High resolution, multi-material 3D printing of biodegradable materials for biomedical devices = 생분해성 의공학 디바이스 제작을 위한 고해상도 다중소재 3D 프린팅

국문 초록 (Abstract)

디지털 광처리(Digital Light Processing, DLP) 방식의 3차원 프린팅은 높은 해상도와 빠른 광중합 속도를 동시에 제공할 수 있는 장점을 가지지만, 수지 교체 과정에서 발생하는 낮은 공정 효율과 교차 오염, 그리고 생분해성 바이오 레진과의 제한적인 호환성으로 인해 의공학 분야에의 응용에는 여전히 한계가 존재한다. 특히 기존의 다중소재 DLP 시스템은 수지 교체를 위해 수조 교환이나 세정 공정을 반복해야 하므로 공정 시간이 길고 정렬 오차 및 오염 문제가 빈번하게 발생한다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 고해상도 광학 시스템과 동적 유체 제어 기반 다중소재 챔버를 통합한 고해상도 다중소재 DLP 3차원 프린팅 플랫폼을 개발하였다. 제안된 시스템은 밀폐된 단일 챔버 내에서 1–3초 이내의 빠른 수지 교환이 가능하며, 교차 오염을 최소화하면서 연속적인 다중소재 프린팅을 구현한다. 또한 CCD 기반 자동 초점 검출 시스템을 적용하여 얕은 초점 심도를 가지는 고배율 광학 조건에서도 안정적인 프린팅을 가능하게 하였다. 이를 통해 10–30 μm 수준의 횡방향 해상도와 5–8 μm의 경화 깊이를 안정적으로 달성하였다. 재료 측면에서는 생체적합한 PEGDA 기반 레진과 아크릴산–부틸아크릴레이트(AABA) 공중합체 기반의 신규 생분해성 레진을 개발하고, 작업 곡선 분석을 통해 경화 거동을 정량적으로 평가하였다. 또한 가속 가수분해 실험을 통해 AABA 레진의 분해 특성이 PEGDA 함량에 따라 조절 가능함을 확인하였다. 형광 염료 기반 교차 오염 평가 결과, 펌프 구동 시간이 2.0초 이상일 경우 효과적인 수지 치환이 가능함을 입증하였다. 이러한 시스템 및 재료 특성을 기반으로, 본 연구에서는 미세 격자 구조, 단일 재료 마이크로 구조물, 그리고 공간적으로 분해 속도가 조절된 멀티머티리얼 약물 방출 구조물을 성공적으로 제작하였다. 특히 출력 파라미터만을 제어함으로써 단 2가지 재료로 구조 형상을 변경하지 않고도 시간 의존적 분해 및 단계적 약물 방출이 가능한 플랫폼을 구현하였다. 종합적으로 본 연구는 고해상도 광학 제어, 빠른 다중소재 전환, 그리고 생체적합·생분해성 레진의 공정 적합성을 통합한 다중소재 DLP 프린팅 플랫폼을 제시한다. 이는 향후 미세 조직 공학 스캐폴드, 생분해성 약물 전달 시스템, 그리고 차세대 의공학 디바이스 제작을 위한 핵심 기술 기반으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Digital light processing (DLP) enables high-resolution and rapid photopolymerization but remains constrained by slow, contamination-prone material switching and limited compatibility with biodegradable bio-resins. We present a high-resolution multi-material DLP platform that integrates autofocus optics with a dynamically actuated fluidic chamber capable of exchanging resins within 1–3 s in a sealed vat. The system achieves 10–30 µm lateral resolution and 5–8 µm cure depths, enabling reliable microscale fabrication. Biocompatible PEGDA resins and AABA biodegradable resin were characterized through working-curve analysis and accelerated hydrolysis tests, revealing tunable reactivity and PEGDA-dependent degradation rates. Cross-contamination studies established a ≥2.0 s pumping threshold for effective material replacement. Using these capabilities, we printed high-fidelity micro-lattices, multi-material cell-cage structures, and drug-release modules with spatially programmed degradability. This integrated platform demonstrates rapid, contamination-minimized multi-material DLP printing for next-generation biomedical applications.

목차 (Table of Contents)

• Abstract 1
• Table of Contents 2
• List of Figures 4
• Chapter 1. Introduction 5
• Chapter 2. Materials and methods 9
• 2.1. Materials 9
• 2.2. Multi-material DLP 3D printing 9
• 2.3. CCD-based high-resolution focus plane detection system 13
• 2.4. XY & Z axis printing resolution measurement 14
• 2.5. Biodegradation test of biodegradable resin 17
• 2.6. Fluorescent microscope imaging for cross-contamination study 20
• 2.7. High resolution, multi-material 3D printing 22
• 2.7.1. Single material printing 22
• 2.7.3. Multi-material biodegradable time-tunable drug release system 22
• Chapter 3. Result and discussion 24
• 3.1. High resolution, multi-material DLP system and process overview 24
• 3.1.1. High resolution optics system 24
• 3.1.2. Dynamic fluidic control 24
• 3.2. Bio-resin characteristics 28
• 3.2.1. Printing fidelity of bio-resins 28
• 3.2.2. Curing kinetics of bio-resins 30
• 3.2.3. cross-contamination depending on pump actuation time 33
• 3.2.4. Biodegradation characteristics of biodegradable resin 36
• 3.3. High resolution, multi-material DLP printing 38
• 3.3.1. Single material 3D micro-structure 38
• 3.3.2. Tunable, partial biodegradable multi-material 3D micro-structure 40
• Chapter 4. Conclusions 45
• Bibliography 47
• 국문 초록 50