JP2016530874A - 三次元構造体の付加製造システム及びその方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2013年6月13日に出願された米国特許出願第61/834,420号のパリ条約に基づく優先権主張出願であり、この米国特許出願を参照により引用し、その記載内容全体を本明細書の一部とする。
1.スー・ジュン・シン(Su-Jung Shin)、ジ・ヨン・パーク(Ji-Young Park)、ジン・ヨン・リー(Jin-Young Lee)、ホー・パーク(Ho Park )、ヨン・ドゥ・パーク(Yong-Doo Park)、キュー・バック・リー(Kyu-Back Lee)、チャン・モー・ホワン(Chang-Mo Whang)、及びサン・フーン・リー(Sang-Hoon Lee)、「『オン・ザ・フライ』コンティニュアス・ジェネレーション・オブ・アルギネイト・ファイバーズ・ユージング・ア・マイクロフルイディック・デバイス(”On the fly” continuous generation of alginate fibers using a microfluidic device)」、ラングミューア(Langmuir)、2007年、第23巻、p.9104〜9108
2.サイフ・カーライル(Saif Khalil)、及びウェイ・サン(Wei Sun)、「バイオプリンティング・エンドシーリアル・セルズ・ウィズ・アルギネイト・フォア・3D・ティシュー・コンストラクツ(Bioprinting endothelial cells with alginate for 3D tissue constructs)」、ジャーナル・オブ・バイオメカニカル・エンジニアリング(Journal of Biomechanical Engineering)、2009年、第131号、p.111002‐1〜111002‐8
3.ミン・フー(Min Hu)、レンシェング・デング(Rensheng Deng)、カール・エム・シューマッハ(Karl M. Schumacher)、モトイチ・クリサワ(Motoichi Kurisawa)、ホンイェ・イー(Hongye Ye)、クリスティ・プアナマワティ(Kristy Purnamawati)、及びジャッキー・ワイ・イン(Jackie Y. Ying)、「ハイドロダイナミック・スピニング・オブ・ハイドロジェル・ファイバーズ(Hydrodyanamic spinning of hydrgel fibers)」、バイオマテリアルズ(Biomaterials)、2010年、第31巻、p.863〜869
4.ビュング・キム(Byung Kim)、インタエ・キム(Intae Kim)、ウーセオク・チョイ(Wooseok Choi)、スン・ウォン・キム(Sun Won Kim)、ジューサン・キム(Joosung Kim )、及びゲウンバエ・リム(Geunbae Lim)、「ファブリケーション・オブ・セル-エンキャプスレイテッド・アルギネイト・マイクロファイバー・スキャフォールド・ユージング・マイクロフルイディック・チャネル(Fabrication of cell-encapsulated alginate microfiber scaffold using microfluidic chanel)」、ジャーナル・オブ・マニュファクチャリング・サイエンス・アンド・エンジニアリング(Journal of Manufacturing Science and Engineering)、2008年、第130号、p.021016-1〜021016-6
5.エドワード・カン(Edward Kang)、スー・ジュン・シン(Su-Jung Shin)、クワン・ホー・リー(Kwang Ho Lee)、及びサン・ホーン・リー(Sang-Hoon Lee)、「ノーベル・PDMS・シリンドリカル・チャネルズ・ザット・ジェネレイト・コアクシアルフロー・アンド・アプリケーション・トゥ・ファブリケーション・オブ・マイクロファイバーズ・アンド・パーティクルズ(Novel PDMS cylindrical channels that generate coaxial flow, and application to fabrication of macrofibers and particles)」、ラボ・オン・ア・チップ(Lab on a Chip )、2010年、第10号、p.1856〜1861
6.ヒロアキ・オノエ(Hiroaki Onoe)、リホ・ゴジョウ(Riho Gojo)、ユキコ・ツダ(Yukiko Tsuda)、ダイスケ・キリヤアンド(Daisuke Kiriyaand)、及びショウジ・タケウチ(Shoji Takeuchi)、「コア-シェル・ゲル・ワイヤーズ・フォア・ザ・コンストラクション・オブ・ラージ・エリア・ヘテロジェネオス・ストラクチャーズ・ウィズ・バイオマテリアルズ(Core-shell gel wires for the construction of large area heterogeneous structures with biomaterials)」、IEEE MEMS コンファレンス(IEEE MEMS Conference)、2010年、p.248〜251
7.セタレー・ゴーバニアン(Setareh Ghorbanian)、「マイクロフルイディック・プローブ・フォア・ダイレクト・ライト・オブ・ソフト・セル・スキャフォールズ(Microfluidic probe for direct write of soft cell scaffolds)」、マギル大学工学修士論文(M. Eng. Thesis. McGill University )、カナダ、2010年
8.エドワード・カン(Edward Kang)、ジ・セオク・ジョン(Gi Seok Jeong)、ヨーン・ヨン・チョイ(Yoon Young Choi)、クワン・ホー・リー(Kwang Ho Lee)、アリ・クハデムホッセイニ(Ali Khademhosseini)、及びサン・ホーン・リー(Sang-Hoon Lee)、「ディジタリー・チューナブル・フィジコケミカル・コーディング・オブ・マテリアル・コンポジション・アンド・トポグラフィ・イン・コンティニュアス・マイクロファイバーズ(Digitally tunable physicochemical coding of material composition and topography in continuous microfibers)」、ネイチャー・マテリアルズ(Nature Materials)、2011年、第10号、p.877〜883
9.欧州特許出願公開第2489779(A1)号明細書
10.米国特許出願公開第2006/0105011(A1)号明細書
11.米国特許出願公開第2011/0136162(A1)号明細書
12.米国特許出願公開第2012/0089238(A1)号明細書
13.国際公開第2012/009363(A1)号パンフレット
Claims (35)
- 三次元構造体の付加製造のためのシステムであって、前記システムは、
‐材料を受け取って小出しする少なくとも1つの印刷ヘッドを含み、前記材料は、シース流体及びヒドロゲルを含み、前記印刷ヘッドは、
‐前記材料を小出しするオリフィスを有し、
‐前記シース流体を受け入れて方向付ける1本又は2本以上の第1のチャネル及び前記ヒドロゲルを受け入れて方向付ける1本又は2本以上の各々の第2のチャネルを含むマイクロフルイディックチャネルを有し、前記第2のチャネルは、前記第1のチャネルとの第1の交点のところで互いに交差し、前記第2のチャネルと前記第1のチャネルは、前記オリフィスまで延びる小出しチャネルを形成するよう前記第1の交点のところで互いに繋がり、
‐各々が前記印刷ヘッド内の前記マイクロフルイディックチャネルの1つと対応すると共に作動時に前記印刷ヘッドの前記マイクロフルイディックチャネル内の流体の流れを許可し又は許可しないよう構成されたフルイディックスイッチを有し、
‐前記オリフィスから小出しされた前記材料の第1の層を受け取る受け取り面を含み、
‐前記印刷ヘッドの前記オリフィスを前記三次元空間内に位置決めする位置決めユニットを含み、前記位置決めユニットは、前記印刷ヘッドに作動的に結合され、
‐前記印刷ヘッドの前記オリフィスから前記材料を小出しする小出し手段を含む、システム。 - 前記位置決めユニットを制御すると共に前記受け取り面上への前記印刷ヘッドからの前記材料の小出しを制御するプログラム可能制御プロセッサを更に含む、請求項1記載のシステム。
- 前記1本又は2本以上の第1のチャネルは、少なくとも2本のチャネルを含み、前記1本又は2本以上の第1のチャネルは、前記第1の交点のところでそれぞれ第2のチャネルに横付けになるよう構成されている、請求項1又は2記載のシステム。
- 前記シース流体は、前記ヒドロゲルを、前記交点のところで且つ/或いは前記小出しチャネル内で、前記シース流体との接触時に凝固させる架橋剤を含む、請求項1〜3のうちいずれか一に記載のシステム。
- 各第2のチャネルは、前記第1のチャネル及び前記小出しチャネルの直径よりも小さな直径を有し、前記第1のチャネルからの流れが前記小出しチャネル内で前記ヒドロゲル周りに同軸シースを形成する、請求項1〜4のうちいずれか一に記載のシステム。
- 前記ヒドロゲルは、生細胞を含む、請求項1〜5のうちいずれか一に記載のシステム。
- 前記印刷ヘッドから小出しされた過剰のシース流体を除去する流体除去特徴を更に含む、請求項1〜5のうちいずれか一に記載のシステム。
- 前記受け取り面は、前記過剰のシース流体を流通させることができるよう寸法決めされた細孔を有する多孔質メンブレンを含む、請求項7記載のシステム。
- 前記流体除去特徴は、前記過剰のシース流体を前記受け取り面から吸い取る吸収材料又は真空を含む、請求項8記載のシステム。
- 前記吸収材料又は真空は、多孔質メンブレンの下方に適用される、請求項9記載のシステム。
- 前記真空は、前記受け取り面の上方に適用される、請求項9記載のシステム。
- 前記真空は、前記印刷ヘッドに設けられた1本又は2本以上の真空チャネルを通って適用され、前記1本又は2本以上の真空チャネルは、前記印刷ヘッドの前記オリフィスの近くに配置されたオリフィスを有する、請求項11記載のシステム。
- 前記材料を収容するリザーバを更に含み、前記リザーバは、前記印刷ヘッド内の前記マイクロフルイディックチャネルにそれぞれ流体結合されている、請求項1〜12のうちいずれか一に記載のシステム。
- 前記印刷ヘッドは、前記材料を前記リザーバから受け入れる少なくとも2つの入口を更に有し、前記入口の各々は、それぞれのマイクロフルイディックチャネル及びそれぞれのリザーバと流体連通状態にある、請求項13記載のシステム。
- 前記小出し手段は、圧力制御ユニットを含む、請求項1〜14のうちいずれか一に記載のシステム。
- 前記フルイディックスイッチは、弁を含む、請求項1〜15のうちいずれか一に記載のシステム。
- 前記印刷ヘッドは、前記オリフィスから前記受け取り面に向かって延びるよう構成された中空突出部を更に有する、請求項1〜16のうちいずれか一に記載のシステム。
- 前記印刷ヘッドは、2本の第2のチャネルを有し、前記第2のチャネルの各々は、それぞれヒドロゲルを運搬するようになっており、前記2本の第2のチャネルは、第2の交点のところで互いに交差すると共に前記第2の交点のところで互いに繋がり、それにより前記第1の交点まで延びる第3のチャネルが形成されている、請求項1〜17のうちいずれか一に記載のシステム。
- 三次元構造体の付加製造のためのシステムであって、前記システムは、
‐材料を受け取って小出しする少なくとも1つの印刷ヘッドを含み、前記材料は、シース流体及びヒドロゲルを含み、前記印刷ヘッドは、
‐前記材料を小出しするオリフィスを有し、
‐前記材料を受け入れて前記オリフィスに方向付けるマイクロフルイディックチャネルを有し、
‐各々が前記印刷ヘッド内の前記マイクロフルイディックチャネルの1つとそれぞれ対応すると共に作動時に前記印刷ヘッドの前記マイクロフルイディックチャネル内の流体の流れを許可し又は許可しないよう構成されたフルイディックスイッチを有し、
‐前記オリフィスから小出しされた前記材料を受け取る受け取り面を含み、
‐前記オリフィスから小出しされた過剰のシース流体を除去する流体除去特徴を含み、
‐前記印刷ヘッドの前記オリフィスを前記三次元空間内に位置決めする位置決めユニットを含み、前記位置決めユニットは、前記印刷ヘッドに作動的に結合され、
‐前記印刷ヘッドの前記オリフィスから前記材料を小出しする小出し手段を含む、システム。 - 前記流体除去特徴は、前記過剰のシース流体を、前記受け取り面から又は前記受け取り面を通って且つ/或いは前記受け取り面上に小出しされた前記ヒドロゲルから吸い取る真空を含む、請求項19記載のシステム。
- 前記受け取り面は、前記過剰のシース流体を流通させることができるよう寸法決めされた細孔を有する多孔質メンブレンを含む、請求項20記載のシステム。
- 前記真空は、前記多孔質メンブレンの下方に適用される、請求項21記載のシステム。
- 前記真空は、前記受け取り面の上方に適用される、請求項20記載のシステム。
- 前記真空は、前記印刷ヘッドに設けられた1本又は2本以上の真空チャネルを通って適用され、前記1本又は2本以上の真空チャネルは、前記印刷ヘッドの前記オリフィスの近くに配置されたオリフィスを有する、請求項23記載のシステム。
- 前記流体除去特徴は、前記過剰のシース流体を前記受け取り面から吸い取る吸収材料を含む、請求項19記載のシステム。
- 前記位置決めユニットを制御すると共に前記受け取り面上への前記印刷ヘッドからの前記材料の小出しを制御する、プログラム可能制御プロセッサを更に含む、請求項21〜25のうちいずれか一に記載のシステム。
- 前記印刷ヘッドは、前記オリフィスから前記受け取り面に向かって延びるよう構成された中空突出部を更に有する、請求項21〜26のうちいずれか一に記載のシステム。
- 前記印刷ヘッドは、前記シース流体を受け入れて方向付ける1本又は2本以上の第1のチャネル及び前記ヒドロゲルを受け入れて方向付ける1本又は2本以上の各々の第2のチャネルを有し、前記第2のチャネルは、前記第1のチャネルとの第1の交点のところで互いに交差し、前記第2のチャネルと前記第1のチャネルは、前記オリフィスまで延びる小出しチャネルを形成するよう前記第1の交点のところで互いに繋がっている、請求項21〜27のうちいずれか一に記載のシステム。
- 前記印刷ヘッドは、2本の第2のチャネルを有し、前記第2のチャネルの各々は、それぞれヒドロゲルを運搬するようになっており、前記2本の第2のチャネルは、第2の交点のところで互いに交差すると共に前記第2の交点のところで互いに繋がり、それにより前記第1の交点まで延びる第3のチャネルが形成されている、請求項28記載のシステム。
- 三次元(3D)構造体を印刷する方法であって、前記方法は、
‐3Dプリンタを用意するステップを含み、前記プリンタは、
‐材料を小出しするオリフィスを有する少なくとも1つの印刷ヘッドと、
‐前記印刷ヘッドの前記オリフィスから小出しされた前記材料の第1の層を受け取る受け取り面と、
‐前記印刷ヘッドに作動的に結合されていて、前記印刷ヘッドを三次元空間中に位置決めする位置決めユニットとを有し、
‐小出しされるべき材料を用意するステップを含み、前記小出しされるべき材料は、シース流体及び1種類又は2種類以上のヒドロゲルを含み、
‐前記プリンタを印刷されるべき3D構造体でエンコードするステップを含み、
‐小出しされるべき前記材料を前記印刷ヘッドオリフィスから小出しするステップを含み、
‐前記小出しされた材料の第1の層を前記受け取り面上に被着させるステップを含み、
‐次に小出しされた材料を前記第1の層上に及び任意の次の小出し材料の層上に被着させることによって前記被着ステップを繰り返し、それにより層を小出し材料の層上に前記3D構造体に従って幾何学的配置状態で被着させるステップを含み、
‐前記印刷ヘッドオリフィスから小出しされた過剰のシース流体を被着ステップ中又は被着ステップ相互間における1つ又は2つ以上の時点で除去するステップを含む、方法。 - 前記シース流体は、前記ヒドロゲルを前記シース流体との接触時に架橋すると共に凝固させるのに適した架橋剤を含み、前記接触により、ヒドロゲル繊維が作製される、請求項30記載の方法。
- 前記シース流体及び前記ヒドロゲルは、同軸配置状態で小出しされ、前記シース流体は、前記ヒドロゲルを包囲している、請求項31記載の方法。
- 前記被着ステップ及び前記除去ステップは、連続的に実施され、それにより、前記小出し材料の層が被着されると、前記過剰のシース流体を連続的に除去する、請求項30〜32のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記除去ステップは、前記被着ステップ相互間で間欠的に且つ/或いは前記被着ステップと同時に実施され、それにより、前記小出し材料層が被着されている時に前記過剰のシース流体を間欠的に除去する、請求項30〜32のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記1種類又は2種類以上のヒドロゲルは、該ヒドロゲル中に分散された生細胞の成長及び/又は増殖を支援するようになっている、請求項30〜34のうちいずれか一に記載の方法。
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