결하는 복수의 측면부를 포함하며, 상기 복수의 측면부 중 적어도 어느 하나는, 상기 상면부에 연결되는 제1 측벽; 및 상기 제1 측벽에 연결되고 상기 하단부에 연결되는 제2 측벽를 포함할 수 있다.

상기 상면부는 상기 하면부보다 넓은 면적을 가지며, 상기 제2 측벽은 상기 제1 측벽에 대하여 비스듬하게 경사지게 배치될 수 있다.

상기 세라믹 골 이식재는, 분말 형태로 마련되는 골 충진재; 및 상기 골 충진재에 혼합되어 슬러리를 형성하며, 상기 슬러리의 사출 공정 시 상기 슬러리의 유동성을 높이고, 사출된 상기 슬러리의 소결 공정 시 상기 소결 공정 후에 생성된 소결 성형품에 다수개의 기공을 형성하는 바인더(binder)를 포함할 수 있다.

상기 골 충진재의 평균 입도(平均 粒度, average granularity)는, 100 내지 200 나노미터(nm)이며, 상기 골 충진재의 최대 입도(最大 粒度, maximum granularity)는, 200 나노미터(nm)일 수 있다.

상기 골 충진재는 상기 슬러리에서 31 내지 80 중량퍼센트(wt%)를 갖으며, 상기 기공의 직경은 100 내지 1000 마이크로미터(μm)일 수 있다.

상기 바인더의 기화점은, 상기 소결 공정에서의 소결 온도보다 낮으며, 상기 소결 온도는 900 내지 1300도 일 수 있다.

상기 소결 성형품의 구성물질은, 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HA)와 베타 트리칼슘 포스페이트(Beta Tricalcium Phosphate, β-TCP)를 포함하며, 상기 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HA)는 10 내지 90 중량퍼센트(wt%)이고, 상기 베타 트리칼슘 포스페이트(Beta Tricalcium Phosphate, β-TCP)는 10 내지 90 중량퍼센트(wt%)일 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 3차원 프린터에 사용되는 세라믹 골 이식재를 마련하는 세라믹 골 이식재 생성단계; 및 상기 3차원 프린터가 상기 세라믹 골 이식재를 적층하여 스캐폴드를 형성하는 3차원 프린팅단계를 포함하며, 상기 스캐폴드는, 상기 3차원 프린터의 노즐에서 분사되는 상기 세라믹 골 이식재가 구불구불한 라인 형상으로 마련되는 복수개의 골 이식층을 포함하는 입체형상의 골 이식재의 제조방법이 제공될 수 있다.

상기 세라믹 골 이식재 생성단계는, 분말 형태로 마련되는 골 충진재에 바인더(binder)를 혼합하여 슬러리를 형성하는 슬러리 형성단계; 상기 슬러리를 가압 사출하는 사출 성형단계; 및 상기 사출 성형단계에서 사출된 사출품을 소결 성형하여 소결 성형품을 생성하는 소결 성형단계를 포함할 수 있다.

상기 세라믹 골 이식재 생성단계는, 상기 사출 성형단계 후 상기 사출품을 건조하는 건조단계를 더 포함할 수 있다.

상기 세라믹 골 이식재 생성단계는, 상기 건조단계 후 건조된 상기 사출품을 절단하는 절단단계를 더 포함할 수 있다.

상기 세라믹 골 이식재 생성단계는, 상기 소결단계 후 상기 소결 성형품 중 미리 결정된 크기 이상의 크기를 가지는 소결 성형품을 제거하는 체가름 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 세라믹 골 이식재 생성단계는, 상기 체가름 단계 후 상기 소결 성형품을 연삭하는 연삭단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 피시술자의 체내에 삽입되는 스캐폴드를 골 충진재에 혼합되어 슬러리를 형성하며 슬러리의 사출 공정 시 골 충진재의 유동성을 높이고 사출된 슬러리의 소결 공정 시 소결 공정 후에 생성된 소결 성형품에 다수개의 기공을 형성하는 바인더(binder)를 구비하는 세라믹 골 이식재를 원료로 하여 3차원 프린팅함으로써, 피시술자의 체내에 삽입되는 스캐폴드에 미세한 공동을 용이하게 형성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형상의 골 이식재를 제조하는 제조 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형상의 골 이식재의 제조방법이 도시된 도면이다.
도 3은 도 1의 3차원 프린트에 의해 프린팅된 스캐폴드들의 다양한 형태가 도시된 도면이다.
도 4 및 도 5는 도 3의 3차원 프린트가 세라믹 골 이식재를 적층하는 툴 패스(tool pass)가 개략적으로 도시된 모식도이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

이하에서 설명될 세라믹 골 이식재는, 치과용 임플란트 시술 시 피시술자의 잔존 치조골이 부족할 경우에 사용되는 것으로 설명하나, 이에 본 발명의 권리범위가 한정되는 것이 아니며, 치조골 외에 다른 부위의 골 이식에도 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형상의 골 이식재를 제조하는 제조 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 1의 3차원 프린트에 의해 프린팅된 스캐폴드들의 다양한 형태가 도시된 도면이며, 도 4 및 도 5는 도 3의 3차원 프린트가 세라믹 골 이식재를 적층하는 툴 패스(tool pass)가 개략적으로 도시된 모식도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 입체형상의 골 이식재는, 세라믹 골 이식재를 원료로 하여 3차원 프린터(180)에 의해 3차원 입체 형상으로 마련되는 스캐폴드(scaffold, F)를 구비한다. 여기서 스캐폴드(F)란 조직의 인공적 대체품으로 체내에서 세포가 부착하여 자랄 수 있는 지지체 역할을 수행하는 기구를 말한다.

이러한 스캐폴드(F)는 치조골이 부족한 피시술자의 체내에 삽입되어 부족한 치조골을 대신하고 치조골을 복원하는 기능을 수행한다.

이러한 스캐폴드(F)는 3차원 프린터(180)에 의해 3차원 입체형상으로 적층되어 마련된다. 도 3에 도시된 바와 같이 스캐폴드(F)는, 상면부(F1)와, 상기 상면부(F1)에서 이격되어 배치되는 하면부(F2)와, 상면부(F1)와 하면부(F2)를 연결하는 복수의 측면부(F3)를 포함한다.

본 실시예에서 스캐폴드(F)는 직육면체와 유사한 구조를 가진다. 다만, 본 실시예에 따른 스캐폴드(F)는 체내에 삽입 시 치조골과 유사한 형태를 가지도록 상기 복수의 측면부(F3) 중 적어도 어느 하나는, 상면부(F1)에 연결되는 제1 측벽(F4)와, 제1 측벽(F4)에 연결되고 상기 하단부에 연결되는 제2 측벽(F5)를 구비한다.

여기서 상면부(F1)는 상기 하면부(F2)보다 넓은 면적을 가지며, 상기 제2 측벽(F5)는 상기 제1 측벽(F4)에 대하여 비스듬하게 경사지게 배치된다.

이러한 스캐폴드(F)의 다수개의 세라믹 골 이식재 층이 적층되어 형성된다. 즉 3차원 프린터(180)는 다수개의 층을 쌓아 3차원 입체구조의 스캐폴드(F)를 형성한다.

3차원 프린터(180)는 세라믹 골 이식재 층을 형성 시 세라믹 골 이식재를 분사하는 노즐을 지그재그(zigzag)방향으로 이동시켜 세라믹 골 이식재 층을 형성한다.

이때 3차원 프린터(180)의 노즐은 소정의 툴 패스(tool pass)를 따라 이동되며, 이때 3차원 프린터(180)의 노즐의 이동에 따라 형성된 세라믹 골 이식재 층은, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 구불구불한 라인 형상으로 마련된다.

도 4에 도시된 복수개의 세라믹 골 이식재 층은, 3차원 프린터(180)의 노즐의 툴 패스(tool pass)에 의해 구불구불한 라인 형상으로 생성된 라인부(L)를 가진다. 이러한 라인부(L)들은, 도 4에 도시된 바와 같이, 소정의 간격은 두고 이격된다.

여기서 도 4에 도시된 복수개의 세라믹 골 이식재 층은, 제1 골 이식층과, 제1 골 이식층에 교차하는 방향으로 배치되는 제2 골 이식층을 포함한다.

도 4에서 가장 하부에 배치된 세라믹 골 이식재 층을 제1 골 이식층이라 하면, 제1 골 이식층 상부에 제2 골 이식층이 적층되고 제2 골 이식층 상부에 다시 제1 골 이식층이 적층된다.

이와 같이 도 4에 도시된 복수개의 세라믹 골 이식재 층은, 제1 골 이식층과, 제1 골 이식층에 교차하는 방향으로 배치되는 제2 골 이식층이 서로 교대로 적층되는 구조를 이룬다.

한편, 도 5에 도시된 복수개의 세라믹 골 이식재 층은, 3차원 프린터(180)의 노즐의 툴 패스(tool pass)에 의해 구불구불한 라인 형상으로 생성된 라인부(L)를 가진다. 이러한 라인부(L)들은, 도 5에 도시된 바와 같이, 소정의 간격은 두고 이격된다.

여기서 도 5에 도시된 복수개의 세라믹 골 이식재 층은, 제1 골 이식층과, 제1 골 이식층에 나란한 방향으로 평행이동되어 배치되는 제2 골 이식층을 포함한다.

도 5에서 가장 하부에 배치된 세라믹 골 이식재 층을 제1 골 이식층이라 하면, 제1 골 이식층 상부에 제2 골 이식층이 적층되고 제2 골 이식층 상부에 다시 제1 골 이식층이 적층된다.

이와 같이 도 5에 도시된 복수개의 세라믹 골 이식재 층은, 제1 골 이식층과, 제1 골 이식층에 나란한 방향으로 평행이동되어 제2 골 이식층이 서로 교대로 적층되는 구조를 이룬다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 라인부(L)들은 소정의 간격은 두고 이격되며, 이에 따라 라인부(L)들 사이의 간격은 전체 스캐폴드(F)의 구조에서 공극 역할을 수행한다. 여기서 도 4 및 도 5에 도시된 라인부(L)들 및 라인부(L)들 사이의 간격은 매우 작은 크기를 가지는 것으로, 도 4 및 도 5는 이를 용이하게 설명할 수 있도록 과장되게 도시되었다.(도 4 및 도 5의 구조는 매우 미세하므로 육안으로 관찰되는 스캐폴드의 구조는 도 3과 같다.)

이와 같이 본 실시예에 따른 스캐폴드(F)는, 소정 간격을 두고 이격된 라인부(L)들로 이루어진 세라믹 골 이식재 층들이 적층되어 마련됨으로써, 라인부(L)들의 간격 사이로 혈액이 용이하게 유동될 수 있는 이점이 있다.

한편, 본 실시예의 세라믹 골 이식재는, 분말 형태로 마련되는 골 충진재와, 골 충진재에 혼합되어 슬러리를 형성하며 슬러리의 사출 공정 시 골 충진재의 유동성을 높이고 사출된 슬러리의 소결 공정 시 소결 공정 후에 생성된 소결 성형품에 다수개의 기공을 형성하는 바인더(binder)를 포함한다.

본 실시예에서 골 충진재는 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HA)와 베타 트리칼슘 포스페이트(Beta Tricalcium Phosphate, β-TCP)를 포함하는데, 이에 본 발명의 권리범위가 한정되지 않으며, 다른 세라믹 물질도 본 실시예의 골 충진재로 사용될 수 있다.

본 실시예에서 골 충진재는 분말 형태로 마련된다. 본 실시예에서 골 충진재의 평균 입도(平均 粒度, average granularity)는, 100 내지 200 나노미터(nm)로 이룬다. 여기서 입도(粒度, average granularity) 금속 분말을 이루는 알갱이 하나하나의 평균 지름이나 대표 지름을 말한다.

또한, 본 실시예에서 골 충진재의 최대 입도(最大 粒度, maximum granularity)는, 200 나노미터(nm)를 이룬다.

이와 같이 본 실시예에 따른 골 충진재는, 상술한 평균 입도와 최대 입도를 가지는 미세한 분말 형태로 마련됨으로써, 바인더와 더욱 용이하게 혼합될 수 있고, 그에 따라 사출 공정 시 유동성을 더욱 향상시킬 수 있다.

바인더(binder)는, 골 충진재에 혼합되어 슬러리(slurry)를 형성한다. 여기서 슬러리란, 불용성의 고체 미립자를 서스펜션 상태로 함유한 유동성을 지닌 고체와 액체의 혼합물을 말한다. 이러한 골 충진재와 바인더의 혼합은 혼합유닛(110)에서 이루어진다.

본 실시예에서 골 충진재와 바인더의 혼합 시 골 충진재는, 슬러리에서 31 내지 80 중량퍼센트(wt%)를 가지도록 한다.

또한 본 실시예에서 바인더(binder)에는, 폴리메틸메타아크릴레이트(PMMA, Poly Methyl Meta Acrylate) 등이 사용될 수 있는데, 이에 본 발명의 권리범위가 이에 한정되지 않으며 골 충진재와 혼합되어 슬러리를 형성할 수 있는 다양한 물질이 본 실시예의 바인더로 사용될 수 있다.

또한 본 실시예에 따른 세라믹 골 이식재에는, 슬러리 형성 시 상술한 골 충진재와 바인더 외에 분산제, 응집제, 점성제 등이 더 추가될 수도 있다.

한편 바인더는, 슬러리의 사출 공정 시 슬러리의 유동성을 높인다. 본 실시예에서 슬러리는 사출유닛(120)에 의해 가압 사출되는데, 바인더는 슬러리의 가압 사출 시 유동성을 높이는 역할을 한다.

한편, 슬러리의 사출에 의해 생성된 사출품은 별도의 건조유닛에서 건조된다.

또한 건조된 사출품은 차후에 3차원 프린터(180)의 프린팅 원료로 사용될 수 있도록 적절한 크기로 절단된다. 이러한 건조된 사출품의 절단은 별도의 절단유닛에 의해 이루어진다.

절단유닛(140)은, 절단된 사출품이 차후에 3차원 프린팅 원료로 사용될 수 있도록 건조된 사출품을 미세한 크기로 절단한다. 본 실시예에서 절단유닛(140)은 레이저(laser) 절단기, 물 제트(zet) 절단기와 같은 정밀한 절단이 가능한 것이 사용된다.

한편, 상술한 바와 같이 절단된 사출품은 소결유닛(150)에서 소결된다. 이러한 소결 공정 시 바인더는, 소결 공정 후에 생성된 소결 성형품에 다수개의 기공을 형성한다. 즉, 바인더는 소결 공정에서 휘발됨으로써 소결 성형품에 기공(Micro-pore)을 형성한다.

이를 위해 바인더의 기화점은 소결 공정에서의 소결 온도보다 낮게 형성된다. 여기서 소결 온도는 900도 내지 1300도로 마련되며, 바람직하게는 950도 내지 1150도로 마련된다.

상술한 바와 같이 바인더의 기화점이 소결 공정에서의 소결 온도보다 낮게 형성됨으로써, 소결 공정에서 바인더가 기화되면 바인더가 존재하던 자리는 기공으로 변환된다.

본 실시예에서 소결 성형품에 생성된 기공의 직경은 330 내지 550 마이크로미터(μm)로 이루어진다.

한편, 본 실시에서 소결 공정에서의 승온 시간은, 1시간 내지 20시간으로 마련되며, 바람직하게는 5시간 내지 10시간으로 마련된다.

또한 소결 온도를 유지하는 홀딩시간은, 1시간 내지 10시간으로 마련되며, 바람직하게는 2시간 내지 4시간으로 마련된다.

이러한 소결 공정 후에 생성된 소결 성형품의 구성물질은, 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HA)와 베타 트리칼슘 포스페이트(Beta Tricalcium Phosphate, β-TCP)를 포함한다.

본 실시예에서 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HA)는 10 내지 90 중량퍼센트(wt%)를 가지며, 베타 트리칼슘 포스페이트(Beta Tricalcium Phosphate, β-TCP)는 10 내지 90 중량퍼센트(wt%)를 가진다.

또한 본 실시예에 따른 소결 성형품은, 적어도 0.95(메가파스칼)MPa 이상의 압축강도를 가지며, 소결 후의 수축룔이 20% 이하이다.

한편, 상술한 바와 같이 절단유닛(140) 및 소결유닛(150)을 거친 소결 성형품은, 미세한 크기를 가진 알갱이 형태를 가진다. 여기서 3차원 프린터(180)에 사용될 수 없는 크기를 가지는 소결 성형품을 제거하여야 하는데, 이러한 소정 크기 이상의 소결 성형품의 제거는 체가름유닛(sieve unit, 160)에 의해 이루어진다.

체가름유닛(160)은 소정 크기 이하의 크기를 갖는 소결 성형품만을 통과시키는 체망을 구비하여 소정 크기 이상의 소결 성형품을 걸러낸다.

이렇게 체가름된 소결 성형품은 연삭유닛(170)에 의해 외면이 연삭된다. 이러한 연삭유닛(170)은, 소결 성형품의 외면을 연마함으로써, 소결 성형품의 외면에 생성된 날카로운 부분을 제거하고, 그에 따라 차후에 소결 성형품이 피시술자의 생체 내에 이식된 후 새로운 골을 생성 정착 시키는 과정에서 날카로운 부분에 의해 생체 세포가 손상되는 것을 방지한다.

이렇게 연마된 소결 성형품은, 3차원 프린터(180)에 의해 프린팅되어 3차원 입체 형상을 가지는 스캐폴드(F)를 형성한다. 여기서 3차원 프린터(180)는, 알갱이(분말) 형상을 가지는 소결 성형품을 적층하여 피시술자의 체내에 삽입되며 인조골 형상을 가지는 스캐폴드(F)를 형성한다.

한편, 상술한 바와 같이 소결 성형품에는 기공이 형성되며, 기공이 형성된 소결 성형품을 원료로 하여 3차원 프린팅된 스캐폴드(F)에도 내부에 기공이 형성된다.

이러한 기공은 혈액의 공급 및 골 전도 경로로 작용하여 새로운 골의 생성을 촉진시키고, 생성된 골이 흡착할 수 있는 자리(site)를 제공하여 생성된 골의 이탈을 방지하는 이점이 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체형상의 골 이식재의 제조방법이 도시된 도면이다.

이하에서 본 실시예에 따른 입체형상의 골 이식재의 제조방법의 제조방법을 도 2를 참조하여 설명한다.

본 실시예에 따른 입체형상의 골 이식재 제조방법은, 3차원 프린터(180)에 사용되는 세라믹 골 이식재를 마련하는 세라믹 골 이식재 생성단계와, 3차원 프린터(180)가 세라믹 골 이식재를 적층하여 스캐폴드(F)를 형성하는 3차원 프린팅단계(S180)를 포함한다.

3차원 프린팅단계(S180)에서 생성되는 스캐폴드(F)는, 3차원 프린터(180)의 노즐에서 분사되는 세라믹 골 이식재가 구불구불한 라인 형상으로 마련되는 복수개의 골 이식층을 포함한다.

세라믹 골 이식재 생성단계에서는, 3차원 프린터(180)에 사용되는 세라믹 골 이식재를 마련한다. 이러한 세라믹 골 이식재 생성단계는, 분말 형태로 마련되는 골 충진재에 바인더(binder)를 혼합하여 슬러리를 형성하는 슬러리 형성단계(S110)와, 슬러리를 가압 사출하는 사출 성형단계(S120)와, 슬러리의 사출에 의해 생성된 사출품을 건조하는 건조단계(S130)와, 건조된 사출품의 절단하는 절단단계(S140)와, 절단된 사출품을 소결 성형하여 소결 성형품을 생성하는 소결 성형단계(S150)와, 소결단계 후 소결 성형품 중 미리 결정된 크기 이상의 크기를 가지는 소결 성형품을 제거하는 체가름 단계(S160)와, 체가름 단계(S160) 후 소결 성형품을 연삭하는 연삭단계(S170)를 포함한다.

슬러리 형성단계(S110)에서 골 충진재의 평균 입도(平均 粒度, average granularity)는, 100 내지 200 나노미터(nm)이며, 골 충진재의 최대 입도(最大 粒度, maximum granularity)는, 200 나노미터(nm)이다.

또한 슬러리 형성단계(S110)에서 골 충진재는, 슬러리에서 31 내지 80 중량퍼센트(wt%)를 가지도록 한다.

건조단계(S130)에서는, 슬러리의 사출에 의해 생성된 사출품을 건조유닛(130)에서 건조한다.

절단단계(S140)에서는, 건조된 사출품을 차후에 3차원 프린터(180)의 프린팅 원료로 사용될 수 있도록 적절한 크기로 절단한다. 이러한 건조된 사출품의 절단은 절단유닛(140)에 의해 이루어진다.

소결 성형단계(S150)에서는 절단된 사출품을 소결 성형하여 소결 성형품을 생성한다. 소결 성형단계(S150)에서 소결온도는 900 내지 1300도 이며, 이러한 소결 온도는 바인더의 기화점보다 높게 마련된다.

소결 성형단계(S150)에서 생성된 소결 성형품의 구성물질은, 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HA)와 베타 트리칼슘 포스페이트(Beta Tricalcium Phosphate, β-TCP)를 포함한다.

여기서 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HA)는 10 내지 90 중량퍼센트(wt%)이고, 베타 트리칼슘 포스페이트(Beta Tricalcium Phosphate, β-TCP)는 10 내지 90 중량퍼센트(wt%)를 가진다.

체가름 단계(S160)에서는 소결단계 후 소결 성형품 중 미리 결정된 크기 이상의 크기를 가지는 소결 성형품을 제거한다.

연삭단계(S170)에서는 체가름 단계(S160) 후 소결 성형품의 외면을 연삭한다.

3차원 프린팅단계(S180)에서는, 3차원 프린터(180)가 세라믹 골 이식재를 적층하여 스캐폴드를 형성한다. 본 실시예에서 3차원 프린팅단계(S180)는, 3차원 프린터(180)가 연삭된 소결 성형품을 적층하여 스캐폴드(F)를 형성한다.

여기서 3차원 프린터(180)는, 지그재그(zigzag) 형상의 툴 패스를 통해 연삭된 소결 성형품을 구불구불한 라인 형상으로 분사하되 라인부(L)들의 간격을 상호 이격시킴으로써, 라인부(L)들 사이의 간격이 스캐폴드(F)에서 공극이 되도록 한다.

한편, 상술한 바와 같이 소결 성형품은 3차원 프린터(180)에 의해 프린팅되어 3차원 입체 형상을 가지는 스캐폴드(F)를 형성하는데, 상술한 바와 같이 소결 성형품에는 이미 기공이 형성된 상태이므로, 기공이 형성된 소결 성형품을 원료로 하여 3차원 프린팅된 스캐폴드(F)에도 마찬가지로 내부에 기공이 형성된다.

이와 같이 본 실시예에 따른 입체형상의 골 이식재는, 골 충진재에 혼합되어 슬러리를 형성하며 슬러리의 사출 공정 시 골 충진재의 유동성을 높이고 사출된 슬러리의 소결 공정 시 소결 공정 후에 생성된 소결 성형품에 다수개의 기공을 형성하는 바인더(binder)를 구비하는 세라믹 골 이식재를 원료로 하여 3차원 프린팅되어 피시술자의 체내에 삽입되는 스캐폴드(F)를 구비함으로써, 피시술자의 체내에 삽입되는 스캐폴드(F)에 미세한 공동을 용이하게 형성할 수 있다.

이상 도면을 참조하여 본 실시예에 대해 상세히 설명하였지만 본 실시예의 권리범위가 전술한 도면 및 설명에 국한되지는 않는다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

110: 혼합유닛 120: 사출유닛
130: 건조유닛 140: 절단유닛
150: 소결유닛 160: 체가름유닛
170: 연삭유닛 180: 3차원 프린터
L: 라인부 F: 스캐폴드
F1: 상면부 F2: 하면부
F3: 측면부 F4: 제1 측벽
F5: 제2 측벽

Claims (16)

1. 세라믹 골 이식재를 원료로 하여 3차원 프린터에 의해 3차원 입체 형상으로 마련되는 스캐폴드(scaffold)를 구비하며,
   상기 스캐폴드는,
   상기 3차원 프린터의 노즐에서 분사되는 상기 세라믹 골 이식재가 구불구불한 라인 형상으로 마련되는 복수개의 골 이식층을 포함하는 입체형상의 골 이식재.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수개의 골 이식층은,
   제1 골 이식층; 및
   상기 제1 골 이식층에 교차하는 방향으로 배치되는 제2 골 이식층을 포함하는 입체형상의 골 이식재.
3. 제1항에 있어서,
   상기 복수개의 골 이식층은,
   제1 골 이식층; 및
   상기 제1 골 이식층에 나란한 방향으로 평행이동되는 방향으로 배치되는 제2 골 이식층을 포함하는 입체형상의 골 이식재.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 스캐폴드는,
   상면부;
   상기 상면부에서 이격되어 배치되는 하면부; 및
   상기 상면부와 하면부를 연결하는 복수의 측면부를 포함하며,
   상기 복수의 측면부 중 적어도 어느 하나는,
   상기 상면부에 연결되는 제1 측벽; 및
   상기 제1 측벽에 연결되고 상기 하단부에 연결되는 제2 측벽를 포함하는 입체형상의 골 이식재.
5. 제4항에 있어서,
   상기 상면부는 상기 하면부보다 넓은 면적을 가지며,
   상기 제2 측벽은 상기 제1 측벽에 대하여 비스듬하게 경사지게 배치되는 입체형상의 골 이식재.
6. 제1항에 있어서,
   상기 세라믹 골 이식재는,
   분말 형태로 마련되는 골 충진재; 및
   상기 골 충진재에 혼합되어 슬러리를 형성하며, 상기 슬러리의 사출 공정 시 상기 슬러리의 유동성을 높이고, 사출된 상기 슬러리의 소결 공정 시 상기 소결 공정 후에 생성된 소결 성형품에 다수개의 기공을 형성하는 바인더(binder)를 포함하는 입체형상의 골 이식재.
7. 제6항에 있어서,
   상기 골 충진재의 평균 입도(平均 粒度, average granularity)는, 100 내지 200 나노미터(nm)이며,
   상기 골 충진재의 최대 입도(最大 粒度, maximum granularity)는, 200 나노미터(nm)인 것을 특징으로 하는 입체형상의 골 이식재.
8. 제6항에 있어서,
   상기 골 충진재는 상기 슬러리에서 31 내지 80 중량퍼센트(wt%)로 마련되며,
   상기 기공의 직경은 100 내지 1000 마이크로미터(μm)인 것을 특징으로 하는 입체형상의 골 이식재.
9. 제6항에 있어서,
   상기 바인더의 기화점은, 상기 소결 공정에서의 소결 온도보다 낮으며,
   상기 소결 온도는 900 내지 1300도 인 것을 특징으로 하는 입체형상의 골 이식재.
10. 제6항에 있어서,
    상기 소결 성형품의 구성물질은,
    하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HA)와 베타 트리칼슘 포스페이트(Beta Tricalcium Phosphate, β-TCP)를 포함하며,
    상기 하이드록시아파타이트(hydroxyapatite, HA)는 10 내지 90 중량퍼센트(wt%)이고, 상기 베타 트리칼슘 포스페이트(Beta Tricalcium Phosphate, β-TCP)는 10 내지 90 중량퍼센트(wt%)인 것을 특징으로 하는 입체형상의 골 이식재.
11. 3차원 프린터에 사용되는 세라믹 골 이식재를 마련하는 세라믹 골 이식재 생성단계; 및
    상기 3차원 프린터가 상기 세라믹 골 이식재를 적층하여 스캐폴드를 형성하는 3차원 프린팅단계를 포함하며,
    상기 스캐폴드는,
    상기 3차원 프린터의 노즐에서 분사되는 상기 세라믹 골 이식재가 구불구불한 라인 형상으로 마련되는 복수개의 골 이식층을 포함하는 입체형상의 골 이식재의 제조방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 세라믹 골 이식재 생성단계는,
    분말 형태로 마련되는 골 충진재에 바인더(binder)를 혼합하여 슬러리를 형성하는 슬러리 형성단계;
    상기 슬러리를 가압 사출하는 사출 성형단계; 및
    상기 사출 성형단계에서 사출된 사출품을 소결 성형하여 소결 성형품을 생성하는 소결 성형단계를 포함하는 입체형상의 골 이식재의 제조방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 세라믹 골 이식재 생성단계는,
    상기 사출 성형단계 후 상기 사출품을 건조하는 건조단계를 더 포함하는 입체형상의 골 이식재의 제조방법.
14. 제13항에 있어서,
    상기 세라믹 골 이식재 생성단계는,
    상기 건조단계 후 건조된 상기 사출품을 절단하는 절단단계를 더 포함하는 입체형상의 골 이식재의 제조방법.
15. 제12항에 있어서,
    상기 세라믹 골 이식재 생성단계는,
    상기 소결단계 후 상기 소결 성형품 중 미리 결정된 크기 이상의 크기를 가지는 소결 성형품을 제거하는 체가름 단계를 더 포함하는 입체형상의 골 이식재의 제조방법.
16. 제15항에 있어서,
    상기 세라믹 골 이식재 생성단계는,
    상기 체가름 단계 후 상기 소결 성형품을 연삭하는 연삭단계를 더 포함하는 입체형상의 골 이식재의 제조방법.

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