치수적으로 정확한 압출을 위한 바이오코폴리에스터 블렌드의 구성 조정

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 20341(2022) 이 기사 인용

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FFF(융합 필라멘트 제조)는 맞춤형 환자 치료를 위해 의료 부문에 적용되는 간단한 적층 제조 기술을 나타냅니다. 그러나 자주 가공되는 바이오폴리머는 수술 가이드와 같은 보조 장치로 사용하기에는 충분한 열 안정성이 부족합니다. 이 연구의 목적은 인쇄, 어닐링 및 멸균 후 열 특성이 개선된 실험적 바이오코폴리에스터 블렌드의 치수 정확도를 평가하는 것이었습니다. 구강 임플란트 식립을 위한 총 160개의 정사각형 표본과 40개의 수술 가이드가 인쇄되었습니다. 각 재료의 한 하위 그룹(n = 10)은 두 하위 그룹 모두 증기 멸균(134°C, 5분)을 받기 전에 열 어닐링을 거쳤습니다. 표본을 디지털화하고 원본 파일과의 편차를 계산했습니다. 열 거동은 시차 주사 열량계 및 열중량 분석을 사용하여 분석되었습니다. 통계 분석을 위해 일원 분산 분석(one-way ANOVA)과 t-테스트를 ​​적용했습니다(p < 0.05). 모든 바이오코폴리에스터 혼합물은 증기 멸균 중에 변형을 보였습니다. 그러나 미네랄 필러(21~32wt%)와 핵형성제를 열 어닐링과 결합하여 재료를 개질하면 인쇄된 정사각형 시편의 뒤틀림이 크게 감소하는 것으로 나타났습니다. 인쇄된 수술 가이드는 그룹 간 왜곡이 적기 때문에 인쇄 개체의 형상이 치수 정확도에 영향을 미치는 것으로 보입니다. 요약하면, 바이오코폴리에스터는 충전재와 어닐링을 통해 치수 안정성을 향상시키는 이점을 얻었습니다.

SLA(광조형), DLP(디지털 광처리)와 같은 AM(적층 가공) 공정이 치과 분야에 점점 더 많이 적용되고 있습니다. 한 가지 예는 구강 임플란트 식립을 위한 수술 가이드의 맞춤형 생산입니다1. 이러한 배트 중합 공정에는 액체 광중합 수지를 자외선으로 경화시키는 과정이 포함되어 있어 최종 물체를 정밀하게 생산할 수 있습니다2. 그러나 인쇄물은 헹굼, 세척, 광중합 등의 광범위한 후처리가 필요하며 습한 구강 환경에서 단량체의 용출이 발생할 수 있습니다4. 전체 제조 공정에는 숙련된 인력이 필요하며 장비와 재료는 비용 집약적입니다.

이와 대조적으로, 융합 증착 모델링(FDM)이라고도 알려진 융합 필라멘트 제조(FFF)는 비용 효율적이고 간단한 AM 방법을 나타냅니다5. 열가소성 재료가 가열된 노즐에 공급되어 용융된 후 최종 물체가 만들어질 때까지 층별로 증착됩니다. 완성된 부품은 추가 세척이나 광중합 단계가 필요하지 않습니다. 적용된 재료는 낮은 변형 경향, 증착된 레이어의 빠르고 안정적인 융합, 빌드 플랫폼에 대한 우수한 접착력이 필요합니다6,7.

FFF에 사용되는 열가소성 소재는 비정질 또는 반결정질 특성이 다릅니다8. 유리 전이 온도 이하의 고체 상태에서는 유리상으로 존재하므로 부서지기 쉽고 단단한 특성을 나타냅니다. 비정질 고분자는 특정한 녹는점을 나타내지 않지만, 유리전이온도를 초과하면 점성 상태로 변합니다. 넓은 온도 범위에서 점도가 감소하므로 간단한 처리가 가능합니다. 그러나 반결정성 폴리머의 가공 온도와 유리 전이 온도의 차이가 상대적으로 높아 인쇄가 더 어려워집니다9.

특히 결정화10,11로 인해 냉각 과정에서 수축이 발생합니다. 변형은 이미 냉각된 층 위에 층이 냉각될 때 발생하는 수축 응력으로 인해 발생합니다. 두 층 사이의 온도 차이가 클수록 변형이 커집니다. 따라서 결정질 함량이 증가한 폴리머는 수축 및 뒤틀림이 발생하기 쉽습니다12. 따라서 주로 비정질 고분자 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체(ABS) 또는 폴리카보네이트(PC)가 압출 기반 인쇄에 사용됩니다. 또한, 폴리락트산(PLA) 또는 폴리하이드록시알카노에이트(PHA)와 같이 결정성이 낮고 결정화 속도가 낮은 반결정성 열가소성 수지가 널리 사용됩니다2,13,14,15. PLA와 PHA는 바이오폴리머에 속하며 광범위한 원료 공급원을 제공하여 저렴한 비용으로 사용할 수 있습니다16. 이는 특정 조건에서 생분해되며 구강 임플란트 식립을 위한 수술 가이드와 같은 일회용 보조 제품에 대한 지속 가능한 대안을 나타낼 수 있습니다17. 그러나 결정성이 낮기 때문에 바이오폴리머는 결정성이 높은 폴리머와 동일한 기계적 특성과 내화학성을 나타내지 않습니다. 압출 기반 인쇄 후 PLA를 열 어닐링하면 결정성이 증가하고 결과적으로 기계적 강도가 향상될 수 있습니다. 또한 기계적 및 열적 특성은 실리카 또는 천연 섬유와 같은 필러를 사용하여 최적화할 수 있습니다9,19. 멸균 환경에서 수술 가이드 또는 의료 기기와 같은 FFF 인쇄 부품의 의료 응용과 관련하여 압출 기반 인쇄 생체 고분자의 치수 정확도 및 결정성에 대한 증기 멸균 효과에 대해서는 알려진 바가 거의 없습니다. 증기 멸균 후 수술 가이드와 같은 압출 기반 인쇄 부품의 높은 치수 정확도는 의료 환경에서 사용하는 데 매우 중요합니다.