새로운 무용매 3D 프린팅 소재로 생분해성 임플란트 제작이 가능

적층 제조(AM)는 많은 산업에 혁명을 일으켰으며 머지않은 미래에 더 많은 산업에 영향을 미칠 것으로 기대됩니다. 사람들은 잉크젯 프린터와 매우 유사한 기능을 하는 3D 프린터에 가장 익숙하지만, 또 다른 유형의 AM은 다른 접근 방식을 사용하여 이점을 제공합니다. 한 번에 한 층씩 빛으로 물체를 만드는 것입니다.

그러한 기술 중 하나는 디지털 광 처리(DLP)입니다. 산업 및 치과 응용 분야에서 널리 사용되는 DLP는 빛을 사용하여 액체 레진을 고체 부분으로 변환하여 기본적으로 한 번에 한 층씩 얕은 레진 웅덩이에서 고체 물체를 끌어냅니다.

그러나 이 3D 프린팅 방법을 사용하는 데 있어 가장 큰 과제는 수지가 높은 해상도에서 제대로 작동하려면 물과 같은 낮은 점도를 가져야 한다는 것입니다. 그렇지 않으면 DLP 프린팅에 유용할 수 있는 많은 폴리머가 고체이거나 너무 점성이 높아서 용매를 사용하여 적절한 농도로 희석해야 합니다.

그러나 이러한 용매를 추가하면 인쇄 후 부품 수축(최대 30%)으로 인해 치수 정확도가 떨어지고 용매가 증발하면서 잔류 응력이 발생하는 등 심각한 단점이 발생합니다.

8월 30일 Angewandte Chemie International Edition 에 온라인으로 게재된 논문에서 Duke University의 연구자들은 DLP 인쇄를 위한 새로운 용매 없는 폴리머를 발명했습니다. 수축 문제를 제거하는 것 외에도 용매가 없기 때문에 부품의 기계적 특성이 향상되고 본체에서 분해되는 능력도 유지됩니다.

"저는 분해성 의료 기기에 사용할 DLP용 본질적으로 얇고 점도가 낮은 재료를 만들고 싶었습니다." 듀크 대학교의 Hugo L. Blomquist 화학 명예 교수인 Matthew Becker의 연구실에서 일하는 MEMS 박사 후보생인 Maddiy Segal의 말입니다. "많은 시도가 필요했지만 결국 최적의 단량체와 합성 기술을 식별하여 희석 없이 DLP 프린터에서 사용할 수 있는 용매가 없는 폴리머를 만들 수 있었습니다."

DLP 인쇄에 사용할 수 있는 최초의 무용매 수지 중 하나인 Segal은 이 수지와 함께 만든 부품의 특성을 테스트하는 데 관심이 있었습니다. 그녀는 테스트 부품이 전혀 수축되거나 변형되지 않았고, 일반적으로 용매로 만든 부품보다 더 강하고 내구성이 있다는 사실을 발견하고 흥분했습니다. 그녀의 연구 결과에 따르면, 이는 분해성 폴리머의 DLP 3D 인쇄에서 용매 사용을 없앰으로써 기계적 특성이 향상되었다는 최초의 실증적 증명 중 하나입니다.

Segal은 새로운 폴리머를 만들기 위해 Becker Lab과 다른 연구자들이 개발한 기존 수지의 구조와 특성을 분석하고, 원하는 저점도 폴리머를 얻기 위해 단계별 경험적 접근 방식으로 모노머와 사슬 길이를 수정했습니다. 그녀는 기본적으로 "추측하고 확인하는" 접근 방식을 사용하여 폴리머의 모노머 또는 "레시피"를 조정하여 작동하는 조합을 찾았습니다.

이 과정은 식사를 요리하는 것과 전혀 다르지 않습니다. 재료를 특정 조합으로 섞고, 가열하고, 원하는 결과를 얻을 때까지 결과를 테스트하는 과정이 포함됩니다. 세갈은 결국 자신이 바라던 제품을 만들기 전에 약 60가지의 다른 조합을 실험했습니다.

"수축되지 않고 더 강한 소재를 만드는 것 외에도 의료용으로도 유용하기를 바랐습니다." 세갈은 말했다. "생체적합성과 분해성을 모두 갖춘 프로토타입 장치를 만들려고 노력하고 있습니다. 공정에서 독성 용매를 제거하면 그렇게 하는 데 도움이 될 것입니다."

이 작업의 세갈의 궁극적인 목표는 이 기술을 생분해성 의료용 임플란트에 적용하는 것입니다. 오늘날 임시 의료용 임플란트를 만드는 데 사용되는 일부 재료는 분해되지 않으며, 이를 이식하는 것뿐만 아니라 제거하기 위해 여러 번의 수술이 필요합니다. 세갈은 연구를 통해 신체의 자연적 과정을 통해 분해될 수 있는 임플란트를 개발하는 것을 목표로 합니다.

이 소재로 제작된 장치는 이식되어 시간이 지남에 따라 자연스럽게 분해되도록 설계되어 장치를 제거하기 위한 추가 수술이 필요 없습니다. 또한 골절을 일시적으로 고정하는 뼈 접착제로 사용하거나 부드럽고 분해 가능한 소재가 필요한 소프트 로봇 응용 분야에서 사용할 수도 있습니다.

"이런 종류의 소재가 이 특정 응용 분야를 제 작업의 주요 목표로 만드는 것입니다."라고 세갈은 말했습니다. "그리고 실제로 이 기술은 얼마 후에 분해되고 영원히 그곳에 머물지 않기를 원하는 모든 종류의 임플란트에 사용될 수 있습니다."

이 연구는 미국 국립보건원(1R01HL159954-01)의 지원을 받았습니다. 이 기술을 다루는 임시 특허 출원은 Duke University(출원 #63544353)에서 제출되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241028164529.htm