JP2016144869A - Pressure adjustment device, material discharge device, and molding device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、気体の圧力を調整する圧力調整装置、臓器・組織を再生するための立体構造物の骨格などとなる構造材料を気体の圧力で吐出する材料吐出装置、および臓器・組織を造形する造形装置に関する。 The present invention relates to a pressure adjusting device that adjusts a gas pressure, a material discharging device that discharges a structural material that serves as a skeleton of a three-dimensional structure for regenerating an organ / tissue with a gas pressure, and a model of the organ / tissue. The present invention relates to a modeling apparatus.
複雑な構造を有する臓器や組織を再生するための技術として、積層造形法を利用した臓器・組織造形技術が注目されている。このような臓器・組織造形技術は、再生医療のための最も有望な潜在的技術の1つである。公知の臓器・組織造形技術の1つとして、例えば特許文献1に代表されるインクジェット印刷技術が挙げられる。
As a technique for regenerating an organ or tissue having a complicated structure, an organ / tissue shaping technique using a layered shaping method has attracted attention. Such organ / tissue shaping technology is one of the most promising potential technologies for regenerative medicine. As one of known organ / tissue shaping techniques, for example, an inkjet printing technique represented by
しかしながら、インクジェット印刷技術を臓器・組織造形技術に適用した場合、低粘度のゲルを用いる必要があった。このことから、高アスペクト比構造を形成したり、栄養素や酸素の輸送を促進する多孔質構造を形成したりすることが困難であった。さらに、この材料の処理のために毒性のある溶媒が使用され得るという問題があった。 However, when the ink jet printing technique is applied to the organ / tissue shaping technique, it is necessary to use a low-viscosity gel. For this reason, it has been difficult to form a high aspect ratio structure or to form a porous structure that promotes transport of nutrients and oxygen. Furthermore, there has been the problem that toxic solvents can be used for the treatment of this material.
以上のような問題を解決する手段として、特許文献2が見出された。この統合的な臓器・組織造形法の発明により、種々の役割を有する生存細胞群が正確に配置された、高強度の立体構造物を形成する方法が確立された。
高強度の立体構造物を支持するための骨格となる構造材料としては、任意の適切な生分解性樹脂や生体不活性な材料を適用することができるが、移植後に臓器・組織として完全に置き換わる必要性から、生体内で分解可能な生分解性樹脂を適用することがより好ましい。更に、毒性が発生し得る溶媒等を用いない加熱溶融積層法(Fused Deposition Modeling、以下「FDM法」と記述する)を用いて形成することがより好ましい。以上に該当する公知技術の一つとして特許文献3がある。
Any appropriate biodegradable resin or bioinert material can be applied as a structural material that serves as a skeleton for supporting a high-strength three-dimensional structure, but it is completely replaced as an organ or tissue after transplantation. In view of necessity, it is more preferable to apply a biodegradable resin that can be decomposed in vivo. Furthermore, it is more preferable to form the film by using a hot melt lamination method (Fused Deposition Modeling, hereinafter referred to as “FDM method”) that does not use a solvent that may cause toxicity.
しかしながら、構造材料に生分解性樹脂が選択された場合、熱分解性が高いため、造形可能な温度帯域(融点と分解開始温度との間)が狭い傾向にある。従って、生分解性樹脂を臓器・組織の骨格となる構造材料として用いる場合は、かなり高い粘度のままで造形加工を行う必要があるが、造形速度が遅いと細胞の生存率が低下し、臓器や組織として機能しないものになる。 However, when a biodegradable resin is selected as the structural material, the temperature range (between the melting point and the decomposition start temperature) tends to be narrow because of high thermal decomposability. Therefore, when a biodegradable resin is used as a structural material that becomes the skeleton of an organ / tissue, it is necessary to perform modeling processing with a fairly high viscosity. Or something that does not function as an organization.
上記特許文献3に記載の技術では、シリンジの上端開口部に備えられたステッピングモータに取り付けられてシリンジ内に挿入されたピストンロッドをシリンジ内部で上下方向に駆動させることによって、高粘度の生分解性樹脂を吐出させているが、材料の吐出量が変動する脈流が発生したり、シリンジ内の残圧による先端からの樹脂流出が発生したりといった問題があった。この結果、構造材料の細線が波打ってしまったり、細線の始点や終点に液溜まりが生じたりする現象が発生していた。
In the technique described in
本発明は、脈流や液溜まりを生ずることなく造形速度を向上させることを目的とする。 An object of this invention is to improve modeling speed without producing a pulsating flow or a liquid pool.
本発明の圧力調整装置は、加圧気体が注入されることで造形用の材料を吐出する吐出器に接続され、その加圧気体の圧力を調整してその吐出器に注入するものである。この圧力調整装置は増圧部と吸引部とを備えており、この増圧部は、外部から供給される気体の圧力を増す増圧器とその気体の圧力を設定圧力に調整する調圧器とが直列に接続され、外部から供給されたときよりも高い圧力に調整した気体を上記吐出器に注入する。また、吸引部は、気体の圧力を大気圧より低い圧力に減らす減圧器を有し上記吐出器から気体を吸引する。 The pressure adjusting device of the present invention is connected to a discharger that discharges a material for modeling when a pressurized gas is injected, and adjusts the pressure of the pressurized gas to be injected into the discharger. The pressure adjusting device includes a pressure increasing portion and a suction portion. The pressure increasing portion includes a pressure increasing device that increases the pressure of gas supplied from the outside and a pressure adjusting device that adjusts the pressure of the gas to a set pressure. A gas that is connected in series and adjusted to a pressure higher than that supplied from the outside is injected into the discharger. The suction unit has a decompressor that reduces the gas pressure to a pressure lower than the atmospheric pressure, and sucks the gas from the discharger.
このような圧力調整装置によれば、増圧部から吐出器に連続的に注入される気体によって、材料を脈流なく素早く連続的に吐出することが可能となる一方で、吸引部による吸引で素早く吐出を停止させて液漏れによる液溜まりも防ぎ、高粘性の材料であっても造形速度を総合的に向上させることができる。 According to such a pressure adjusting device, it is possible to quickly and continuously discharge a material without a pulsating flow by the gas continuously injected from the pressure increasing portion to the discharge device. Discharging is stopped quickly to prevent liquid accumulation due to liquid leakage, and the modeling speed can be improved overall even for highly viscous materials.
本発明の圧力調整装置において、上記吐出器から上記減圧器に至る流路と大気圧空間との間に接続され、その流路からその大気圧空間へ向かって順方向となっている逆流防止弁を備えていることが好適である。 In the pressure adjusting device of the present invention, the backflow prevention valve is connected between the flow path leading from the discharger to the pressure reducer and the atmospheric pressure space, and is forward from the flow path toward the atmospheric pressure space. It is preferable to comprise.
このような圧力調整装置によれば、逆流防止弁という簡易な構成要素によって上記流路の圧力を素早く下げることができ、素早い吐出停止を簡易な構成で実現することができる。 According to such a pressure adjusting device, the pressure of the flow path can be quickly reduced by a simple component called a backflow prevention valve, and a quick discharge stop can be realized with a simple configuration.
また、本発明の圧力調整装置において、上記吐出器から上記減圧器に至る流路に、流入量を制御しながら気体を流入させることでその流路における圧力を大気圧よりも低い範囲内で調整する流路調圧器を備えることも好適である。 Further, in the pressure adjusting apparatus of the present invention, the pressure in the flow path is adjusted within a range lower than the atmospheric pressure by allowing gas to flow into the flow path from the discharge device to the decompressor while controlling the inflow amount. It is also preferable to include a flow path pressure regulator.
このような圧力調整装置によれば、上記吸引部による吸引の強さが適切に調整されることで、再吐出時にも素早く吐出を開始することができる。 According to such a pressure adjusting device, it is possible to quickly start discharge even at the time of re-discharge, by appropriately adjusting the strength of suction by the suction unit.
本発明の材料吐出装置は、加圧気体が注入されることで造形用の材料を吐出する吐出器と、上記吐出器に接続された上記圧力調整装置とを備えている。このような材料吐出装置によれば、上述したように、材料の素早い吐出とともに吐出の素早い停止も実現できるため、造形速度の向上に寄与する。 The material discharge device of the present invention includes a discharger that discharges a material for modeling by injecting a pressurized gas, and the pressure adjusting device connected to the discharger. According to such a material discharging apparatus, as described above, since the material can be quickly discharged and the discharging can be stopped quickly, it contributes to the improvement of the modeling speed.
本発明の造形装置は、加圧気体が注入されることで構造材料を吐出する「材料吐出器」と、加圧気体が注入されることで細胞や培養液等を含む溶媒を吐出する「細胞吐出器」と、上記材料吐出器および上記細胞吐出器の位置を移動させる移動機と、上記材料吐出器および上記細胞吐出器に接続され、上記加圧気体の圧力を調整してそれら材料吐出器および細胞吐出器に注入する圧力調整装置とを備えている。そして、この圧力調整装置は、増圧部と注入部と吸引部とを備えており、増圧部は、上記増圧器と上記調圧器とが直列に接続され、外部から供給されたときよりも高い圧力に調整した気体を上記材料吐出器に注入する。また、注入部は、外部から供給される気体の圧力を増さずに上記細胞吐出器に注入し、吸引部は、気体の圧力を大気圧より低い圧力に減らす減圧器を有し、上記材料吐出器および上記細胞吐出器から気体を吸引する。 The modeling apparatus according to the present invention includes a “material discharger” that discharges a structural material by injecting a pressurized gas, and a “cell that discharges a solvent including cells, a culture solution, and the like by injecting the pressurized gas. A discharger ", a mobile device for moving the material discharger and the cell discharger, and a material discharger connected to the material discharger and the cell discharger to adjust the pressure of the pressurized gas. And a pressure adjusting device for injecting into the cell discharger. And this pressure regulation apparatus is provided with the pressure increase part, the injection | pouring part, and the suction part, and the pressure increase part is compared with the case where the said pressure increaser and the said pressure regulator are connected in series, and are supplied from the outside. A gas adjusted to a high pressure is injected into the material discharger. Further, the injection part injects into the cell discharger without increasing the pressure of the gas supplied from the outside, and the suction part has a decompressor for reducing the gas pressure to a pressure lower than the atmospheric pressure, and the material Gas is sucked from the discharger and the cell discharger.
細胞吐出器に加えることが可能な圧力は、加圧による細胞の壊死を防ぐために大よそ100kPa以下と極めて低いが、このような造形装置によれば、構造形成用の材料については増圧した気体によって吐出速度を増す一方で、細胞や培養液等を含む溶媒については増圧しない気体で吐出することで高い制御性を保ちつつ細胞の劣化を防ぎ、細胞が生きている間に造形を完了させることができる。 The pressure that can be applied to the cell discharger is extremely low, approximately 100 kPa or less in order to prevent cell necrosis due to pressurization. However, according to such a modeling apparatus, the gas for the structure formation is increased in pressure. While increasing the discharge speed by, the solvent containing cells and culture solution is discharged with a gas that does not increase pressure to prevent deterioration of the cell while maintaining high controllability and complete the molding while the cell is alive be able to.
本発明によれば、脈流や液溜まりを生ずることなく造形速度を向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to improve the modeling speed without causing a pulsating flow or a liquid pool.
本発明の実施形態について、以下図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の材料吐出装置の一実施形態に相当するディスペンシングユニットの構成を概略的に示す図である。 FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a dispensing unit corresponding to an embodiment of a material discharge apparatus of the present invention.
図1に示すディスペンシングユニット1は、ディスペンシングユニット1の全体を制御する制御器として動作するパーソナルコンピュータ10と、シリンジ21を3軸ステージで移動させながら材料を吐出する吐出機20と、パーソナルコンピュータ10の指示に従って吐出機20の3軸ステージ(X,Y,Zステージ)の駆動を制御する3軸ステージコントローラ30と、吐出機20のシリンジ21に対して気体注入と吸引とを行うために気体圧力を制御する圧力コントローラ40とを備えている。
A
シリンジ21は構造材料を内包しており、構造材料を加熱するヒータユニット22内に収納されて3軸ステージのアームに保持されている。ヒータユニット22は加熱コントローラ23によって制御されている。
The
圧力コントローラ40には、外部空圧設備50から供給される高圧気体の圧力を増加させる増圧部41と、シリンジ21から気体を吸引する吸引部42と、それら増圧部41および吸引部42の動作を制御する制御回路43が備えられている。
The
パーソナルコンピュータ10は、3軸ステージコントローラ30から位置情報を入手するとともに、圧力コントローラ40の制御回路43から増圧部41および吸引部42の稼働情報を入手する。そしてパーソナルコンピュータ10は、造形する立体物の形状に基づいて、3軸ステージコントローラ30を介して吐出機20に位置移動を指示するとともに、圧力コントローラ40に吐出の開始や停止を指示する。これにより、シリンジ21の位置とシリンジ21からの材料吐出が連携して所望の立体形状が造形されることとなる。なお、ディスペンシングユニット1の制御器の一例として本実施形態ではパーソナルコンピュータ10が採用されているが、制御器としてはPLC(Programmable Logic Controller)等の制御に関わることが可能なあらゆる機器を採用することが可能である。
The
圧力コントローラ40は、本発明の圧力調整装置の一実施形態に相当し、吐出機20のシリンジ21は、本発明の材料吐出装置にいう吐出器の一例に相当する。
The
図2は、圧力コントローラの内部構成を示す図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating an internal configuration of the pressure controller.
上述したように、圧力コントローラ40には、増圧部41と吸引部42と制御回路43が備えられているが、図2では制御回路43と制御用の信号路は図示が省略されている。
As described above, the
増圧部41には、増圧弁401と気体蓄積容器402と減圧弁403と第1圧力センサ404と第2圧力センサ405と分岐路開閉弁406と保圧用開閉弁407が備えられている。増圧弁401は本発明にいう増圧器の一例に相当する。
The
減圧弁403の開度は制御回路43で調整され、第1圧力センサ404と第2圧力センサ405による検出値は制御回路43へと送られ、分岐路開閉弁406と保圧用開閉弁407の開閉動作は制御回路43からの指示で実行される。
The opening degree of the
外部空圧設備50から供給された高圧気体は、増圧弁401による圧縮で増圧され、その後、気体蓄積容器402を介して減圧弁403に流入し、減圧弁403によって調圧される。減圧弁403による調圧は、増圧弁401で増圧された圧力よりも低い圧力範囲で制御可能となるが、増圧弁401から供給される圧縮気体の脈動による圧力変化が生じる。気体蓄積容器402は必ずしも必要ではないが、脈動を低減させるためには有効であり、少なくとも増圧弁401内に蓄積可能な圧縮気体の最大容量と同等かそれを超える容量を有していることがより好ましい。
The high-pressure gas supplied from the external
減圧弁403で調圧された圧縮気体は、保圧用開閉弁407が閉じられていることによって圧縮増圧状態が保持される。保圧用開閉弁407は吐出機20のシリンジ21に接続されており、保圧用開閉弁407が開放されると圧縮気体はシリンジ21に供給される。分岐路開閉弁406は、圧縮気体の開放弁として分岐接続されている。
The compressed gas pressure-adjusted by the
第1圧力センサ404は増圧弁401と減圧弁403との間に備えられており、増圧弁401によって増圧された気体の圧力を連続的に監視している。第2圧力センサ405は減圧弁403と保圧用開閉弁407との間に備えられており、減圧弁403によって調圧された気体の圧力を連続的に監視している。
The
吸引部42は増圧部41と吐出機20のシリンジ21との間に分岐接続されている。吸引部42には、真空排気ポンプ408と開閉弁409と逆止弁410と速度制御弁411と補助排気弁412と圧力センサ413が備えられている。真空排気ポンプ408は本発明にいう減圧器の一例に相当する。
The
真空排気ポンプ408の吸気速度と速度制御弁411の開度は制御回路43によって調整され、圧力センサ413による検出値は制御回路43へと送られ、開閉弁409の開閉動作は制御回路43からの指示で実行される。
The intake speed of the
真空排気ポンプ408は開閉弁409を通じて吐出機20のシリンジ21に接続されている。真空排気ポンプ408と開閉弁409との間には、流路内(配管内)が正圧である場合に開く方向に取り付けられた逆止弁が補助排気弁412として分岐接続されている。この補助排気弁412は、配管内およびシリンジ21内に残存した加圧気体をシステム外に迅速に放出する役割を有しており、この補助排気弁412により、残存気体を真空排気ポンプ408の排気速度や配管内の排気抵抗に大きく依存することなく放出することができる。残存気体の迅速な放出によりシリンジ21の材料吐出を素早く停止することができ、逆止弁が採用されることで簡易な構成で実現されている。この補助排気弁412は、排気抵抗の影響を避けるため、できる限り開閉弁409に近づけて設置することが好ましい。
The
一方、シリンジ21と開閉弁409との間には、流路内(配管内)が負圧である場合に開く方向に取り付けられた逆止弁410と、逆止弁410に直列接続された速度制御弁411とが分岐接続されている。この速度制御弁411が、吸引部42における排気圧(吸引力)を調整する役割を担っている。この速度制御弁411の開度を変更することによって、自在に排気圧を変更することが可能となる。排気圧(吸引力)が適切に調整されることで、シリンジ21による材料の再吐出時にも素早く吐出を開始することができる。また、逆止弁410は配管内が負圧である場合のみに流路を外気と接続させるために用いられている。逆止弁410の存在によって、増圧部41によるシリンジ21への加圧操作に影響を与えることなく、負圧のみを除去することが可能となる。圧力センサ413はシリンジ21と開閉弁409との間に備えられており、速度制御弁411によって調整された排気圧を連続的に監視している。
On the other hand, between the
真空排気ポンプ408に関しては、ベンチュリー効果を利用した真空排気機構等を代わりに用いた実施形態も考えられる。また、排気圧についてより細かいフィードバック制御を行いたい場合は、逆止弁410と速度制御弁411との組み合わせを用いる代わりに比例制御弁を用いた実施形態が好ましい。逆に、排気圧についてはフィードバック制御を行わないで、速度制御弁411の開度を手動で設定する実施形態も考えられる。
Regarding the
ここで、制御回路43による増圧部41と吸引部42の動作制御について説明する。
Here, the operation control of the
図3は、制御回路による動作制御を表すフローチャートである。 FIG. 3 is a flowchart showing operation control by the control circuit.
このフローチャートのステップS107までは増圧部41の動作制御となっており、ステップS108以降は吸引部42の動作制御となっている。
Up to step S107 in this flowchart, the operation control of the
このフローチャートに示す動作制御は、圧力コントローラの電源が投入されると開始され、まずステップS101では、増圧部41の第1圧力センサ404から圧力の検出値(指示圧)P1が取得され、その検出値P1がxP0(xは増圧弁401の増圧率、P0は外部空圧設備50からの供給圧)に対して設定許容誤差α内で一致しているか否か判定される。判定の結果、設定許容誤差αを超えて不一致であった場合には、第1圧力センサ404の検出値が異常であることを示す動作異常アラームなどが発報されて使用者に異常が知らされると共に、高圧を開放するために分岐路開閉弁406が開かれたり、使用者による対応処置のために一時停止されたりといった処理が実行される(ステップS102)。その後、使用者による対応処置などを経て動作が再開されると制御はステップS101へと戻る。
The operation control shown in this flowchart is started when the power of the pressure controller is turned on. First, in step S101, a detected pressure value (indicated pressure) P 1 is acquired from the
ステップS101における判定で、第1圧力センサ404の検出値(指示圧)P1がxP0に対して設定許容誤差α内で一致している場合には、増圧弁401によって正常に増圧されていることとなり、ステップS103に進んで、増圧部41の第2圧力センサ405から圧力の検出値(指示圧)P2が取得される。その検出値は、ステップS103で増圧部41の出力圧としての設定値Pと比較され、設定許容誤差βを超えて不一致であった場合には、ステップS104に進んで減圧弁403の開度が調整される。開度調整後はステップS103に戻って検出値(指示圧)P2の取得と比較が繰り返される。ここで設定値Pは、第1圧力センサ404の検出値P1を超さない値に設定されているが、更に安定した圧力制御を行うためには、減圧弁403に流入する圧縮気体に発生する脈動による最大減少圧dPを差し引いた値(P1−dP)を超さない範囲で設定されることがより好ましい。
If it is determined in step S101 that the detected value (indicated pressure) P 1 of the
ステップS103における判定で、第2圧力センサ405の検出値(指示圧)P2が設定値Pに対して設定許容誤差β内で一致している場合には、増圧部41の出力圧が正常であることとなり、ステップS105に進む。
In the judgment in the step S103, when the detected value of the second pressure sensor 405 (indicated pressure) P 2 conforms in setting tolerance β with respect to the set value P, the normal output pressure of the pressurizing
ステップS105では、図1に示すパーソナルコンピュータ10から入力される吐出信号が取得され、吐出信号が吐出オンを示していると保圧用開閉弁407が開かれて(ステップS106)、シリンジ21からの材料吐出が開始する。一方、吐出信号が吐出オフを示していると保圧用開閉弁407が閉じられ(ステップS107)、吸引部42の開閉弁409が開かれる(ステップS108)。これにより、シリンジ21の残存気体が補助排気弁412から速やかに放出される。また、真空排気ポンプ408の動作も開始され、シリンジ21からの材料吐出が停止する。
In step S105, a discharge signal input from the
その後ステップS109に進んでパーソナルコンピュータ10から入力される吸気信号が取得され、吸気信号が吸気オンを示していると吸引部42の圧力センサ413から圧力の検出値(指示圧)が取得される(ステップS110)。圧力センサ413の検出値は、設定された排出圧と比較され、許容誤差を超えて不一致である場合(ステップS110;NG)はステップS111で速度制御弁411の開度が変更される。開度の変更後はステップS110に戻り、検出値の取得と比較が繰り返される。そして、圧力センサ413の検出値が許容誤差内で設定排出圧に一致すると(ステップS110;OK)、ステップS108に制御が戻る。
Thereafter, the process proceeds to step S109, where an intake signal input from the
吸気信号が吸気オンを示している間は、ステップS108〜ステップS111の処理により、設定排出圧による吸引が行われ、シリンジ21の先端に残った材料がシリンジ21内に引き込まれる。これにより、吐出済みの材料とシリンジ21内の材料とが分離される。速度制御弁411によって排出圧が調整されているので、材料の引き込みに適した排出圧が実現されている。
While the inhalation signal indicates that the inhalation is on, suction by the set discharge pressure is performed by the processing of step S108 to step S111, and the material remaining at the tip of the
パーソナルコンピュータ10からは、シリンジ21内に材料が過剰に引き込まれないうちに吸気オフを示す吸気信号が入力され、ステップS109で吸気オフが確認されると吸引部42の開閉弁409が閉じられる(ステップS112)。その後、制御は増圧部41側のステップS103に戻る。
The
このように、本実施形態の圧力コントローラでは、増圧された気体による素早い材料吐出と、吸引による素早い吐出停止との双方が行われるので、脈流や液溜まりを生ずることなく造形速度が向上する。 As described above, in the pressure controller according to the present embodiment, both quick material discharge by the increased pressure gas and quick discharge stop by suction are performed, so that the modeling speed is improved without causing pulsating flow and liquid accumulation. .
以上で、図1に示す第1実施形態の説明を終了し、次に、第2実施形態について説明する。この第2実施形態は、圧力コントローラの増圧部の構造が異なっている点を除いて第1実施形態と同様の実施形態であるので、以下では第1実施形態との相違点に着目した説明を行い、重複説明は省略する。 Above, description of 1st Embodiment shown in FIG. 1 is complete | finished, and 2nd Embodiment is described next. Since this second embodiment is the same as the first embodiment except that the structure of the pressure increasing portion of the pressure controller is different, the following description will focus on the differences from the first embodiment. And redundant explanation is omitted.
図4は、第2実施形態における増圧部の内部構成を示す図である。 FIG. 4 is a diagram illustrating an internal configuration of the pressure increasing unit in the second embodiment.
第2実施形態における増圧部44は、第1実施形態と同様に、増圧弁401と気体蓄積容器402と分岐路開閉弁406と保圧用開閉弁407が備えられている。一方、第2実施形態では、減圧弁414が増圧弁401よりも上流に備えられており、分岐路開閉弁406には速度制御弁415が直列に接続されている。また、第1圧力センサ416は減圧弁414と増圧弁401との間に備えられており、減圧弁414によって調圧された気体の圧力を連続的に監視している。第2圧力センサ417は増圧弁401と保圧用開閉弁407との間に備えられており、増圧弁401によって増圧された気体の圧力を連続的に監視している。
As in the first embodiment, the
なお、第2実施形態でも第1実施形態と同様に、増圧弁401の増圧率や減圧弁414の開度は制御回路43で調整され、第1圧力センサ416と第2圧力センサ417による検出値は制御回路43へと送られ、分岐路開閉弁406と保圧用開閉弁407の開閉動作および速度制御弁415の開度設定は制御回路43からの指示で実行される。
In the second embodiment, as in the first embodiment, the pressure increasing rate of the
第2実施形態では、外部空圧設備50から供給された高圧気体は、減圧弁414によって調圧されたのち、増圧弁401にて圧縮増圧され、気体蓄積容器402に蓄えられる。蓄えられた圧縮気体は、分岐路開閉弁406と保圧用開閉弁407が閉じられることによって圧縮増圧状態が保持される。保圧用開閉弁407は吐出機20のシリンジ21に接続されており、保圧用開閉弁407が開放されると圧縮気体はシリンジ21に供給される。
In the second embodiment, the high-pressure gas supplied from the external
ここで、第2実施形態における増圧部44の動作制御について説明する。
Here, the operation control of the
図5は、第2実施形態における増圧部の動作制御を表すフローチャートである。 FIG. 5 is a flowchart showing the operation control of the pressure increasing unit in the second embodiment.
このフローチャートに示す動作制御は、圧力コントローラの電源が投入されると開始される。動作制御が開始されると、まずステップS201では、第1圧力センサ416の検出値(指示圧)P3と第2圧力センサ417の検出値(指示圧)P4が取得され、P4とxP3(xは増圧弁401の増圧率)が設定許容誤差β内で一致しているか否か判定される。ここで増圧率xは、xP3が外部空圧設備50からの供給圧P0を上回るように設定されているものとする。
The operation control shown in this flowchart is started when the pressure controller is turned on. When the operation control is started, first, in step S201, the detection value (command pressure) P 3 and the detection value of the
ステップS201における判定の結果、P4が設定許容誤差βを超えてxP3を下回っている場合は、分岐路開閉弁406が閉じられ(ステップS202)、減圧弁414の開度が増圧方向に変更される(ステップS203)。その後、制御はステップS201に戻り、検出値の取得と比較が繰り返される。
As a result of the judgment in the step S201, if the P 4 is below the xP 3 exceeds the set tolerance beta, branch path on-off
ステップS201における判定の結果、P4が設定許容誤差βを超えてxP3を上回っている場合は、分岐路開閉弁406が開かれて(ステップS204)圧力が低減される。本実施形態では、速度制御弁415の開度設定は変更されないものとするが、より細かいフィードバック制御を行いたい場合は、分岐路開閉弁406と速度制御弁415の組み合わせに代えて比例制御弁を用いることが好ましい。また、圧力低減のためには速度制御弁415は必ずしも必要ではないが、速度制御弁415によって排気速度を調整することにより、第1圧力センサ416の検出値P3と第2圧力センサ417の検出値P4との比較による圧力制御がより容易となる。ステップS204で圧力が低減された後は、ステップS201に戻り、検出値の取得と比較が繰り返される。
As a result of the judgment in the step S201, if the P 4 is above the xP 3 exceeds the set tolerance beta, branch path on-off
ステップS201における判定の結果、P4が設定許容誤差β内でxP3と一致している場合には、出力圧が正常であることとなり、ステップS205に進む。 As a result of the judgment in the step S201, if the P 4 is consistent with xP 3 in the configuration tolerance β becomes a possible output pressure is normal, the process proceeds to step S205.
ステップS205では、図1に示すパーソナルコンピュータ10から入力される吐出信号が取得され、吐出信号が吐出オンを示していると保圧用開閉弁407が開かれて(ステップS206)、シリンジ21からの材料吐出が開始する。一方、吐出信号が吐出オフを示していると保圧用開閉弁407が閉じられ(ステップS207)、吸引部の動作制御に移行する。
In step S205, a discharge signal input from the
吸引部の動作制御は第1実施形態における動作制御と同様であり、吸引部から増圧部に動作制御が移行してくるとステップS201からの動作制御が繰り返される。 The operation control of the suction unit is the same as the operation control in the first embodiment. When the operation control shifts from the suction unit to the pressure increasing unit, the operation control from step S201 is repeated.
以上で第2実施形態の説明を終了し、次に、第3実施形態について説明する。この第3実施形態は、圧力コントローラの吸引部の構造が異なっている点を除いて第1実施形態と同様の実施形態であるので、以下では第1実施形態との相違点に着目した説明を行い、重複説明は省略する。 This is the end of the description of the second embodiment. Next, the third embodiment will be described. Since this third embodiment is the same as the first embodiment except that the structure of the suction part of the pressure controller is different, the following description will focus on the differences from the first embodiment. Repeated explanation is omitted.
図6は、第3実施形態における吸引部の内部構成を示す図である。 FIG. 6 is a diagram illustrating an internal configuration of the suction unit according to the third embodiment.
第3実施形態における吸引部45では、図2に示す開閉弁409に代えて三方弁418が備えられており、真空排気ポンプ408が三方弁418の出力側の一端を通じてシリンジ21に接続されている。三方弁418の出力側のもう一端には、流路内(配管内)が負圧である場合に開く方向に取り付けられた逆止弁419が接続されている。この逆止弁419は配管内が負圧である場合のみに流路を外気と接続させるために用いられている。また、この逆止弁419を介して流路は速度調整弁を経ずに外気と接続されるため、三方弁418が逆止弁419側の一端に切り替えられると、シリンジ21と真空排気ポンプ408との接続が切断されるとともにシリンジ21の負圧が速やかに除去されることとなる。
In the
図7は、第3実施形態における吸引部の動作制御を表すフローチャートである。 FIG. 7 is a flowchart showing the operation control of the suction unit in the third embodiment.
増圧部の動作制御から吸引部45の動作制御へと移行してくると、真空排気ポンプ408に接続された三方弁418の第1端が開かれる(ステップS301)。これにより、シリンジ21の残存気体が補助排気弁412から速やかに放出され、真空排気ポンプ408の動作も開始されて、シリンジ21からの材料吐出が停止する。
When shifting from the operation control of the pressure increasing section to the operation control of the
その後ステップS302に進んでパーソナルコンピュータ10から入力される吸気信号が取得され、吸気信号が吸気オンを示していると吸引部45の圧力センサ413から圧力の検出値(指示圧)が取得される(ステップS303)。圧力センサ413の検出値は、設定された排出圧と比較され、許容誤差を超えて不一致である場合(ステップS303;NG)はステップS304で速度制御弁411の開度が変更される。開度の変更後はステップS303に戻り、検出値の取得と比較が繰り返される。そして、圧力センサ413の検出値が許容誤差内で設定排出圧に一致すると(ステップS303;OK)、ステップS301に制御が戻る。
Thereafter, the process proceeds to step S302, where an intake signal input from the
吸気信号が吸気オンを示している間は、ステップS301〜ステップS304の処理が繰り返され、吸気オフを示す吸気信号が取得されると(ステップS302;OFF)、三方弁418の第1端が閉じられ、逆止弁419に接続された第2端が開かれる(ステップS305)。これにより逆止弁419を介して速やかにシリンジ21の負圧が解消され、シリンジ21への材料の引き込み過剰が防止される。その後、制御は増圧部に移行する。
While the intake signal indicates that the intake air is on, the processes in steps S301 to S304 are repeated, and when the intake signal indicating that the intake air is off is acquired (step S302; OFF), the first end of the three-
以上で第3実施形態の説明を終了し、次に、第4実施形態について説明する。この第4実施形態は、吸引部の構造の一部が異なっている点を除いて第3実施形態と同様の実施形態であるので、以下では第3実施形態との相違点に着目した説明を行い、重複説明は省略する。 This is the end of the description of the third embodiment. Next, the fourth embodiment will be described. Since the fourth embodiment is the same as the third embodiment except that a part of the structure of the suction part is different, the following description will focus on the differences from the third embodiment. Repeated explanation is omitted.
図8は、第4実施形態における吸引部の内部構成を示す図である。 FIG. 8 is a diagram illustrating an internal configuration of the suction unit according to the fourth embodiment.
図6に示す第3実施形態では逆止弁410と速度制御弁411との組み合わせにより排気圧が調整されていたのに代えて、図8に示すように第4実施形態の吸引部46では、真空減圧弁420で排気圧が調整される。真空減圧弁420は、真空排気ポンプ408と三方弁418との間に配備されている。
In the third embodiment shown in FIG. 6, instead of the exhaust pressure being adjusted by the combination of the
図9は、第4実施形態における吸引部の動作制御を表すフローチャートである。 FIG. 9 is a flowchart showing the operation control of the suction unit in the fourth embodiment.
このフローチャートのステップS401,S402,S403,S405における各処理は、図7に示すフローチャートのステップS301,S302,S303,S305における各処理と同様である。そして、図9のフローチャートのステップS404では、真空減圧弁420の開度が変更されて排気圧が調整される。
Each process in steps S401, S402, S403, and S405 in this flowchart is the same as each process in steps S301, S302, S303, and S305 in the flowchart shown in FIG. In step S404 in the flowchart of FIG. 9, the opening of the vacuum
このように真空減圧弁420で排気圧が調整される第4実施形態でも、第3実施形態と同様にシリンジ21からの吸引を行うことができる。
In the fourth embodiment in which the exhaust pressure is adjusted by the vacuum
以上で第4実施形態の説明を終了し、次に、本発明の造形装置の一実施形態について説明する。 Above, description of 4th Embodiment is complete | finished and next, one Embodiment of the modeling apparatus of this invention is described.
図10は、本発明の造形装置の一実施形態に相当する臓器造形システムを示す概略構成図である。 FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing an organ modeling system corresponding to an embodiment of the modeling apparatus of the present invention.
図10に示す臓器造形システム2は、図1に示すディスペンシングユニット1と同様に、パーソナルコンピュータ10、吐出機20、および3軸ステージコントローラ30を備えている。臓器造形システム2では、吐出機20に複数のシリンジ21,24が保持されており、各シリンジ21,24に対して気体注入と吸引とを行うために気体圧力を制御する圧力コントローラ60も備えられている。
Similar to the
複数のシリンジ21,24のうち、第1のシリンジ21には構造材料を内包しており、構造材料を加熱するヒータユニット22内に収納されて3軸ステージのアームに保持されている。ヒータユニット22は加熱コントローラ23によって制御されている。
Of the plurality of
複数のシリンジ21,24のうち、複数の第2のシリンジ24には各々が細胞や培養液等を含む溶媒を内包しており、3軸ステージのアームに保持されている。
Among the plurality of
圧力コントローラ60には、外部空圧設備50から供給される高圧気体の圧力を増加させる増圧部61と、シリンジ21,24から気体を吸引する吸引部62と、複数のシリンジ21,24に対して増圧部61および吸引部62を接続し遮断する開閉弁群64と、それら増圧部61、吸引部62、および開閉弁群64の動作を制御する制御回路63が備えられている。
The
臓器造形システム2におけるパーソナルコンピュータ10は、3軸ステージコントローラ30を介した吐出機20に対する位置移動の指示や、吐出の開始や停止の指示の他に、シリンジ21,24の選択指示も行う。これらの指示により、シリンジ21,24の位置移動と材料や細胞の吐出が連携して所望の臓器の立体形状が造形されることとなる。
The
圧力コントローラ60は、本発明の圧力調整装置の第5実施形態に相当し、吐出機20の第1のシリンジ21は、本発明の造形装置にいう材料吐出器の一例に相当し、吐出機20の第2のシリンジ24は、本発明の造形装置にいう細胞吐出器の一例に相当する。
The
図11は、臓器造形システムにおける圧力コントローラの内部構成を示す図である。 FIG. 11 is a diagram illustrating an internal configuration of a pressure controller in the organ modeling system.
上述したように、圧力コントローラ60には、増圧部61と吸引部62と制御回路63と開閉弁群64が備えられているが、図11では制御回路63と制御用の信号路は図示が省略されている。
As described above, the
増圧部61は内部で2つの流路に分岐しており、第1のシリンジ21に接続される第1流路は、図2に示す増圧部41と同じ構成となっている。一方、第2のシリンジ24に接続される第2流路には、外部空圧設備50から供給された高圧気体を調圧する減圧弁601と、減圧弁601により調圧された気体の圧力を監視して調圧のフィードバック制御に用いられる圧力センサ602と、調圧された気体の圧力を保持する開閉弁603が備えられている。この第2流路によって第2のシリンジ24には、外部空圧設備50から供給された高圧気体が増圧されずに注入されることとなる。第1流路は、本発明の造形装置にいう増圧部の一例に相当し、第2流路は、本発明の造形装置にいう注入部の一例に相当する。
The
吸引部62は、図2に示す吸引部42に三方弁604が追加された構造となっている。三方弁604の入力側の第1端は第1のシリンジ21に接続されており、第2端は第2のシリンジ24に接続されている。
The
開閉弁群64には、複数のシリンジ21,24と同数の開閉弁605が備えられており、1番目の開閉弁605は第1のシリンジ21に接続され、2番目以降の開閉弁605は複数の第2のシリンジ24に1つずつ接続されている。
The on-off
ここで、圧力コントローラ60によって各シリンジ21,24における吐出と吸引を切り換える操作について説明する。
Here, an operation of switching between discharge and suction in the
図12は、臓器造形システムの圧力コントローラにおける切り換え操作を表した操作表である。 FIG. 12 is an operation table showing a switching operation in the pressure controller of the organ shaping system.
この操作表では、圧力コントローラ60が有する各弁の操作状態が示されている。表中の文字「O」は弁の開操作を表し、表中の文字「C」は弁の閉操作を表している。また、各弁やシリンジを区別するために図11中の符号が用いられている。
In this operation table, the operation state of each valve of the
第1のシリンジ21における吐出の際には、圧力コントローラ60では、増圧部61の第1流路の保圧用開閉弁407が開かれ、第2流路の開閉弁603は閉じられる。また、吸引部62の開閉弁409は閉じられ、三方弁604は第1端が開かれる。そして、開閉弁群64では、第1のシリンジ21に接続された1番目の開閉弁605が開かれ、2番目以降の開閉弁605は全て閉じられる。このような操作により、増圧部61の第1流路から加圧気体が第1のシリンジ21に注入されて構造材料の吐出が行われる。第1のシリンジ21における吐出を止めて吸引する場合には、増圧部61の第1流路の保圧用開閉弁407が閉じられ、吸引部62の開閉弁409が開かれる。
When discharging from the
一方、第2のシリンジ24における吐出の場合には、増圧部61の第1流路の保圧用開閉弁407が閉じられ、第2流路の開閉弁603は開かれる。また、吸引部62の開閉弁409は閉じられ、三方弁604は第2端が開かれる。そして、例えば複数の第2のシリンジ24のうち1番目の吐出であれば、開閉弁群64の開閉弁605のうち、第2のシリンジ24の1番目に接続されている、2番目の開閉弁605が開かれて、他の開閉弁605は全て閉じられる。このような操作により、増圧部61の第2流路から気体が第2のシリンジ24に注入されて細胞の吐出が行われる。第2のシリンジ24における吐出を止めて吸引する場合には、増圧部61の第2流路の開閉弁603が閉じられ、吸引部62の開閉弁409が開かれる。
On the other hand, when discharging from the
このような操作によって各シリンジ21,24における吐出と吸引が制御され、構造材料と細胞とが組み合わされた臓器が造形されることとなる。また、構造材料の吐出時には増圧された気体で素早い吐出が図られる一方で、細胞の吐出時には増圧しない気体を用いて低圧であっても高い制御性を有する状態で吐出することにより細胞の生存性の向上が図られている。
By such an operation, discharge and suction in each
1 ディスペンシングユニット
2 臓器造形システム
20 吐出機
21,24 シリンジ
30 3軸ステージコントローラ
40,60 圧力コントローラ
41,44,61 増圧部
42,45,46,62 吸引部
43,63 制御回路
DESCRIPTION OF
Claims (5)
外部から供給される気体の圧力を増す増圧器と該気体の圧力を設定圧力に調整する調圧器とが直列に接続され、外部から供給されたときよりも高い圧力に調整した気体を前記吐出器に注入する増圧部と、
気体の圧力を大気圧より低い圧力に減らす減圧器を有し、前記吐出器から気体を吸引する吸引部と、
を備えたことを特徴とする圧力調整装置。 A pressure adjusting device that is connected to a discharger that discharges a material for modeling by being injected with a pressurized gas, and that adjusts the pressure of the pressurized gas and injects into the discharger;
A pressure intensifier for increasing the pressure of the gas supplied from the outside and a pressure regulator for adjusting the pressure of the gas to the set pressure are connected in series, and the gas adjusted to a pressure higher than that supplied from the outside is supplied to the discharger. A pressure-intensifying part to be injected into
A suction unit for reducing the pressure of the gas to a pressure lower than the atmospheric pressure, and sucking the gas from the discharger;
A pressure adjusting device comprising:
前記吐出器に接続され、前記加圧気体の圧力を調整して該吐出器に注入する圧力調整装置とを備え、
前記圧力調整装置が、
外部から供給される気体の圧力を増す増圧器と該気体の圧力を設定圧力に調整する調圧器とが直列に接続され、外部から供給されたときよりも高い圧力に調整した気体を前記吐出器に注入する増圧部と、
気体の圧力を大気圧より低い圧力に減らす減圧器を有し、前記吐出器から気体を吸引する吸引器と、
を備えたものであることを特徴とする材料吐出装置。 A discharger that discharges a material for modeling by injecting pressurized gas;
A pressure adjusting device connected to the discharger and adjusting the pressure of the pressurized gas and injecting the pressured gas into the discharger;
The pressure adjusting device comprises:
A pressure intensifier for increasing the pressure of the gas supplied from the outside and a pressure regulator for adjusting the pressure of the gas to the set pressure are connected in series, and the gas adjusted to a pressure higher than that supplied from the outside is supplied to the discharger. A pressure-intensifying part to be injected into
A pressure reducer that reduces the pressure of the gas to a pressure lower than atmospheric pressure, and a suction device that sucks the gas from the discharge device;
A material discharge apparatus comprising:
加圧気体が注入されることで細胞を吐出する細胞吐出器と、
前記材料吐出器および前記細胞吐出器の位置を移動させる移動機と、
前記材料吐出器および前記細胞吐出器に接続され、前記加圧気体の圧力を調整して該材料吐出器および該細胞吐出器に注入する圧力調整装置とを備え、
前記圧力調整装置が、
外部から供給される気体の圧力を増す増圧器と該気体の圧力を設定圧力に調整する調圧器とが直列に接続され、外部から供給されたときよりも高い圧力に調整した気体を前記材料吐出器に注入する増圧部と、
外部から供給される気体の圧力を増さずに前記細胞吐出器に注入する注入部と、
気体の圧力を大気圧より低い圧力に減らす減圧器を有し、前記材料吐出器から気体を吸引する吸引部と、
を備えたものであることを特徴とする造形装置。 A material discharger for discharging a material for forming a structure by injecting a pressurized gas;
A cell discharger for discharging cells by injecting pressurized gas;
A mobile device for moving the position of the material discharger and the cell discharger;
A pressure adjusting device connected to the material discharger and the cell discharger, and adjusting the pressure of the pressurized gas to inject the material discharger and the cell discharger;
The pressure adjusting device comprises:
A pressure intensifier for increasing the pressure of the gas supplied from the outside and a pressure regulator for adjusting the pressure of the gas to the set pressure are connected in series, and the gas adjusted to a pressure higher than that supplied from the outside is discharged from the material. A pressure intensifier to be injected into the container;
An injection part for injecting into the cell discharger without increasing the pressure of the gas supplied from the outside;
A decompressor that reduces the pressure of the gas to a pressure lower than atmospheric pressure, and a suction unit that sucks the gas from the material discharger;
A modeling apparatus characterized by comprising:
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