JP2019535548A - バイオ３次元プリンター - Google Patents

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Abstract

本発明はバイオ３次元プリンターに関するものである。本発明によるバイオ３次元プリンターは、本発明の一実施例によると、内部に作業空間が設けられたケース；前記ケースの内部に設置され、上下左右にスライディング移動する出力板；前記ケースの内部に設置され、固体状態のバイオ材料を前記出力板に吐出する第１ノズル；前記ケースの内部に設置され、流体状態のバイオ材料を前記出力板に吐出する第２ノズル；および前記第１ノズルおよび前記第２ノズルの吐出を制御する制御部；を含み、前記第１ノズルと前記第２ノズルを使用して固体状態のバイオ材料と流体状態のバイオ材料を積層させて一つの構造物として出力する。【選択図】図１

Description

本発明はバイオ３次元プリンターに関するものであって、具体的には、固体状態のバイオ材料と液体状態のバイオ材料とを積層させて一つの構造物として出力できるバイオ３次元プリンターに関するものである。
最近組織工学と再生医学の研究分野およびオーダーメイド医療サービスに対する需要の増加につれて、バイオ材料を利用した３次元プリンターに対する研究が活発に進行されている。
３次元プリンターは、ｘｚｙ軸を構成するフレームと、バイオ材料の吐出のためのディスペンサ（ｄｉｓｐｅｎｓｅ）形態のノズルを含む。このような従来の３次元プリンターは、ノズルにコラーゲン、ゼラチンなどのような粘性のある流体形態のバイオ材料を入れる。流体形態のバイオ材料が満たされたノズルに空圧システムを連結してバイオ材料を押し出しながら吐出する方式を使用した。
しかし、前記のような吐出方式は、バイオ材料が流体形態ではない場合（例：パウダー、ペレット粒などの固体）、ノズルを高温に加熱してバイオ材料を流体形態に変換した後に吐出しなければならない。したがって、流体バイオ材料と固体バイオ材料を共に使用するためには、ノズルを加熱後に冷やす過程を繰り返さなければならないため、ノズルの過負荷による問題点が発生する可能性があった。
また、温度環境に敏感なバイオ材料の場合、吐出後に一定時間の間隔をおいて固まらなければならないが、温度環境が合わないため吐出後にすぐに固まってしまう問題点があった。
本発明は、流体形態のバイオ材料と固体状態のバイオ材料を共に使用して一つの構造物として出力できるバイオ３次元プリンターを提供するためのものである。
また、バイオ材料を吐出するノズルと構造物が積層される出力板の温度を調節できるバイオ３次元プリンターを提供するためのものである。
本発明の目的はこれに制限されず、言及されていないさらに他の目的は下記の記載から当業者に明確に理解されるはずである。
本発明はバイオ３次元プリンターを提供する。
本発明の一実施例によると、内部に作業空間が設けられたケース；前記ケースの内部に設置され、上下左右にスライディング移動する出力板；前記ケースの内部に設置され、固体状態のバイオ材料を前記出力板に吐出する第１ノズル；前記ケースの内部に設置され、流体状態のバイオ材料を前記出力板に吐出する第２ノズル；および前記第１ノズルおよび前記第２ノズルの吐出を制御する制御部；を含み、前記第１ノズルと前記第２ノズルを使用して固体状態のバイオ材料と流体状態のバイオ材料を積層させて一つの構造物として出力する。
一実施例によると、前記ケースに連結されて前記出力板および前記第２ノズルのうち少なくとも一つの温度を調節する温度調節部をさらに含み、前記制御部は前記温度調節部を制御する。
一実施例によると、前記制御部は、前記温度調節部を通じて前記出力板および前記第２ノズルの温度を独立的に制御可能に提供される。
一実施例によると、前記制御部は、前記第１ノズルおよび前記第２ノズルを独立的に制御可能に提供される。
一実施例によると、前記制御部は、流体状態の前記バイオ材料を段階的に吐出するように前記第２ノズルを制御し、前記段階的吐出は第２ノズルと連結されたステッピングモーターによって行われる。
一実施例によると、前記第２ノズルの外部を取り囲み、前記第２ノズルを断熱させる断熱カバーをさらに含む。
一実施例によると、前記温度調節部は、冷却水を保管する水槽；一面の温度が上昇するほど他面は温度が低くなるペルチェ部材；および前記出力板と前記第２ノズルの温度を上げるヒーティング部材；を含む。
一実施例によると、前記温度調節部は、前記冷却水を前記ペルチェ部材と接触させる移送部材；および前記冷却水を移送させるポンプ；をさらに含み、前記ペルチェ部材は、前記出力板と前記第２ノズルにそれぞれ付着されて前記出力板と前記第２ノズルの温度を下げる。
一実施例によると、前記ケースは、前記作業空間を開放または密閉させるドアが提供される。
一実施例によると、前記ケースの内部には、前記作業空間を浄化する浄化部材が備えられる。
本発明の一実施例によると、流体形態のバイオ材料と固体状態のバイオ材料を共に使用して一つの構造物として出力できる効果がある。
また、バイオ材料を吐出するノズルと構造物が積層される出力板の温度を調節して、外部は固体で内部は流体状態である構造物を製造できる効果がある。
本発明の効果は前述した効果に限定されるものではなく、言及されていない効果は本明細書および添付された図面から本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に明確に理解されるはずである。
本発明によるバイオ３次元プリンターを示した斜視図。 本発明によるバイオ３次元プリンターを示した正面図。 図１に図示された第１ノズルおよび第２ノズルを示した斜視図。 図１に図示されたステージユニットの移動構造を示した斜視図。 本発明の実施例による浄化部材および換気部材を示した斜視図。 本発明の実施例による温度調節部を示した図面。
以下、本発明の実施例を添付された図面を参照してさらに詳細に説明する。本発明の実施例は多様な形態に変形することができ、本発明の範囲は下記の実施例に限定されるものと解釈されてはならない。本実施例は当業界で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。したがって、図面での要素の形状はより明確な説明を強調するために誇張されたものである。
以下、図１〜図６を参照して本発明の一例を詳細に説明する。
図１は本発明によるバイオ３次元プリンター１００を示した斜視図であり、図２は本発明によるバイオ３次元プリンター１００を示した正面図である。図１および図２を参照すると、本発明によるバイオ３次元プリンター１００は、ケース１１０と、ステージユニット１２０と、第１ノズル１３０と、第２ノズル１４０と、制御部１５０と、そして温度調節部１６０を含む。
ケース１１０は内部に作業空間が設けられた円筒状に提供され得る。ケース１１０は作業空間を開放または密閉させるドア１１１が提供され得る。作業空間にはケース１１０の内部の温度が表示される温度計１１３が備えられ得る。
ステージユニット１２０は上下左右にスライディング可能に提供される。図４は、図１に図示されたステージユニット１２０の移動構造を示した斜視図である。図４を参照すると、ステージユニット１２０は、出力板１２１、結合部材１２２、前後ガイド部材１２３、そして左右ガイド部材１２４を具備する。結合部材１２２はケース１１０の下部に位置し、出力板１２１と結合固定される。前後ガイド部材１２３は、結合部材１２２と連結されて出力板１２１の前後スライディングが可能に提供される。左右ガイド部材１２４は前後ガイド部材１２３と連結されて出力板１２１の左右スライディングが可能に提供される。
第１ノズル１３０は固体状態のバイオ材料１を出力板１２１に吐出する。固体バイオ材料１は、フィラメント（断面が円形のワイヤー）タイプの高分子バイオ材料であり得る。第１ノズル１３０はケース１１０の内部の作業空間に設置される。
図３は、図１に図示された第１ノズル１３０および第２ノズル１４０を示した斜視図である。図３を参照すると、第１ノズル１３０は、流入口１３１と吐出口１３２を含む。流入口１３１は第１ノズル１３０の上部に備えられて固体バイオ材料１が投入される。吐出口１３２は流入口１３１を通じて投入された固体バイオ材料１を押出して吐出する。第１ノズル１３０の押出時の過負荷を防止するために、第１ノズル１３０の一側にはファン１３３が提供され得る。
図２に図示された通り、第１ノズル１３０を通じて吐出される固体バイオ材料１は、平常時は作業空間の一側に備えられた巻き取り部材１３４に巻き取られて保管され、使用時はガイド部材１３５を貫通して固体バイオ材料１が離脱しないようにした後、流入口１３１に投入される。
第１ノズル１３０はエクストルーダー（ｅｘｔｒｕｄｅｒ）ノズルとして提供され得る。一例として、エクストルーダーノズルの吐出口のサイズは０．２〜０．４ｍｍで提供され得る。第１ノズル１３０の押出方式は熱可塑性樹脂押出積層方式（Ｆｕｓｅｄ Ｆｉｌａｍｅｎｔ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ）が使用され得る。
第２ノズル１４０は流体状態のバイオ材料を出力板１２１に吐出する。第２ノズル１４０はディスペンサ（ｄｉｓｐｅｎｓｅ）ノズルとして提供され得る。
第２ノズル１４０はケース１１０の内部の作業空間に設置される。図３を参照すると、第２ノズル１４０は、ハウジング１４１、断熱カバー１４２、そしてステッピングモーター１４３を含む。ハウジング１４１には流体状態のバイオ材料が貯蔵される。ハウジング１４１は注射器の形態で提供され得る。
断熱カバー１４２はハウジング１４１の外部を取り囲み、温度変化に敏感な流体状態のバイオ材料を外部から断熱させる。
ステッピングモーター１４３は電気的信号制御によりハウジング１４１を上部から下部に押し出して流体状態のバイオ材料を吐出させる。ステッピングモーター１４３は分解能（最小限の電気的信号で移動する距離）で１．５ｍｉｃｒｏｎ移動可能である。したがって、流体状態のバイオ材料を１．５ｍｉｃｒｏｎ単位で段階的に吐出することができる。一例として、ディスペンサノズルの吐出口のサイズは０．０５〜０．８ｍｍで提供され得る。これに伴い、ハイドロゲルのようなゲル形態の流体バイオ材料を１．５ｍｉｃｒｏｎ単位で吐出することができる。
第２ノズル１４０の下部には光源モジュール１１６が設置され得る。光源モジュール１１６は、光硬化性流体状態のバイオ材料を硬化させるために紫外線波長を発生させることができる。一例として、第２ノズル１４０から光硬化性流体状態のバイオ材料が吐出されると、光源モジュール１１６を利用して流体状態のバイオ材料を吐出と同時に硬化させることができる。これに伴い、光源モジュール１１６は吐出された流体状態のバイオ材料が崩れないようにすることができる。
制御部１５０は第１ノズル１３０および第２ノズル１４０の吐出を制御する。一例として、第１ノズル１３０は固体バイオ材料１で構造物の外部を硬組織で吐出し、第２ノズル１４０は液体状態のバイオ材料で構造物の内部を満たす。したがって、構造物はコアシェル（ｃｏｒｅ−ｓｈｅｌｌ）構造で積層が可能である。すなわち、固体と液体状態のバイオ材料を共に使用して一つの構造物として混合積層が可能である。制御部１５０は後述する温度調節部１６０を制御する。
図５は、本発明の実施例による浄化部材１１２および換気部材１１５を示した斜視図である。図５を参照すると、ケース１１０の作業空間の上部には少なくとも一つ以上の殺菌用浄化部材１１２が設置され得る。また、ケース１１０の作業空間の上部には、作業空間の内部空気を循環させる換気部材１１５が設置され得る。浄化部材１１２は殺菌用ＵＶランプで提供され得る。浄化部材１１２は作業空間の上部に多数個設置され得る。浄化部材１１２は作業空間の有害な微生物などを殺菌する。換気部材１１５は作業空間に流入する空気の清浄化を維持し、作業空間から外部に有害な微生物が放出されないように提供される。換気部材１１５はＨＥＰＡフィルター（Ｈｅｐａ Ｆｉｌｔｅｒ）で提供され得る。
図６は、本発明の実施例による温度調節部１６０を示した図面である。図６を参照すると、温度調節部１６０は、温度調節部ケース１６１と、水槽１６２と、ペルチェ部材１６３と、ヒーティング部材１６４と、そして熱伝導板１６７を含む。温度調節部１６０はケース１１０に連結されて、出力板１２１および第２ノズル１４０のうち少なくとも一つ以上の温度を調節する。このような温度調節部１６０は制御部１５０を通じて制御される。
温度調節部ケース１６１は内部空間を提供する。温度調節部ケース１６１は金属材質で形成され得る。一例として、アルミニウムで形成され得る。
水槽１６２は冷却水を保管することができる。水槽１６２は温度調節部ケース１６１の内部に提供される。
ペルチェ部材１６３は出力板１２１と第２ノズル１４０の温度を下げることができる。一例として、制御部１５０を利用して出力板１２１と第２ノズル１４０の温度を−１０度まで下げることができる。ペルチェ部材１６３は、電源供給装置（ＳＭＰＳ）から電源の供給を受けて一面の温度が上昇すると、他面の温度は低くなる。ペルチェ部材１６３は出力板１２１と第２ノズル１４０の一側にそれぞれ付着される。出力板１２１と第２ノズル１４０と接触するそれぞれのペルチェ部材１６３の断面は多面である。
ヒーティング部材１６４は出力板１２１の一側に付着される。また、ヒーティング部材１６４は第２ノズル１４０の一側に付着される。このように、ヒーティング部材１６４は一対で提供され得る。ヒーティング部材１６４は電源供給装置（ＳＭＰＳ）から電源の供給を受けて出力板１２１と第２ノズル１４０の温度を上げることができる。一例として、制御部１５０を利用して出力板１２１と第２ノズル１４０の温度を８０度まで上げることができる。
熱伝導板１６７はペルチェ部材１６３およびヒーティング部材１６４にそれぞれ付着される。それぞれの熱伝導板１６７は、ペルチェ部材１６３およびヒーティング部材１６４から発生する熱エネルギーを出力板１２１および第２ノズル１４０に伝達する。それぞれの熱伝導板１６７は熱伝達率を高めるために、出力板１２１および第２ノズル１４０に接触する面積が広いことが好ましい。
温度調節部１６０は移送部材１６５とポンプ１６６およびラジエーターを含む。
移送部材１６５は冷却水をペルチェ部材１６３およびヒーティング部材１６４に移送させることができる。この時、ポンプ１６６およびラジエーターは移送される冷却水の速度を調節することができる。
第２ノズル１４０とペルチェ部材１６３の間には熱伝導固定部材１２４が備えられ得る。熱伝導固定部材１２４は第２ノズル１４０をケース１１０の一側に固定させることができる。熱伝導固定部材１２４は温度調節部１６０から伝達される熱エネルギーを第２ノズル１４０に伝達することができる。
以下では、前述したバイオ３次元プリンター１００を利用して流体状態のバイオ材料を３次元構造物として積層する方法を説明する。
常温で流体状態を維持し、設定温度範囲でのみ硬化するバイオ材料「Ａ」がある。「Ａ」を利用して３次元構造物を積層するために、温度調節部１６０を利用して「Ａ」が注入される第２ノズル１４０の温度を常温に維持する。温度調節部１６０を利用して出力板１２１の温度を前記特定の温度に維持する。第２ノズル１４０に注入されたバイオ材料「Ａ」を設定温度範囲の出力板１２１に吐出する。流体状態のバイオ材料「Ａ」は吐出されながら出力板１２１上で硬化するため、３次元構造物の積層が可能である。このように設定温度範囲で硬化または流体化するバイオ材料を３次元構造物として積層することができる。
このように、温度調節が可能な出力板１２１および第２ノズル１４０を使用することによって、設定温度範囲で硬化または流体化する多様なバイオ材料を３次元構造物の材料として使用することができる。
使用者の便宜性のために、第２ノズル１４０および出力板１２１の温度を調節する機能は、ケース１１０の上部に備えられたタッチスクリーン１１４を通じて温度を設定することもできる。また、Ａｎｄｒｏｉｄ基盤のモバイル端末機と連結されて遠隔コントロールも可能である。
以上の詳細な説明は本発明を例示するものである。また、前述した内容は本発明の好ましい実施形態を示して説明するものであって、本発明は多様な他の組み合わせ、変更および環境で使用することができる。すなわち、本明細書に開示された発明の概念の範囲、前述した開示内容と均等な範囲および／または当業界の技術または知識の範囲内で変更または修正が可能である。前述した実施例は本発明の技術的思想を具現するための最善の状態を説明するものであり、本発明の具体的な適用分野および用途で要求される多様な変更も可能である。したがって、以上の発明の詳細な説明は、開示された実施状態に本発明を制限しようとする意図ではない。また、添付された特許請求の範囲は他の実施状態も含むものと解釈されるべきである。
１：固体バイオ材料
１００：バイオ３次元プリンター
１１０：ケース
１１１：ドア
１１２：浄化部材
１１３：温度計
１１４：タッチスクリーン
１１５：換気部材
１１６：光源モジュール
１２０：ステージユニット
１２１：出力板
１２２：結合部材
１２３：前後ガイド部材
１２４：左右ガイド部材
１２５：熱伝導固定部材
１３０：第１ノズル
１３１：流入口
１３２：吐出口
１３３：ファン
１３４：巻き取り部材
１３５：ガイド部材
１４０：第２ノズル
１４１：ハウジング
１４２：断熱カバー
１４３：ステッピングモーター
１５０：制御部
１６０：温度調節部
１６１：温度調節部ケース
１６２：水槽
１６３：ペルチェ部材
１６４：ヒーティング部材
１６５：移送部材
１６６：ポンプ
１６７：熱伝導板

Claims (10)

  1. 内部に作業空間が設けられたケース；
    前記ケースの内部に設置され、上下左右にスライディング移動する出力板が備えられるステージユニット；
    前記ケースの内部に設置され、固体状態のバイオ材料を前記出力板に吐出する第１ノズル；
    前記ケースの内部に設置され、流体状態のバイオ材料を前記出力板に吐出する第２ノズル；および
    前記第１ノズルおよび前記第２ノズルの吐出を制御する制御部；を含み、
    前記第１ノズルと前記第２ノズルを使用して固体状態のバイオ材料と流体状態のバイオ材料を積層させて一つの構造物として出力する、バイオ３次元プリンター。
  2. 前記ケースに連結されて前記出力板および前記第２ノズルのうち少なくとも一つの温度を調節する温度調節部をさらに含み、
    前記制御部は前記温度調節部を制御する、請求項１に記載のバイオ３次元プリンター。
  3. 前記制御部は、
    前記温度調節部を通じて前記出力板および前記第２ノズルの温度を独立的に制御可能に提供される、請求項２に記載のバイオ３次元プリンター。
  4. 前記制御部は、
    前記第１ノズルおよび前記第２ノズルを独立的に制御可能に提供される、請求項２に記載のバイオ３次元プリンター。
  5. 前記制御部は、
    流体状態の前記バイオ材料を段階的に吐出するように前記第２ノズルを制御し、
    前記段階的吐出は第２ノズルと連結されたステッピングモーターによって行われる、請求項３または請求項４に記載のバイオ３次元プリンター。
  6. 前記第２ノズルの外部を取り囲み、前記第２ノズルを断熱させる断熱カバーをさらに含む、請求項５に記載のバイオ３次元プリンター。
  7. 前記温度調節部は、
    冷却水を保管する水槽；一面の温度が上昇するほど他面は温度が低くなるペルチェ部材；および
    前記出力板と前記第２ノズルの温度を上げるヒーティング部材；を含む、請求項６に記載のバイオ３次元プリンター。
  8. 前記温度調節部は、
    前記冷却水を前記ペルチェ部材と接触させる移送部材；および
    前記冷却水を移送させるポンプ；をさらに含み、
    前記ペルチェ部材は、
    前記出力板と前記第２ノズルにそれぞれ付着されて前記出力板と前記第２ノズルの温度を下げる、請求項７に記載のバイオ３次元プリンター。
  9. 前記ケースは、
    前記作業空間を開放または密閉させるドアを提供する、請求項１に記載のバイオ３次元プリンター。
  10. 前記ケースの内部には、
    前記作業空間を浄化する浄化部材が備えられる、請求項１に記載のバイオ３次元プリンター。
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