◆ 특집 ◆ 자연모사공학을 위한 정밀가공기술
다축 RP 소프트웨어 기술을 이용한 스캐폴드 제조 장비 개발
Development of Scaffold Fabrication System using Multi-axis RP Software Technique
박정환1, 이준희2,, 조현욱1, 이수희2, 박수아2, 김완두2 Jung Whan Park1, JunHee Lee2,, Hyeon Uk Cho1, Su Hee Lee2, SuA Park2 and WanDoo Kim2
1 영남대학교 기계공학부 (School of Mechanical Engineering, Yeungnam Univ.) 2 한국기계연구원 자연모사연구실 (Department of Nature-Inspired Nano Convergence System, KIMM)
Corresponding author: [email protected], Tel: 042-868-7937 Manuscript received: 2011.11.14 / Accepted: 2011.11.24
The scaffold serves as 3D substrate for the cells adhesion and mechanical support for the newly grown tissue by maintaining the 3D structure for the regeneration of tissue and organ. In this paper, we proposed integrated scaffold fabrication system using multi-axis rapid prototyping (RP) technology. It can fabricate various types of scaffolds: arbitrary sculptured shape, primitive shape, and tube shape scaffolds by layered dispensing biocompatible/ biodegradable polymer strands in designated patterns. In order to fabricate the 3D scaffold, we need to generate the plotting path way for the scaffold fabrication system. We design a data processing program – scaffold plotting software, which can convert the 3D STL file, primitive and tube model images into the NC code for the system. Finally, we fabricated the customized 3D scaffolds with high accuracy using the plotting software and the fabrication system.
Key Words: Tissue Engineering (조직공학), Scaffold (스캐폴드), Rapid Prototyping (쾌속조형), Plotting Path (제작 경로), Biocompatible Polymer(생체적합 고분자)
1. 서론
조직공학(Tissue Engineering)은 의학, 생물학, 공 학 기술을 융합하여 손상된 조직과 장기를 대체하 는 인공 조직 또는 장기를 제작하여 생체 기능을 유지·향상·복원이 가능하게 하는 것을 목표로 한 다.
1이와 같은 인공 조직과 장기를 제작하기 위해 서는 조직이나 장기로 증식되거나 분화될 세포, 세포가 부착하여 성장할 수 있는 지지체의 역할을 하는 스캐폴드(Scaffold), 그리고 세포의 증식과 분 화를 돕기 위한 화학적/물리적 성장 요소 등의 3 가지 핵심적인 요소가 필요하다. 이 가운데 스캐 폴드가 지지체 역할을 하기 위해서는 적절한 기계
적, 물리적 성질을 가져야 하고, 세포의 이동 및 배양 과정에서 원활한 물질 교환을 위해 높은 다 공성과 적당한 크기의 공극(pore)를 가져야 한다.
또한 스캐폴드는 생체적합성(Biocompatible)이 우수 하고, 독성이 없어야 하며, 생분해(Biodegradable)가 되어야 한다. 구조적으로는 3 차원적인 형상을 가 지고 있어야 하고, 열린 공극 형태로 제작되어야 하며, 공극들이 서로 연결되어야 한다.
2이와 같은 3 차원 형상의 스캐폴드를 제작하기
위해서는 일반적으로 염침출법(solvent-casting
particulate leaching), 염발포법(gas foaming/salt
leaching), fiber meshes/fiber bonding 법, 상분리법
(phase separation), melt moulding 법, 동결 건조법
(freeze drying) 등의 다양한 방법들이 오랫동안 사 용되어 왔다.
3그러나 이와 같은 방법은 대부분 유 기 용매를 사용하여 잔류 독성이 문제가 될 수 있 고, 내부의 기공 구조가 불균일하며, 공극의 크기, 형상, 분포 등을 조절할 수 없어 공극의 상호 연 결성이 약한 단점을 가지고 있다. 이와 같은 문제 점을 극복하고자 쾌속 조형 기술(Rapid Prototype) 을 이용한 스캐폴드 제조 방법에 대한 연구가 활 발하게 진행되고 있다.
3-5일반적으로 RP 를 이용한 3 차원 물체의 조형기법은 3 차원 CAD 모델을 일 정 간격으로 절단한 2 차원 단면을 적층하여 3 차 원 형상을 만들며(layered manufacturing), 전통적인 SLS(Selective Laser Sintering) 부터 3D printing 까지 다양한 방식들이 개발되어 왔다.
6이와 같은 RP 기반 스캐폴드 제조 기술은 앞에서 언급한 독성의 문제와 공극의 문제점을 해결할 수 있고, 다양한 재료를 이용하여 복잡한 형상의 스캐폴드를 제작 할 수 있는 장점을 가지고 있다.
본 연구에서는 생체적합 고분자(biocompatible polymer) 소재를 재료로 FDM(Fused Deposition Manufacturing) 방식을 이용하여 노즐을 통하여 토 출되는 연속적인 고분자 가닥(strand)으로 2 차원 영역 곡선 내부를 지정된 패턴으로 채우며 한 층 씩 쌓아가며 3 차원 스캐폴드를 제작하는 장비를 개발하였다. 이를 위해 임의의 3 차원 형상 (sculptured model), 기본 형상(primitive) 및 도관 (tube) 형상의 조직공학용 스캐폴드 제작하기 위한 소프트웨어 개발과 관련된 기술적 요구 사항을 중 점적으로 살펴 보았으며, 최종적으로 제작된 소프 트웨어와 장비를 기반으로 3 차원 형상의 스캐폴 드를 제작하여 그 성능을 평가하였다.
2. 조직공학용 스캐폴드 제조 장비 소프트웨어 2.1 개요
조직공학용 스캐폴드를 제작하기 위한 3 차원 형상은 CAD 시스템을 이용하거나, CT(computed tomography) 혹은 MRI(magnetic resonance imaging) 등과 같은 2 차원 의료영상 자료를 처리하여 얻을 수 있다.
73 차원 형상 데이터는 일반적으로 IGES(initial graphics exchange specification) 또는 STL(STereoLithography) 형식
6으로 스캐폴드 조형 소프트웨어(plotting software)에 전달된다. 스캐폴드 제작의 전반적인 과정을 Fig. 1 에 보이고 있다.
Fig. 1 Overall workflow of scaffold fabrication
IGES 는 전통적으로 이종 간 3 차원 곡면 데이 터 교환을 위해 사용되고 있으며, 매개변수형 자 유곡면 표현이 가능하다는 장점이 있는 반면 데이 터 형식이 복잡하고 형상 전달이 완벽하지 못한 경우가 발생한다. 이에 반해 STL 은 일반적으로 RP 장비에 입력되는 형식으로서 삼각형망 (triangular facet) 으로 곡면을 근사함으로써 자료구 조가 단순하고 조작이 쉽다는 장점을 가진다. 다 만 정밀한 형상 표현을 위해서는 삼각형의 개수가 지나치게 많아지는 단점이 있다.
스캐폴드 조형 소프트웨어는 3 차원 형상으로 부터 스캐폴드 가닥을 쌓아 올리는 조형 데이터 (fabricating data) 를 생성하고, 이를 조형 기계에 전 달한다. 이 과정에서 효율적으로 곡면의 2 차원 단 면을 계산하고 유효한 영역 내부를 지정된 패턴으 로 채우는 계산 과정이 필수적이다.
조형 소프트웨어에서 생성된 조형 데이터는 조 형 기계의 제어 형식(controller type)에 적절한 명령 어로 변환된다. 일반적인 CNC 조형 기계는 G- code, M-code 로 구성되는 NC code 를 활용한다.
2.2 주요 기능
본 절에서는 2.1 절에서 살펴본 스캐폴드 조형 소프트웨어의 주요 기능에 대해 더 자세하게 다루 고자 한다. 본 시스템의 구조 및 정보 흐름도를 Fig. 2 에 보이고 있다.
▪ 형상 데이터
본 시스템은 임의의 3 차원 형상(sculptured model), 기본 형상(primitives), 도관(tube) 형상의 스 캐폴드 조형 데이터를 생성한다. 임의의 3 차원 형 상은 IGES 및 STL 형식으로 입력되며, 삼각형망으 로 저장한다. 기본 형상(육면체, 원기둥을 포함하 는 원뿔)과 도관 형상에 대해서는 매개변수식 (parametric equation) 을 이용하여 조형 경로(plotting path) 를 생성하도록 하였다(2.3 절 참조).
▪ 단면 계산(slicing)
RP 방식의 조형에서 가장 핵심적인 기능은 특 정 높이에서 유효한 형상 단면(valid area)을 계산하 는 과정(slicing)이며, 몇몇 관련 연구들을 찾아볼 수 있다.
9-11삼각형망의 경우는 일반적으로 개별 삼각형과 평면의 교선을 계산하고,
8형상의 내외부 를 구분하는 경계곡선(boundary loop)을 얻어낸다.
Fig. 3 은 내부가 비어 있는 간단한 도형의 단면 영 역을 예로 나타내고 있다.
Fig. 2 Information flow of scaffold fabricating software
▪ 형상 데이터
본 시스템은 임의의 3 차원 형상(sculptured model), 기본 형상(primitives), 도관(tube) 형상의 스 캐폴드 조형 데이터를 생성한다. 임의의 3 차원 형 상은 IGES 및 STL 형식으로 입력되며, 삼각형망으 로 저장한다. 기본 형상(육면체, 원기둥을 포함하 는 원뿔)과 도관 형상에 대해서는 매개변수식 (parametric equation) 을 이용하여 조형 경로(plotting path) 를 생성하도록 하였다(2.3 절 참조).
▪ 단면 계산(slicing)
RP 방식의 조형에서 가장 핵심적인 기능은 특 정 높이에서 유효한 형상 단면(valid area)을 계산하 는 과정(slicing)이며, 몇몇 관련 연구들을 찾아볼 수 있다.
9-11삼각형망의 경우는 일반적으로 개별 삼각형과 평면의 교선을 계산하고,
8형상의 내외부 를 구분하는 경계곡선(boundary loop)을 얻어낸다.
Fig. 3 은 내부가 비어 있는 간단한 도형의 단면 영 역을 예로 보여 준다.
Fig. 3 Slicing and boundary loop curves
참고로, 더 정확한 형상표현을 원할 경우 매개 변수형 곡면(parametric surface)과 평면의 교선을 직 접 계산하는 방법도 가능하지만,
8삼각형망에 비해 계산 시간이 많이 걸리는 단점과 아울러, 일반적 인 스캐폴드 정밀도를 고려할 때 반드시 적용할 필요는 없다고 사료된다.
▪ 패턴 생성(pattern generation)
단면 계산을 통해 계산된 유효한 2 차원 영역 내부는 지정된 패턴으로 채우게 된다. 본 연구에 서는 지정된 간격과 방향으로 직선 경로를 만들어 영역을 채우도록 하였다(Fig. 4a). 이 단계에서는 유 효한 영역 내부에 포함되는 직선 구간을 계산하는 과정이 필요한데, 본 연구에서는 영역 경계곡선 (boundary loop curves) 과 직선의 교점을 구한 후 교 점 사이의 구간(세부 구간)에 대한 유효한 구간을 결정한다. 교점 계산시 계산의 효율과 안정성을 위해 패턴의 직선 방향이 x 축이 되도록 단면 곡 선을 회전시킨 후 XZ 평면과의 교점을 계산한다 ( 예: Fig. 4a Fig. 4b).
직선이 만나는 형태는 일반적인 경우(normal
case), 점접촉(reflecting point contact), 선접촉(line
contact) 의 3 가지 경우로 나뉜다. 점첩촉(Fig. 4b)의
경우는 경계곡선과 직선이 접하는 경우로서 교점
자체를 무시한다. 일반적인 경우는 구간 시작 및
끝점의 형상 법선벡터(surface normal vector)를 고려
하여 처리한다. Fig. 4b 에서 보이듯이, 시작점의 형
상 법선벡터(N
ts) 와 N
s=(1,0,0), 끝점의 법선벡터(N
te)
와 N
e=(-1,0,0) 의 사잇각이 90 도 이상이면 유효한
구간으로 판단한다. 마지막으로 선접촉은 항상 유
효한 구간으로 고려한다(Fig. 4c).
Fig. 4 Determination of valid line segments
▪ 기구학(kinematics)
일반 3 축 조형기계는 노즐의 위치(position)만 제어하기 때문에 별도의 기구학 계산이 필요 없지 만, 본 연구에서 적용하는 도관형 스캐폴드는 Fig.
5 와 같이 선형 3 축에 회전축이 추가된 기구학적 구조를 가진다. 따라서 4 축 역기구학(inverse kinematics) 계산을 통하여 조형기 노즐의 위치와 방향(orientation)을 제어하는 기계 축값을 계산한다.
Fig. 5 Kinematic structure of the plotting machine
2.3 조형 조건
조직공학용 스캐폴드의 기하학적 형태를 지정 하기 위한 조형조건을 다음과 같이 정리하였다.
▪ 기하학적 조건(geometric specifications) 기본적으로 층 두께(layer thickness)와 패턴 경로 간격(grid interval, path interval), 패턴 경로 방향(grid angle) 이 있다(Fig. 6 참조). 층별 패턴 경로 방향은 x 축과의 각도로 지정하며 45
o, 60
o, 90
o( 도관의 경 우는 45
o, 90
o) 를 지원한다. 예를 들어 45
o의 경우 1 번층은 0
o, 2 번층은 45
o, 3 번층은 90
o방향으로 조형하게 된다.
아울러 다양한 기하학적 형태 조형을 위하여 기본적인 조건의 변화를 주도록 하였는데, 가변 층 두께(variable layer thickness), 두께 변화율(thickness shift), 경로간격 변화율(grid shift), 경로 연결 방식 (corner path link) 을 예로 들 수 있겠다(Fig. 7 참조).
가변 층 두께는 높이 구간 별로 층 두께를 상 이하게 지정할 수 있도록 하며 절대값으로 지정한 다. 또한 두께 변화율은 직전 층 두께와 현재 층 두께의 비율(%)을 지정함으로써 스캐폴드 두께 변 화를 조절할 수 있다. 경로간격 변화율은 패턴 경 로 시작 위치를 조절할 수 있도록 하는데, 경로 간격에 대한 비율(%)로 지정한다.
경로 연결 방식은 zigzag 로 진행하는 연속되는 경로의 양 끝점을 연결하는 방식을 지정한다. 본 연구에서는 ‘Close’와 ‘Open’ 두 가지를 지원하며, Close 의 경우는 원호를 따라가는 연결 경로를, Open 인 경우는 토출 정지(dispensing off) 상태로 직선 이동하는 방식이다.
Fig. 6 Basic geometric specifications
Fig. 7 Additional geometric specifications
▪ 성형 조건(dynamic condition)
기하학적 조건 이외에 중요한 성형 조건으로 노즐 이송속도(feed-rate), 경로 연결 이송속도 변화 율(corner feed override), dwell 시간 등이 있다. 이송 속도는 mm/min 단위로 지정하며, 코너 이송속도 변화율은 경로 연결 시 이송속도를 기본 이송속도 의 비율(%)로 지정함으로써 스캐폴드 가닥 굵기 (strand diameter) 를 일정하게 유지하도록 한다.
Dwell 시간은 경로 연결 시작점, 층 성형 시작 및
끝 점에서의 대기시간을 지정함으로써 성형성을
높이도록 하였다.
▪ 도관 조형조건(tube fabricating condition) 도관형 스캐폴드 조형을 위해서는 추가로 지정 하는 기하학적 조건 및 성형 조건이 필요하다(Fig.
8 참조). 도관 형상 정의를 위해 내측 반지름(inner radius) 과 외측 반지름(outer radius), 길이(length)를 지정한다.
도관형 제작을 위한 패턴은 도관 둘레를 따라 가는 경우(circular)와 도관 중심축을 따라가는 경우 (axial) 로 구분하여 각각 지정할 수 있도록 하였다.
도관 둘레를 따라가는 경우는 나선형(helix) 또는 원형(ring)을 지정하며, 도관 중심축을 따라가는 경 우는 각도(45
o, 90
o) 를 지정하여 다양한 패턴을 생 성하도록 하였다.
패턴 경로 간격은 축 방향(axial direction) 간격 과 방사상 방향(radial direction) 간격(grid interval)을 지정하도록 한다. 축 방향 간격은 나선의 피치 (pitch) 또는 ring 의 간격에 해당한다. 도관형에서 방사성 방향 간격은 두 가지 선택사항이 가능한데, 모든 층에서 경로 개수가 동일한 경우 (isoparametric) 혹은 모든 층에서 경로 간격이 동일 한 경우(Cartesian)이다(Fig. 9 참조).
Fig. 8 Tube fabricating specifications
Fig. 9 Definition of axial grid interval
2.4 구현
본 소프트웨어는 Windows XP 환경에서 Visual C++ 로 구현하였다(Fig. 10 참조). Fig. 11 과 12 는 내 부에 공동(cavity)을 가지는 대퇴골 형상에 대한 스 캐폴드 조형 데이터(NC data) 생성 예를 보이고 있 으며, Fig. 13 은 도관형 조형 데이터 생성 예를 보 이고 있다.
Fig. 10 Software implementation
Fig. 11 Sample STL model
Fig. 12 Plotting path generation
(a) Helix (b) Ring
(c) Angle = 90
o(d) Angle = 45
oFig. 13 Tube plotting path generation
3. 조직공학용 스캐폴드 제조 장비 하드웨어 3.1 개요
본 연구에서는 Fig. 14 의 개념도와 같이 생체적 합 고분자를 용매를 이용하거나, 녹는점 이상의 온 도로 가열하여 녹여 노즐을 통해 XYZ 3 축으로 이 송시키며 스캐폴드를 제작하는 장비를 개발하였다.
즉 노즐을 통해 한층 씩 일정한 굵기의 고분자를 토출하여 굳힌 후, 그 위에 새로운 층을 쌓아 3 차 원 형상의 스캐폴드를 제작하는 방법이다. 이와 같 은 방법은 임의의 3 차원 형상을 비교적 자유롭게 만들 수 있고, 각 층의 굵기와 기공 크기, 기공률 등을 자유롭게 조절할 수 있는 장점을 가지고 있다.
Fig. 14 Schematic diagram of scaffold fabrication system
3.2 주요기능
본 절에서는 3.1 절에서 살펴본 스캐폴드 조형
장비의 주요 기능에 대해 더 자세하게 다루고자 한다. 본 장비의 제작된 모습은 Fig. 15 와 같다.
Fig. 15 Scaffold fabrication system (left), Tube scaffold fabrication system (right)
▪ 구동부
XYZ 각 축은 AC 서보 모터로 구동이 되며, 각 축을 통해 제작할 수 있는 최대 스캐폴드 크기 는 100×100×100mm
3이다. 엔코더는 디스크 엔코 더(disk encoder)를 사용하였고, 이를 통해 각 축의 제어 분해능(resolution)은 1µm 로 매우 정밀한 구 동이 가능하다. 시험 평가 결과 구동 반복능 (repeatability) 은 2µm 로 매우 정밀함을 확인하였다.
이때 각 축의 최대 이송 속도는 50mm/sec 이다.
도관형 스캐폴드를 제작하기 위해서는 Fig. 15 와 같 이 회전축을 추가로 장착하였으며, 직경 1~10mm 의 도관형 스캐폴드 제작이 가능하도록 제작하였다.
▪ 디스펜서부(dispenser)
본 장비에서는 3 차원 스캐폴드를 제작하기 위 해 고분자를 용융점 이상으로 녹인 후 토출하여 제작하는 용융방식을 사용하고 있다. 따라서 이와 같이 고분자를 용융점 이상으로 녹인 후 토출할 수 있는 디스펜서를 Fig. 16 과 같이 설계 및 제작 하였다. 고분자를 녹이는 온도가 스캐폴드 제작에 매우 중요한 변수로 작용하기 때문에 최대한 정확 하게 온도를 제어하기 위해 코일형 히터는 디스펜 서를 감싸고 있고, 온도 감지 센서가 중앙에 위치 하도록 설계하였다. 또한 2 차 히터 및 센서를 최 종 노즐부에 위치시켜 노즐 온도를 정밀하게 제어 가 가능하도록 설계하였다.
이와 같이 용융점 이상으로 가열된 고분자는
공압으로 토출 되는데, 이때 토출되는 최대 압력
은 650kPa 까지 가능하며, 사용하는 노즐의 직경은
0.1~0.5mm 로 다양하게 사용할 수 있다. 본 장비의
디스펜서는 사용하는 고분자에 따라 최대 200℃까 지 가열이 가능하도록 제작되었으며, 노즐 끝단이 바닥면과 충돌할 때 발생하는 충격을 최소화하기 위해 디스펜서의 수직 방향으로 스프링을 설치하 여 충격을 흡수하도록 제작하였다.
Fig. 16 Dispenser for Scaffold fabrication system
4. 조직공학용 스캐폴드 제작 결과
2 장과 3 장의 결과로 제작된 조직공학용 스캐 폴드 제조 장비 소프트웨어와 하드웨어를 이용하 여 Fig. 17 과 같이 다양한 형상의 스캐폴드를 제작 하였다. 사용한 재료는 PCL (polycaprolactone) 이며, PLLA(Poly-L-lactic acid), PDO(Poly p-dixanone), PLGA (Poly lactide-glycolide acid) 등 다양한 생체적합 재 료를 이용하여 스캐폴드 제작이 가능하다. 또한 3 차원 CAD 데이터를 바탕으로 하는 임의의 3 차원 형상, 기본 형상(원기둥, 사각기둥) 등 다양한 형상 의 스캐폴드를 제작할 수 있다. 특히 4 축 제어를 통해 도관형상의 스캐폴드를 만들 수 있음을 확인 하였다. 이와 같은 도관형 스캐폴드는 혈관, 신경 관, 누관 등의 재생 및 복원에 사용될 수 있다.
Fig. 17 Photograph of various shape scaffolds
5. 결론
본 연구에서는 조직공학용 3 차원 스캐폴드를 제작하기 위하여 RP 조형 기술 기반 스캐폴드 제 조 장비를 설계, 제작하였다. 제작된 스캐폴드는 유기 용매를 사용하지 않기 때문에 잔류 독성이 없고, 기공률, 공극의 크기, 형상, 분포 등의 조절 이 가능하고, 우수한 내부 연결구조로 인해 스캐 폴드 내부의 세포 침투를 향상시켜 생체적합성이 뛰어난 조직 재생을 기대할 수 있다. 이를 위해 조형 경로와 조형 데이터를 생성하는 스캐폴드 조 형 소프트웨어를 개발하였다. 본 소프트웨어는 임 의의 3 차원 형상, 기본 형상(primitive) 및 도관 (tube) 형상에 대해 다양한 성형 조건 지정을 통해 효과적인 스캐폴드 제작이 가능하도록 제작되었다.
본 연구에서 개발된 소프트웨어와 장비를 기반으 로 제작된 스캐폴드는 손상된 인체조직의 기능의 복원을 위한 맞춤형 스캐폴드로 사용될 수 있으며, 조직공학 및 재생의학 연구 발전에 큰 파급 효과 를 가지고 올 것으로 기대된다.
후 기
본 연구는 지식경제부 및 한국산업기술평가관 리원의 산업융합원천기술개발사업의 일환으로 수 행하였음 (10038666, 표준형/맞춤형 스캐폴드 제작 기술 개발)
참고문헌
