JP2020146026A - サスペンション維持方法、サスペンション維持装置、及びこれを備えるバイオ３ｄプリンター - Google Patents

サスペンション維持方法、サスペンション維持装置、及びこれを備えるバイオ３ｄプリンター Download PDF

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Abstract

【課題】シリンジに結合されて生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持装置を提供する。【解決手段】サスペンション維持装置は、シリンジに着脱可能に結合されるボディー部と、前記ボディー部の内部に前記シリンジの長手方向に形成された通気孔と、前記ボディー部の下方に延長形成され、下方に行くにつれて外径が減少するテーパー形状を有するピペット固定部と、前記ピペット固定部の内部に形成され、前記通気孔と接続して前記シリンジの内部に連通する空気吐出孔と、前記ボディー部から前記シリンジの長手方向に垂直な方向に突出して形成され、前記シリンジの上部フランジを覆う形態で前記シリンジに固定されるシリンジ固定アーム部と、前記ピペット固定部に結合し、下方に行くにつれて内径が減少する中空のテーパー形状を有し、前記シリンジの排出口に下段部が位置するピペットを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、サスペンション維持方法、サスペンション維持装置、及びこれを備えるバイオ３Ｄプリンターに関する。
３ＤプリンターはＸＹＺ軸を構成するフレームと立体的な形を平面的な形で積層可能な液状または粉状の素材を噴射するノズルで構成される。３Ｄプリンターは方式によって、例えば、カルテシアン（Ｃａｒｔｅｓｉａｎ）方式、メンデル（Ｍｅｎｄｅｌ）方式、デルタ（Ｄｅｌｔａ）方式、コアーＸＹ（Ｃｏｒｅ ＸＹ）方式などがある。
カルテシアン方式は、ベッドがＸ、Ｙ軸に移動し、ノズルがＺ軸に移動して３Ｄプリンティングを実現する方式である。メンデル方式は、ベッドがＺ軸に移動し、ノズルがＸ、Ｙ軸に移動して３Ｄプリンティングを実現する方式である。デルタ方式は、ノズルがＸ、Ｙ、Ｚ軸に移動して３Ｄプリンティングを実現する方式である。コアーＸＹ方式は、ノズルが二つのモーターで結合されたベルトによってＸ、Ｙ軸に移動し、ベッドはＺ軸に移動する方式である。最近は、ノズルの位置を最も精密に制御可能なコアーＸＹ方式が広く用いられている。
バイオ３Ｄプリンターは、３Ｄプリンターのノズルを介してバイオ物質を吐出し、生体組織や臓器を立体的に作成できるように構造的に変形された装置である。
このようなバイオ３Ｄプリンターは、バイオ物質を吐出するためのディスペンサー（Ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ）形態のノズルを含む。バイオ３Ｄプリンターは、ノズルにコラーゲンやゼラチンなどのような粘性のある流体状のバイオ物質を詰める。流体状のバイオ物質が詰められたノズルに空圧システムを接続し、バイオ物質を押しながら吐出する。
このようなバイオ３Ｄプリンターの一例が特許文献１に記載されている。
バイオ３Ｄプリンターで細胞のような生体物質を吐出するために、培養液と細胞が均一に混合した懸濁液（サスペンション）を製造する。製造された生体物質の懸濁液はシリンジに収容され、シリンジから供給される生体物質が噴射ノズルによって狙いの形状で基板上に出力される。
韓国登録特許公報第１８２８３４５号
シリンジに収容された生体物質は細胞と培養液が均一に混合した状態を維持する必要があるが、時間が経つにつれて細胞が重力によって培養液の下部に沈んでしまう。このように沈んだ細胞は互いに凝集され、シリンジの底や内壁に付着し、シリンジから抜けられなくなるかまたはかたまりとして吐出され、ノズルが詰まる問題がある。
このような問題が発生することを防止するためには、シリンジを持続的に振るかまたはシリンジ内部に収容された生体物質を繰り返してピペッティング（Ｐｉｐｅｔｔｉｎｇ）する必要がある。従来のバイオ３Ｄプリンターは、このような問題点を解決できていない。そのため、従来のバイオ３Ｄプリンターには、生体物質がシリンジの底に沈みにくいほど粘度の高い培養液のみを使用せざるを得ないという限界がある。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持方法を提供することを一つの目的とする。
さらに、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液（サスペンション）状態を持続的に維持できるように、シリンジに結合されて生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持装置を提供することをもう一つの目的とする。
さらに、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持システムを提供することをもう一つの目的とする。
さらに、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持機能を有するバイオ３Ｄプリンターを提供することをもう一つの目的とする。
本発明の解決課題は以上で言及されたものに限定されず、言及されていない他の解決課題は下記の記載から当該技術分野における通常の知識を有した者に明確に理解できるであろう。
本発明の少なくとも一つの実施例においては、シリンジに着脱可能に結合されるボディー部と、前記ボディー部の内部に前記シリンジの長手方向に形成された通気孔と、前記ボディー部の下方に延長して形成され、下方に行くにつれて外径が減少するテーパー形状を有するピペット固定部と、前記ピペット固定部の内部に形成され、前記通気孔と接続して前記シリンジの内部に連通する空気吐出孔と、前記ボディー部から前記シリンジの長手方向に垂直な方向に突出して形成され、前記シリンジの上部フレンジーを覆う形態で前記シリンジに固定されるシリンジ固定アーム部と、前記ピペット固定部に結合し、下方に行くにつれて内径が減少する中空のテーパー形状を有し、前記シリンジの排出口に下段部が位置するピペットとを備える、サスペンション維持装置を提供する。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記サスペンション維持装置は、前記ボディー部の側面に凹んだ形で形成され、前記シリンジの円周方向に延長するリング結合溝と、前記リング結合溝に結合する環状の密封リングとをさらに備え、前記密封リングの外周面は前記シリンジの内周面に弾性加圧された状態で密着する。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記空気吐出孔は前記シリンジの長手方向に垂直な方向に延長して形成され、前記空気吐出孔から吐出される空気が前記シリンジの内側壁に向けて噴出するように構成される。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記シリンジ固定アーム部は、前記ボディー部から前記シリンジの長手方向に垂直な方向に対称に突出して形成され、前記シリンジの前記上部フレンジーの上面に接触する支持アームと、前記シリンジの前記上部フレンジーの下面に接触し、前記支持アームに着脱可能に結合するアームカバーとを含む。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記アームカバーは前記シリンジの前記上部フレンジーに掛かって前記シリンジ固定アーム部が前記シリンジから分離されることを防止する離脱防止ストッパーを含む。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記ピペットは上段部が前記ピペット固定部に結合され、前記ピペット固定部によって密閉されることで、前記ピペットの上部を介して前記ピペットの内部に空気が注入されるように構成される。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記サスペンション維持装置は、前記通気孔の上部に空気圧供給用ホースが結合するように構成されたホース結合部材をさらに備える。
本発明の少なくとも一つの実施例においては、前記サスペンション維持装置を備える、シリンジを提供する。
本発明の少なくとも一つの実施例においては、前記サスペンション維持装置が装着され、排出口が生体物質を噴射するノズルに接続されるシリンジと、前記サスペンション維持装置に予め設定された空気圧を供給するための空気圧供給装置とを備える、バイオ３Ｄプリンターを提供する。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記空気圧供給装置は、高圧の空気を供給するためのエアーコンプレッサーと、一方が前記サスペンション維持装置に接続され、他方が前記エアーコンプレッサーに接続され、前記エアーコンプレッサーから供給された高圧の空気を予め設定された空気圧に変換して前記サスペンション維持装置に供給するための電空レギュレータとを含む。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記空気圧供給装置は精密ポンプを含む。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記バイオ３Ｄプリンターは、前記電空レギュレータと前記エアーコンプレッサーとの間に設けられ、前記エアーコンプレッサーから供給される高圧の空気の中に含まれた水蒸気を除去するためのエアードライヤーをさらに備える。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記バイオ３Ｄプリンターは、前記シリンジ内部に収容された前記生体物質が前記シリンジの下方に排出されない間に前記サスペンション維持装置に予め設定された最小圧力と最大圧力で空気圧が周期的に加えられるように前記電空レギュレータを制御する制御部をさらに備える。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記バイオ３Ｄプリンターは、前記シリンジ内部に収容された前記生体物質が前記シリンジの下方に排出されない間に前記サスペンション維持装置に予め設定された最小圧力と最大圧力で空気圧が周期的に加えられるように前記精密ポンプを制御する制御部をさらに備える。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記最小圧力は大気圧またはそれ以上の圧力で、前記最大圧力は大気圧より所定の圧力だけ高く、前記最小圧力より高い。
本発明の少なくとも一つの実施例においては、シリンジに着脱可能に結合するボディー部、前記ボディー部内部に前記シリンジの長手方向に形成された通気孔、前記ボディー部の下方に延長して形成され、下方に行くにつれて外径が減少するテーパー形状を有するピペット固定部と、前記ピペット固定部内部に形成され、前記通気孔と接続し、前記シリンジの内部に連通する空気吐出孔と、前記ボディー部から前記シリンジの長手方向に垂直な方向に突出して形成され、前記シリンジの上部フレンジーを覆う形態で前記シリンジに固定されるシリンジ固定アーム部と、前記ピペット固定部に結合され、下方に行くにつれて内径が減少する中空のテーパー形状を有し、前記シリンジの排出口に下段部が位置するピペットを含むサスペンション維持装置と、前記サスペンション維持装置が装着され、排出口が生体物質を噴射するノズルに接続されるシリンジと、高圧の空気を供給するためのエアーコンプレッサーと、一方が前記サスペンション維持装置に接続され、他方が前記エアーコンプレッサーに接続され、前記エアーコンプレッサーから供給された高圧の空気を予め設定された空気圧に変換して前記サスペンション維持装置に供給するための電空レギュレータを備えるバイオ３Ｄプリンターで、前記電空レギュレータを制御して前記シリンジ内部に収容された生体物質のサスペンション状態を維持する方法であって、前記生体物質を収容するシリンジに結合された前記サスペンション維持装置に予め設定された最小圧力を加える工程と、前記サスペンション維持装置に前記最小圧力より高い最大圧力まで漸進的に空気圧を増加させる工程と、前記最大圧力から前記最小圧力まで漸進的に前記空気圧を減少させる工程と、前記空気圧を増加させる工程と前記空気圧を減少させる工程を所定の周期で繰り返す工程を備える、シリンジ内生体物質のサスペンション維持方法を提供する。前記最小圧力は大気圧またはそれ以上の圧力で、前記最大圧力は大気圧より所定の圧力だけ高く、前記最小圧力より高くてもよい。
本明細書でそれぞれの実施例は互いに独立的に記載されているが、それぞれの実施例は相互組合せが可能であり、組合せによる実施例も本発明の権利範囲に含まれる。
上述した要約は単に説明のためのものであり、如何なる形でも限定を意図するものではない。上述した説明様態、実施例、及び特徴に加え、追加の様態、実施例、及び特徴が図面及び詳細な説明を参照することで明確になるはずである。
本発明の少なくとも一つの実施例によれば、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持方法を提供できるという効果を奏する。
本発明の少なくとも一つの実施例によれば、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液（サスペンション）状態を持続的に維持できるように、シリンジに結合されて生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持装置を提供できるという効果を奏する。
シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持システムを提供できるという効果を奏する。
さらに、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持機能を有するバイオ３Ｄプリンターを提供できるという効果を奏する。
本発明の効果は以上で言及されたものなどに限定されず、言及されていない他の効果は下記の記載から当該技術分野における通常の知識を有した者に明確に理解できるはずである。
本発明の少なくとも一つの実施例に係るバイオ３Ｄプリンター用生体物質のセルサスペンション維持装置の斜視図である。 図１に示すセルサスペンション維持装置の分解斜視図である。 図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図である。 図３に示すＩＶ―ＩＶ線の断面図である。 図３に対応する図面で、通気孔に供給される空圧が最大圧力に到達した状態で生体物質の水位を示す断面図である。 図３に対応する図面で、通気孔に供給される空圧が最小圧力に到達した状態で生体物質の水位を示す断面図である。 本発明の少なくとも一つの実施例に係るバイオ３Ｄプリンター用生体物質のセルサスペンション維持方法を説明するためのフローチャートである。
以下、添付図面を参照し、本発明の少なくとも一つの実施例に係るサスペンション維持方法、サスペンション維持装置、及びこれを備えるバイオ３Ｄプリンターについて詳しく説明する。
図１は、本発明の少なくとも一つの実施例に係るバイオ３Ｄプリンター用生体物質のセルサスペンション維持装置の斜視図である。図２は、図１に示すセルサスペンション維持装置の分解斜視図である。図３は、図１に示すＩＩＩ―ＩＩＩ線の断面図である。図４は、図３に示すＩＶ―ＩＶ線の断面図である。
図１ないし図４を参照すると、本発明の少なくとも一つの実施例に係るバイオ３Ｄプリンター用生体物質のセルサスペンション維持装置１０は、ボディー部２０、ピペット固定部３０、シリンジ固定アーム部４０、ピペット５０、及び通気孔２２を含む。
ボディー部２０は、図３ないし図６に図示したように、シリンジ１００に結合された形態で使用することができる。シリンジ１００は注射器形状の部材である。シリンジ１００の上端部には、上部フレンジー１１０がシリンジ１００の長手方向に垂直な方向に対称的に形成される。ボディー部２０はシリンジ１００に着脱可能に結合される。
ボディー部２０は、シリンジ１００の内周面に沿ってスライディング可能に結合することができる。ボディー部２０には通気孔２２が備えられる。通気孔２２はシリンジ１００の長手方向に形成され、外部と空気が連通するように構成される。通気孔２２はボディー部２０を貫通するように構成される。
ボディー部２０はアルミニウム合金や硬い合成樹脂などの素材で構成することができる。ボディー部２０は、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（Ｐｏｌｙ Ｅｔｈｅｒ Ｅｔｈｅｒ Ｋｅｔｏｎｅ（ＰＥＥＫ））のように耐熱性、耐化学性、及び耐摩耗性の優れたエンジニアリング合成樹脂で構成することができる。
ボディー部２０はリング結合溝２４を備える。リング結合溝２４はボディー部２０の側面に凹んだ形で形成される。リング結合溝２４はシリンジ１００の外周方向に延長する環状の溝である。リング結合溝２４には環状の密封リング２５が結合される。密封リング２５の外周面はボディー部２０の外周面より外側に突出するように配置される。密封リング２５の外周面はシリンジ１００の内周面に弾性加圧された状態で結合される。密封リング２５によって、ボディー部２０とシリンジ１００の内側面の間への生体物質１２０の流入が遮断される。
ピペット固定部３０はボディー部２０の下方に延長形成される。本発明の少なくとも一つの実施例において、ピペット固定部３０は下方に行くにつれて外径が減少するテーパー形状で構成する。ピペット固定部３０は空気吐出孔３２を備える。
空気吐出孔３２は通気孔２２と接続される。空気吐出孔３２の下部はシリンジ１００の長手方向に垂直な方向に形成される。具体的に、空気吐出孔３２の下部は、互いに反対方向に延長するように形成される。空気吐出孔３２から吐出される空気はシリンジ１００の内部空間に供給される。空気吐出孔３２から吐出される空気はシリンジ１００の内側壁に向かって噴出される。
ピペット固定部３０はボディー部２０と同一の素材で構成することができる。ピペット固定部３０はオートクレーブ（Ａｕｔｏｃｌａｖｅ）のような高圧殺菌装置に入れて殺菌処理することができる。ボディー部２０はピペット固定部３０とは別の部材として製造した後、接着、溶接、熱融着などの方法を用いて一つの構造物として結合することができる。
シリンジ固定アーム部４０はボディー部２０からボディー部２０の側方に延長形成される。シリンジ固定アーム部４０はボディー部２０と同一の素材で構成することができる。シリンジ固定アーム部４０はボディー部２０からシリンジ１００の長手方向に垂直な方向に突出して形成される。シリンジ固定アーム部４０はシリンジ１００の上部フレンジー１１０を覆う形でシリンジ１００に固定される。シリンジ固定アーム部４０は支持アーム４２とアームカバー４４で構成される。
支持アーム４２はボディー部２０からシリンジ１００の長手方向に垂直な方向に互いに対称的に突出して形成される。支持アーム４２はシリンジ１００の上部フレンジー１１０の上面に接触するように設けられる。支持アーム４２にはアームカバー４４を固定するための穴が形成される。
アームカバー４４はシリンジ１００の上部フレンジー１１０の下面に接触するように設けられる。アームカバー４４は支持アーム４２に着脱可能に固定される。具体的に、アームカバー４４は支持アーム４２にスクリュー４６のような部材を媒体に着脱可能に固定することができる。アームカバー４４にはシリンジ１００の上部フレンジー１１０に掛かることでシリンジ固定アーム部４０がシリンジ１００から勝手に分離されることを防止する離脱防止ストッパー４５が備えられる。アームカバー４４はシリンジ１００の左右に一つずつ備えられる。
ピペット５０は上部から下部に行くにつれて内径が減少する中空管形状の部材である。ピペット５０はピペット固定部３０に結合される。ピペット５０の上部はピペット固定部３０に結合される。ピペット５０の下部はシリンジ１００の排出口に配置される。ピペット５０の上部はピペット固定部３０によって密閉される。従って、ピペット５０の上部を介してピペット５０の内部に空気を注入することはできない。
本発明の少なくとも一つの実施例において、通気孔２２の上部には空気圧供給用ホース２００がワンタッチ式で結合可能である。本発明の少なくとも一つの実施例において、通気孔２２の上部にはボディー部２０に着脱可能に結合可能なワンタッチホース結合部材２８が備えられる。ホース２００のワンタッチ式結合構造は公知の構造を用いることができるので、詳細な説明は省略する。
本発明の少なくとも一つの実施例において、シリンジ１００の内部に収容された生体物質１２０がシリンジ１００の下方に排出されない間に通気孔２２の上部には予め設定された最小圧力と最大圧力との間の空気圧が周期的に加えられるように構成される。
通気孔２２の上部に空気を供給するためのホース２００が結合される。本発明の少なくとも一つの実施例において、ホース２００は電空レギュレータ（Ｅｌｅｃｔｒｏｐｎｅｕｍａｔｉｃ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）３００が接続される。電空レギュレータ３００は電気信号に比例して吐出される空気の圧力を精密に制御するための公知の装置で、ボディー部２０に供給される空気の圧力を制御する役割をする。電空レギュレータ３００は電子制御装置によって自動でボディー部２０に供給される空気の圧力を予め設定された値に調整する。電空レギュレータ３００は公知の商用製品を用いても良い。
電空レギュレータ３００に供給される空気はエアーコンプレッサー５００によって提供される。エアーコンプレッサー５００は空気を高圧に圧縮して電空レギュレータ３００に供給する。電空レギュレータ３００はエアーコンプレッサー５００から供給された高圧の空気を設定空気圧に変換してボディー部２０に供給する。エアーコンプレッサー５００は公知の商用製品を用いても良い。
本発明の少なくとも一つの実施例において、電空レギュレータ３００とエアーコンプレッサー５００との間にはエアードライヤー４００が設けられる。エアードライヤー４００はエアーコンプレッサー５００から供給される高圧の空気中に含まれた水蒸気を、例えば、クーラー（Ｃｏｏｌｅｒ）を介して温度を下げることで圧縮空気中の水分を凝縮水に変化させて除去し、電空レギュレータ３００に供給される空気を浄化する装置である。エアードライヤー４００は公知の商用製品を用いても良い。
以上では電空レギュレータを用いてボディー部２０に供給される空気の圧力を制御する例を説明しているが、本発明はこれに限定されず、例えば、精密ポンプ（不図示）を用いてボディー部２０に供給される空気の圧力を制御することもできる。
このような構成要素を含む生体物質のセルサスペンション維持装置１０をシリンジ１００に設置する方法を説明する。
まず、ピペット固定部３０にピペット５０を結合する。そして、シリンジ１００に一定量の生体物質１２０を注入する。それから、シリンジ１００の上方からピペット５０が固定されたピペット固定部３０とボディー部２０をシリンジ１００の内部に挿入する。ピペット５０の下部はシリンジ１００の排出口に位置する。
密封リング２５によって、ボディー部２０はシリンジ１００に弾性的に支持されながら固定される。支持アーム４２はシリンジ１００の上部フレンジー１１０の上面に接触するように固定される。その状態で、アームカバー４４がシリンジ１００の上部フレンジー１１０の下面に接触する状態でスクリュー４６を用いてアームカバー４４を支持アーム４２に固定する。これによって、支持アーム４２とアームカバー４４はシリンジ１００の上部フレンジー１１０をサンドイッチ形状で固定する。
これによって、ボディー部２０はシリンジ１００に強固に固定され、シリンジ１００の内部の圧力が変化してもボディー部２０がシリンジ１００から離脱することはない。
以下、上述した生体物質のセルサスペンション維持装置１０を用いてセルサスペンション状態を維持する方法を説明する。
シリンジ１００の排出口は生体物質１２０を精密に噴射するノズル（不図示）に接続される。エアーコンプレッサー５００に供給された高圧の空気はエアードライヤー４００で水分が除去された状態で電空レギュレータ３００に供給される。
電空レギュレータ３００が一定の圧力の空気をボディー部２０の通気孔２２に供給する。通気孔２２によって供給された空気は吐出口３２を介してシリンジ１００の内部に収容された生体物質１２０を加圧する。これによって、ノズル（不図示）が解放されると、生体物質１２０はシリンジ１００の排出口を介してノズルを通過して基板に出力される。
図５は、図３に対応する図で、通気孔に供給される空圧が最大圧力に達した状態での生体物質の水位を示す断面図である。図６は、図３に対応する図で、通気孔に供給される空圧が最小圧力に達した状態での生体物質の水位を示す断面図である。図７は、本発明の少なくとも一つの実施例に係るバイオ３Ｄプリンター用生体物質のセルサスペンション維持方法を説明するためのフローチャートである。図５及び図６に示す矢印は生体物質に空圧が加えられる方向を示している。
ノズルが閉鎖された場合に、通常、シリンジ１００の内部に収容された生体物質１２０は３分ないし５分程度セルサスペンション状態を維持する。この時間が経過すると、細胞成分が培養液の下に沈むか凝集され、セルサスペンション状態が維持されなくなる。
このような場合に、セルサスペンション状態が持続的に維持されるように、電空レギュレータ３００が予め設定された最小圧力と最大圧力との間で周期的に空気圧を変化させて通気孔２２に供給する。ノズルが閉鎖されると、シリンジ１００の下部排出口を介して生体物質１２０が排出されない。
本発明の少なくとも一つの実施例に係るバイオ３Ｄプリンター用生体物質のセルサスペンション維持装置及び方法は、初期化工程Ｓ７１０と、増圧工程Ｓ７２０と、減圧工程Ｓ７３０を順次繰り返す。
初期化工程Ｓ７１０では、生体物質１２０を収容するシリンジ１００に結合されたボディー部２０に形成した通気孔２２に予め設定された最小圧力が加えられるようにする。最小圧力は、例えば、大気圧以上の圧力である。最小圧力が大気圧より低いと、シリンジ１００の内部に収容された生体物質１２０が通気孔２２に逆流する可能性がある。
増圧工程Ｓ７２０は初期化工程Ｓ７１０後に行われる。増圧工程Ｓ７２０は電空レギュレータ３００を介して通気孔２２に最小圧力より高く設定された最大圧力まで空気圧を漸進的に加える。本発明の少なくとも一つの実施例において、最大圧力は大気圧より７．５ｐｓｉ程度高い圧力に設定する。増圧工程Ｓ７２０が行われる間に、通気孔２２に供給された空気圧は吐出口３２を介してシリンジ１００の内部に収容された生体物質１２０の表面を加圧する。
生体物質１２０は非圧縮性の流体であり、電空レギュレータ３００から通気孔２２を介して吐出口３２に排出された空気による圧力はパスカルの原理によって生体物質１２０の表面に均一に作用する。これによって、生体物質１２０の一部が、加えられた空気圧によってピペット５０の内部に押されて入る。これでシリンジ１００の内壁とピペット５０の外壁の間に収容された生体物質１２０の水位が下がり、ピペット５０の内部の生体物質１２０の水位が上がる。ピペット５０の内部の生体物質１２０の水位はシリンジ１００の内部の圧力とピペット５０の内部の圧力が平衡になるまで増加する。
減圧工程Ｓ７３０は増圧工程Ｓ７２０後に行われる。減圧工程Ｓ７３０は最大圧力から最小圧力まで漸進的に空気圧を減少させる。この工程で、電空レギュレータ３００から通気孔２２に供給される空気圧は最大圧力から最小圧力に漸進的に変化する。本発明の少なくとも一つの実施例において、最小圧力は大気圧付近の圧力に設定する。
減圧工程Ｓ７３０が行われる間に、通気孔２２に供給された空気圧は漸進的に低くなる。これによって、吐出口３２を介してシリンジ１００の内部の空気が電空レギュレータ３００側に流れる。従って、シリンジ１００の内部に収容された生体物質１２０の表面を加圧する空圧が低くなる。生体物質１２０は非圧縮性の流体であり、パスカルの原理によってこの圧力の変化は生体物質１２０の表面の均一に作用する。
これによって、生体物質１２０の一部が減圧された空気圧によってピペット５０の外部に押され出る。これで、シリンジ１００の内壁とピペット５０の外壁の間に収容された生体物質１２０の水位が上がり、ピペット５０の内部の生体物質１２０の水位が下がる。ピペット５０の内部の生体物質１２０の水位はシリンジ１００の内部の圧力とピペット５０の内部の圧力が平衡になるまで減少する。
このような工程が順次繰り返し行われる。その結果、ピペット５０の内部に生体物質１２０が押されて入ってから再び排出されることが繰り返して行われる。初期化工程Ｓ７１０、増圧工程Ｓ７２０、及び減圧工程Ｓ７３０を含む一つの周期は、例えば、数秒程度に設定することができる。周期はユーザーによって任意の値に設定することができる。例えば、一つの周期を２秒に設定することができる。
その結果、シリンジ１００の内部に収容された生体物質１２０は持続的に攪拌されるのと同一の効果が発生し、セルサスペンション状態を持続的に維持可能になる。
上述のように、本発明の少なくとも一つの実施例に係るバイオ３Ｄプリンター用生体物質のセルサスペンション維持装置及び方法は、生体物質が収容されたシリンジに結合されるボディー部に形成した通気孔を介して外部から予め設定された最小圧力と最小圧力より高い最大圧力の間で空気圧を順次増加及び減少させることで、シリンジ内部の風圧の変化によってシリンジ内部に収容された生体物質に加えられる空圧の変化で繰り返しピペットの内部に押されて入ったり出たりするので、生体物質が凝集されないで懸濁液状態を持続的に維持することを可能にする。
以上で説明したように、本発明の少なくとも一つの実施例によると、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持方法を提供することができる。
さらに、本発明の少なくとも一つの実施例によると、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持装置を提供することができる。
さらに、本発明の少なくとも一つの実施例によると、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持システムを提供することができる。
さらに、本発明の少なくとも一つの実施例によると、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持機能を有するバイオ３Ｄプリンターを提供することができる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
１０：バイオ３Ｄプリンター用生体物質のセルサスペンション維持装置
２０：ボディー部
２２：通気孔
２４：リング結合溝
２５：密封リング
２８：ワンタッチホース結合部材
３０：ピペット固定部
３２：吐出口
４０：シリンジ固定アーム部
４２：支持アーム
４４：アームカバー
５０：ピペット
１００：シリンジ
１１０：上部フレンジー
１２０：生体物質
２００：ホース
３００：電空レギュレータ
４００：エアードライヤー
５００：エアーコンプレッサー
本発明は、サスペンション維持方法、サスペンション維持装置、及びこれを備えるバイオ３Ｄプリンターに関する。
３ＤプリンターはＸＹＺ軸を構成するフレームと立体的な形を平面的な形で積層可能な液状または粉状の素材を噴射するノズルで構成される。３Ｄプリンターは方式によって、例えば、カルテシアン（Ｃａｒｔｅｓｉａｎ）方式、メンデル（Ｍｅｎｄｅｌ）方式、デルタ（Ｄｅｌｔａ）方式、コアーＸＹ（Ｃｏｒｅ ＸＹ）方式などがある。
カルテシアン方式は、ベッドがＸ、Ｙ軸に移動し、ノズルがＺ軸に移動して３Ｄプリンティングを実現する方式である。メンデル方式は、ベッドがＺ軸に移動し、ノズルがＸ、Ｙ軸に移動して３Ｄプリンティングを実現する方式である。デルタ方式は、ノズルがＸ、Ｙ、Ｚ軸に移動して３Ｄプリンティングを実現する方式である。コアーＸＹ方式は、ノズルが二つのモーターで結合されたベルトによってＸ、Ｙ軸に移動し、ベッドはＺ軸に移動する方式である。最近は、ノズルの位置を最も精密に制御可能なコアーＸＹ方式が広く用いられている。
バイオ３Ｄプリンターは、３Ｄプリンターのノズルを介してバイオ物質を吐出し、生体組織や臓器を立体的に作成できるように構造的に変形された装置である。
このようなバイオ３Ｄプリンターは、バイオ物質を吐出するためのディスペンサー（Ｄｉｓｐｅｎｓｅｒ）形態のノズルを含む。バイオ３Ｄプリンターは、ノズルにコラーゲンやゼラチンなどのような粘性のある流体状のバイオ物質を詰める。流体状のバイオ物質が詰められたノズルに空圧システムを接続し、バイオ物質を押しながら吐出する。
このようなバイオ３Ｄプリンターの一例が特許文献１に記載されている。
バイオ３Ｄプリンターで細胞のような生体物質を吐出するために、培養液と細胞が均一に混合した懸濁液（サスペンション）を製造する。製造された生体物質の懸濁液はシリンジに収容され、シリンジから供給される生体物質が噴射ノズルによって狙いの形状で基板上に出力される。
韓国登録特許公報第１８２８３４５号
シリンジに収容された生体物質は細胞と培養液が均一に混合した状態を維持する必要があるが、時間が経つにつれて細胞が重力によって培養液の下部に沈んでしまう。このように沈んだ細胞は互いに凝集され、シリンジの底や内壁に付着し、シリンジから抜けられなくなるかまたはかたまりとして吐出され、ノズルが詰まる問題がある。
このような問題が発生することを防止するためには、シリンジを持続的に振るかまたはシリンジ内部に収容された生体物質を繰り返してピペッティング（Ｐｉｐｅｔｔｉｎｇ）する必要がある。従来のバイオ３Ｄプリンターは、このような問題点を解決できていない。そのため、従来のバイオ３Ｄプリンターには、生体物質がシリンジの底に沈みにくいほど粘度の高い培養液のみを使用せざるを得ないという限界がある。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持方法を提供することを一つの目的とする。
さらに、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液（サスペンション）状態を持続的に維持できるように、シリンジに結合されて生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持装置を提供することをもう一つの目的とする。
さらに、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持システムを提供することをもう一つの目的とする。
さらに、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持機能を有するバイオ３Ｄプリンターを提供することをもう一つの目的とする。
本発明の解決課題は以上で言及されたものに限定されず、言及されていない他の解決課題は下記の記載から当該技術分野における通常の知識を有した者に明確に理解できるであろう。
本発明の少なくとも一つの実施例においては、シリンジに着脱可能に結合されるボディー部と、前記ボディー部の内部に前記シリンジの長手方向に形成された通気孔と、前記ボディー部の下方に延長して形成され、下方に行くにつれて外径が減少するテーパー形状を有するピペット固定部と、前記ピペット固定部の内部に形成され、前記通気孔と接続して前記シリンジの内部に連通する空気吐出孔と、前記ボディー部から前記シリンジの長手方向に垂直な方向に突出して形成され、前記シリンジの上部フランジを覆う形態で前記シリンジに固定されるシリンジ固定アーム部と、前記ピペット固定部に結合し、下方に行くにつれて内径が減少する中空のテーパー形状を有し、前記シリンジの排出口に下段部が位置するピペットとを備える、サスペンション維持装置を提供する。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記サスペンション維持装置は、前記ボディー部の側面に凹んだ形で形成され、前記シリンジの円周方向に延長するリング結合溝と、前記リング結合溝に結合する環状の密封リングとをさらに備え、前記密封リングの外周面は前記シリンジの内周面に弾性加圧された状態で密着する。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記空気吐出孔は前記シリンジの長手方向に垂直な方向に延長して形成され、前記空気吐出孔から吐出される空気が前記シリンジの内側壁に向けて噴出するように構成される。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記シリンジ固定アーム部は、前記ボディー部から前記シリンジの長手方向に垂直な方向に対称に突出して形成され、前記シリンジの前記上部フランジの上面に接触する支持アームと、前記シリンジの前記上部フランジの下面に接触し、前記支持アームに着脱可能に結合するアームカバーとを含む。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記アームカバーは前記シリンジの前記上部フランジに掛かって前記シリンジ固定アーム部が前記シリンジから分離されることを防止する離脱防止ストッパーを含む。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記ピペットは上段部が前記ピペット固定部に結合され、前記ピペット固定部によって密閉されることで、前記ピペットの上部を介して前記ピペットの内部に空気が注入されるように構成される。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記サスペンション維持装置は、前記通気孔の上部に空気圧供給用ホースが結合するように構成されたホース結合部材をさらに備える。
本発明の少なくとも一つの実施例においては、前記サスペンション維持装置を備える、シリンジを提供する。
本発明の少なくとも一つの実施例においては、前記サスペンション維持装置が装着され、排出口が生体物質を噴射するノズルに接続されるシリンジと、前記サスペンション維持装置に予め設定された空気圧を供給するための空気圧供給装置とを備える、バイオ３Ｄプリンターを提供する。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記空気圧供給装置は、高圧の空気を供給するためのエアーコンプレッサーと、一方が前記サスペンション維持装置に接続され、他方が前記エアーコンプレッサーに接続され、前記エアーコンプレッサーから供給された高圧の空気を予め設定された空気圧に変換して前記サスペンション維持装置に供給するための電空レギュレータとを含む。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記空気圧供給装置は精密ポンプを含む。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記バイオ３Ｄプリンターは、前記電空レギュレータと前記エアーコンプレッサーとの間に設けられ、前記エアーコンプレッサーから供給される高圧の空気の中に含まれた水蒸気を除去するためのエアードライヤーをさらに備える。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記バイオ３Ｄプリンターは、前記シリンジ内部に収容された前記生体物質が前記シリンジの下方に排出されない間に前記サスペンション維持装置に予め設定された最小圧力と最大圧力で空気圧が周期的に加えられるように前記電空レギュレータを制御する制御部をさらに備える。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記バイオ３Ｄプリンターは、前記シリンジ内部に収容された前記生体物質が前記シリンジの下方に排出されない間に前記サスペンション維持装置に予め設定された最小圧力と最大圧力で空気圧が周期的に加えられるように前記精密ポンプを制御する制御部をさらに備える。
本発明の少なくとも一つの実施例において、前記最小圧力は大気圧またはそれ以上の圧力で、前記最大圧力は大気圧より所定の圧力だけ高く、前記最小圧力より高い。
本発明の少なくとも一つの実施例においては、シリンジに着脱可能に結合するボディー部、前記ボディー部内部に前記シリンジの長手方向に形成された通気孔、前記ボディー部の下方に延長して形成され、下方に行くにつれて外径が減少するテーパー形状を有するピペット固定部と、前記ピペット固定部内部に形成され、前記通気孔と接続し、前記シリンジの内部に連通する空気吐出孔と、前記ボディー部から前記シリンジの長手方向に垂直な方向に突出して形成され、前記シリンジの上部フランジを覆う形態で前記シリンジに固定されるシリンジ固定アーム部と、前記ピペット固定部に結合され、下方に行くにつれて内径が減少する中空のテーパー形状を有し、前記シリンジの排出口に下段部が位置するピペットを含むサスペンション維持装置と、前記サスペンション維持装置が装着され、排出口が生体物質を噴射するノズルに接続されるシリンジと、高圧の空気を供給するためのエアーコンプレッサーと、一方が前記サスペンション維持装置に接続され、他方が前記エアーコンプレッサーに接続され、前記エアーコンプレッサーから供給された高圧の空気を予め設定された空気圧に変換して前記サスペンション維持装置に供給するための電空レギュレータを備えるバイオ３Ｄプリンターで、前記電空レギュレータを制御して前記シリンジ内部に収容された生体物質のサスペンション状態を維持する方法であって、前記生体物質を収容するシリンジに結合された前記サスペンション維持装置に予め設定された最小圧力を加える工程と、前記サスペンション維持装置に前記最小圧力より高い最大圧力まで漸進的に空気圧を増加させる工程と、前記最大圧力から前記最小圧力まで漸進的に前記空気圧を減少させる工程と、前記空気圧を増加させる工程と前記空気圧を減少させる工程を所定の周期で繰り返す工程を備える、シリンジ内生体物質のサスペンション維持方法を提供する。前記最小圧力は大気圧またはそれ以上の圧力で、前記最大圧力は大気圧より所定の圧力だけ高く、前記最小圧力より高くてもよい。
本明細書でそれぞれの実施例は互いに独立的に記載されているが、それぞれの実施例は相互組合せが可能であり、組合せによる実施例も本発明の権利範囲に含まれる。
上述した要約は単に説明のためのものであり、如何なる形でも限定を意図するものではない。上述した説明様態、実施例、及び特徴に加え、追加の様態、実施例、及び特徴が図面及び詳細な説明を参照することで明確になるはずである。
本発明の少なくとも一つの実施例によれば、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持方法を提供できるという効果を奏する。
本発明の少なくとも一つの実施例によれば、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液（サスペンション）状態を持続的に維持できるように、シリンジに結合されて生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持装置を提供できるという効果を奏する。
シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持システムを提供できるという効果を奏する。
さらに、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持機能を有するバイオ３Ｄプリンターを提供できるという効果を奏する。
本発明の効果は以上で言及されたものなどに限定されず、言及されていない他の効果は下記の記載から当該技術分野における通常の知識を有した者に明確に理解できるはずである。
本発明の少なくとも一つの実施例に係るバイオ３Ｄプリンター用生体物質のセルサスペンション維持装置の斜視図である。 図１に示すセルサスペンション維持装置の分解斜視図である。 図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線の断面図である。 図３に示すＩＶ―ＩＶ線の断面図である。 図３に対応する図面で、通気孔に供給される空圧が最大圧力に到達した状態で生体物質の水位を示す断面図である。 図３に対応する図面で、通気孔に供給される空圧が最小圧力に到達した状態で生体物質の水位を示す断面図である。 本発明の少なくとも一つの実施例に係るバイオ３Ｄプリンター用生体物質のセルサスペンション維持方法を説明するためのフローチャートである。
以下、添付図面を参照し、本発明の少なくとも一つの実施例に係るサスペンション維持方法、サスペンション維持装置、及びこれを備えるバイオ３Ｄプリンターについて詳しく説明する。
図１は、本発明の少なくとも一つの実施例に係るバイオ３Ｄプリンター用生体物質のセルサスペンション維持装置の斜視図である。図２は、図１に示すセルサスペンション維持装置の分解斜視図である。図３は、図１に示すＩＩＩ―ＩＩＩ線の断面図である。図４は、図３に示すＩＶ―ＩＶ線の断面図である。
図１ないし図４を参照すると、本発明の少なくとも一つの実施例に係るバイオ３Ｄプリンター用生体物質のセルサスペンション維持装置１０は、ボディー部２０、ピペット固定部３０、シリンジ固定アーム部４０、ピペット５０、及び通気孔２２を含む。
ボディー部２０は、図３ないし図６に図示したように、シリンジ１００に結合された形態で使用することができる。シリンジ１００は注射器形状の部材である。シリンジ１００の上端部には、上部フランジ１１０がシリンジ１００の長手方向に垂直な方向に対称的に形成される。ボディー部２０はシリンジ１００に着脱可能に結合される。
ボディー部２０は、シリンジ１００の内周面に沿ってスライディング可能に結合することができる。ボディー部２０には通気孔２２が備えられる。通気孔２２はシリンジ１００の長手方向に形成され、外部と空気が連通するように構成される。通気孔２２はボディー部２０を貫通するように構成される。
ボディー部２０はアルミニウム合金や硬い合成樹脂などの素材で構成することができる。ボディー部２０は、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（Ｐｏｌｙ Ｅｔｈｅｒ Ｅｔｈｅｒ Ｋｅｔｏｎｅ（ＰＥＥＫ））のように耐熱性、耐化学性、及び耐摩耗性の優れたエンジニアリング合成樹脂で構成することができる。
ボディー部２０はリング結合溝２４を備える。リング結合溝２４はボディー部２０の側面に凹んだ形で形成される。リング結合溝２４はシリンジ１００の外周方向に延長する環状の溝である。リング結合溝２４には環状の密封リング２５が結合される。密封リング２５の外周面はボディー部２０の外周面より外側に突出するように配置される。密封リング２５の外周面はシリンジ１００の内周面に弾性加圧された状態で結合される。密封リング２５によって、ボディー部２０とシリンジ１００の内側面の間への生体物質１２０の流入が遮断される。
ピペット固定部３０はボディー部２０の下方に延長形成される。本発明の少なくとも一つの実施例において、ピペット固定部３０は下方に行くにつれて外径が減少するテーパー形状で構成する。ピペット固定部３０は空気吐出孔３２を備える。
空気吐出孔３２は通気孔２２と接続される。空気吐出孔３２の下部はシリンジ１００の長手方向に垂直な方向に形成される。具体的に、空気吐出孔３２の下部は、互いに反対方向に延長するように形成される。空気吐出孔３２から吐出される空気はシリンジ１００の内部空間に供給される。空気吐出孔３２から吐出される空気はシリンジ１００の内側壁に向かって噴出される。
ピペット固定部３０はボディー部２０と同一の素材で構成することができる。ピペット固定部３０はオートクレーブ（Ａｕｔｏｃｌａｖｅ）のような高圧殺菌装置に入れて殺菌処理することができる。ボディー部２０はピペット固定部３０とは別の部材として製造した後、接着、溶接、熱融着などの方法を用いて一つの構造物として結合することができる。
シリンジ固定アーム部４０はボディー部２０からボディー部２０の側方に延長形成される。シリンジ固定アーム部４０はボディー部２０と同一の素材で構成することができる。シリンジ固定アーム部４０はボディー部２０からシリンジ１００の長手方向に垂直な方向に突出して形成される。シリンジ固定アーム部４０はシリンジ１００の上部フランジ１１０を覆う形でシリンジ１００に固定される。シリンジ固定アーム部４０は支持アーム４２とアームカバー４４で構成される。
支持アーム４２はボディー部２０からシリンジ１００の長手方向に垂直な方向に互いに対称的に突出して形成される。支持アーム４２はシリンジ１００の上部フランジ１１０の上面に接触するように設けられる。支持アーム４２にはアームカバー４４を固定するための穴が形成される。
アームカバー４４はシリンジ１００の上部フランジ１１０の下面に接触するように設けられる。アームカバー４４は支持アーム４２に着脱可能に固定される。具体的に、アームカバー４４は支持アーム４２にスクリュー４６のような部材を媒体に着脱可能に固定することができる。アームカバー４４にはシリンジ１００の上部フランジ１１０に掛かることでシリンジ固定アーム部４０がシリンジ１００から勝手に分離されることを防止する離脱防止ストッパー４５が備えられる。アームカバー４４はシリンジ１００の左右に一つずつ備えられる。
ピペット５０は上部から下部に行くにつれて内径が減少する中空管形状の部材である。ピペット５０はピペット固定部３０に結合される。ピペット５０の上部はピペット固定部３０に結合される。ピペット５０の下部はシリンジ１００の排出口に配置される。ピペット５０の上部はピペット固定部３０によって密閉される。従って、ピペット５０の上部を介してピペット５０の内部に空気を注入することはできない。
本発明の少なくとも一つの実施例において、通気孔２２の上部には空気圧供給用ホース２００がワンタッチ式で結合可能である。本発明の少なくとも一つの実施例において、通気孔２２の上部にはボディー部２０に着脱可能に結合可能なワンタッチホース結合部材２８が備えられる。ホース２００のワンタッチ式結合構造は公知の構造を用いることができるので、詳細な説明は省略する。
本発明の少なくとも一つの実施例において、シリンジ１００の内部に収容された生体物質１２０がシリンジ１００の下方に排出されない間に通気孔２２の上部には予め設定された最小圧力と最大圧力との間の空気圧が周期的に加えられるように構成される。
通気孔２２の上部に空気を供給するためのホース２００が結合される。本発明の少なくとも一つの実施例において、ホース２００は電空レギュレータ（Ｅｌｅｃｔｒｏｐｎｅｕｍａｔｉｃ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）３００が接続される。電空レギュレータ３００は電気信号に比例して吐出される空気の圧力を精密に制御するための公知の装置で、ボディー部２０に供給される空気の圧力を制御する役割をする。電空レギュレータ３００は電子制御装置によって自動でボディー部２０に供給される空気の圧力を予め設定された値に調整する。電空レギュレータ３００は公知の商用製品を用いても良い。
電空レギュレータ３００に供給される空気はエアーコンプレッサー５００によって提供される。エアーコンプレッサー５００は空気を高圧に圧縮して電空レギュレータ３００に供給する。電空レギュレータ３００はエアーコンプレッサー５００から供給された高圧の空気を設定空気圧に変換してボディー部２０に供給する。エアーコンプレッサー５００は公知の商用製品を用いても良い。
本発明の少なくとも一つの実施例において、電空レギュレータ３００とエアーコンプレッサー５００との間にはエアードライヤー４００が設けられる。エアードライヤー４００はエアーコンプレッサー５００から供給される高圧の空気中に含まれた水蒸気を、例えば、クーラー（Ｃｏｏｌｅｒ）を介して温度を下げることで圧縮空気中の水分を凝縮水に変化させて除去し、電空レギュレータ３００に供給される空気を浄化する装置である。エアードライヤー４００は公知の商用製品を用いても良い。
以上では電空レギュレータを用いてボディー部２０に供給される空気の圧力を制御する例を説明しているが、本発明はこれに限定されず、例えば、精密ポンプ（不図示）を用いてボディー部２０に供給される空気の圧力を制御することもできる。
このような構成要素を含む生体物質のセルサスペンション維持装置１０をシリンジ１００に設置する方法を説明する。
まず、ピペット固定部３０にピペット５０を結合する。そして、シリンジ１００に一定量の生体物質１２０を注入する。それから、シリンジ１００の上方からピペット５０が固定されたピペット固定部３０とボディー部２０をシリンジ１００の内部に挿入する。ピペット５０の下部はシリンジ１００の排出口に位置する。
密封リング２５によって、ボディー部２０はシリンジ１００に弾性的に支持されながら固定される。支持アーム４２はシリンジ１００の上部フランジ１１０の上面に接触するように固定される。その状態で、アームカバー４４がシリンジ１００の上部フランジ１１０の下面に接触する状態でスクリュー４６を用いてアームカバー４４を支持アーム４２に固定する。これによって、支持アーム４２とアームカバー４４はシリンジ１００の上部フランジ１１０をサンドイッチ形状で固定する。
これによって、ボディー部２０はシリンジ１００に強固に固定され、シリンジ１００の内部の圧力が変化してもボディー部２０がシリンジ１００から離脱することはない。
以下、上述した生体物質のセルサスペンション維持装置１０を用いてセルサスペンション状態を維持する方法を説明する。
シリンジ１００の排出口は生体物質１２０を精密に噴射するノズル（不図示）に接続される。エアーコンプレッサー５００に供給された高圧の空気はエアードライヤー４００で水分が除去された状態で電空レギュレータ３００に供給される。
電空レギュレータ３００が一定の圧力の空気をボディー部２０の通気孔２２に供給する。通気孔２２によって供給された空気は吐出口３２を介してシリンジ１００の内部に収容された生体物質１２０を加圧する。これによって、ノズル（不図示）が解放されると、生体物質１２０はシリンジ１００の排出口を介してノズルを通過して基板に出力される。
図５は、図３に対応する図で、通気孔に供給される空圧が最大圧力に達した状態での生体物質の水位を示す断面図である。図６は、図３に対応する図で、通気孔に供給される空圧が最小圧力に達した状態での生体物質の水位を示す断面図である。図７は、本発明の少なくとも一つの実施例に係るバイオ３Ｄプリンター用生体物質のセルサスペンション維持方法を説明するためのフローチャートである。図５及び図６に示す矢印は生体物質に空圧が加えられる方向を示している。
ノズルが閉鎖された場合に、通常、シリンジ１００の内部に収容された生体物質１２０は３分ないし５分程度セルサスペンション状態を維持する。この時間が経過すると、細胞成分が培養液の下に沈むか凝集され、セルサスペンション状態が維持されなくなる。
このような場合に、セルサスペンション状態が持続的に維持されるように、電空レギュレータ３００が予め設定された最小圧力と最大圧力との間で周期的に空気圧を変化させて通気孔２２に供給する。ノズルが閉鎖されると、シリンジ１００の下部排出口を介して生体物質１２０が排出されない。
本発明の少なくとも一つの実施例に係るバイオ３Ｄプリンター用生体物質のセルサスペンション維持装置及び方法は、初期化工程Ｓ７１０と、増圧工程Ｓ７２０と、減圧工程Ｓ７３０を順次繰り返す。
初期化工程Ｓ７１０では、生体物質１２０を収容するシリンジ１００に結合されたボディー部２０に形成した通気孔２２に予め設定された最小圧力が加えられるようにする。最小圧力は、例えば、大気圧以上の圧力である。最小圧力が大気圧より低いと、シリンジ１００の内部に収容された生体物質１２０が通気孔２２に逆流する可能性がある。
増圧工程Ｓ７２０は初期化工程Ｓ７１０後に行われる。増圧工程Ｓ７２０は電空レギュレータ３００を介して通気孔２２に最小圧力より高く設定された最大圧力まで空気圧を漸進的に加える。本発明の少なくとも一つの実施例において、最大圧力は大気圧より７．５ｐｓｉ程度高い圧力に設定する。増圧工程Ｓ７２０が行われる間に、通気孔２２に供給された空気圧は吐出口３２を介してシリンジ１００の内部に収容された生体物質１２０の表面を加圧する。
生体物質１２０は非圧縮性の流体であり、電空レギュレータ３００から通気孔２２を介して吐出口３２に排出された空気による圧力はパスカルの原理によって生体物質１２０の表面に均一に作用する。これによって、生体物質１２０の一部が、加えられた空気圧によってピペット５０の内部に押されて入る。これでシリンジ１００の内壁とピペット５０の外壁の間に収容された生体物質１２０の水位が下がり、ピペット５０の内部の生体物質１２０の水位が上がる。ピペット５０の内部の生体物質１２０の水位はシリンジ１００の内部の圧力とピペット５０の内部の圧力が平衡になるまで増加する。
減圧工程Ｓ７３０は増圧工程Ｓ７２０後に行われる。減圧工程Ｓ７３０は最大圧力から最小圧力まで漸進的に空気圧を減少させる。この工程で、電空レギュレータ３００から通気孔２２に供給される空気圧は最大圧力から最小圧力に漸進的に変化する。本発明の少なくとも一つの実施例において、最小圧力は大気圧付近の圧力に設定する。
減圧工程Ｓ７３０が行われる間に、通気孔２２に供給された空気圧は漸進的に低くなる。これによって、吐出口３２を介してシリンジ１００の内部の空気が電空レギュレータ３００側に流れる。従って、シリンジ１００の内部に収容された生体物質１２０の表面を加圧する空圧が低くなる。生体物質１２０は非圧縮性の流体であり、パスカルの原理によってこの圧力の変化は生体物質１２０の表面の均一に作用する。
これによって、生体物質１２０の一部が減圧された空気圧によってピペット５０の外部に押され出る。これで、シリンジ１００の内壁とピペット５０の外壁の間に収容された生体物質１２０の水位が上がり、ピペット５０の内部の生体物質１２０の水位が下がる。ピペット５０の内部の生体物質１２０の水位はシリンジ１００の内部の圧力とピペット５０の内部の圧力が平衡になるまで減少する。
このような工程が順次繰り返し行われる。その結果、ピペット５０の内部に生体物質１２０が押されて入ってから再び排出されることが繰り返して行われる。初期化工程Ｓ７１０、増圧工程Ｓ７２０、及び減圧工程Ｓ７３０を含む一つの周期は、例えば、数秒程度に設定することができる。周期はユーザーによって任意の値に設定することができる。例えば、一つの周期を２秒に設定することができる。
その結果、シリンジ１００の内部に収容された生体物質１２０は持続的に攪拌されるのと同一の効果が発生し、セルサスペンション状態を持続的に維持可能になる。
上述のように、本発明の少なくとも一つの実施例に係るバイオ３Ｄプリンター用生体物質のセルサスペンション維持装置及び方法は、生体物質が収容されたシリンジに結合されるボディー部に形成した通気孔を介して外部から予め設定された最小圧力と最小圧力より高い最大圧力の間で空気圧を順次増加及び減少させることで、シリンジ内部の風圧の変化によってシリンジ内部に収容された生体物質に加えられる空圧の変化で繰り返しピペットの内部に押されて入ったり出たりするので、生体物質が凝集されないで懸濁液状態を持続的に維持することを可能にする。
以上で説明したように、本発明の少なくとも一つの実施例によると、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持方法を提供することができる。
さらに、本発明の少なくとも一つの実施例によると、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持装置を提供することができる。
さらに、本発明の少なくとも一つの実施例によると、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持システムを提供することができる。
さらに、本発明の少なくとも一つの実施例によると、シリンジ内部に収容された生体物質が懸濁液状態を持続的に維持できるようにシリンジに結合して生体物質を周期的にピペッティング可能なセルサスペンション維持機能を有するバイオ３Ｄプリンターを提供することができる。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
１０：バイオ３Ｄプリンター用生体物質のセルサスペンション維持装置
２０：ボディー部
２２：通気孔
２４：リング結合溝
２５：密封リング
２８：ワンタッチホース結合部材
３０：ピペット固定部
３２：吐出口
４０：シリンジ固定アーム部
４２：支持アーム
４４：アームカバー
５０：ピペット
１００：シリンジ
１１０：上部フランジ
１２０：生体物質
２００：ホース
３００：電空レギュレータ
４００：エアードライヤー
５００：エアーコンプレッサー

Claims (17)

  1. シリンジに着脱可能に結合されるボディー部と、
    前記ボディー部の内部に前記シリンジの長手方向に形成された通気孔と、
    前記ボディー部の下方に延長して形成され、下方に行くにつれて外径が減少するテーパー形状を有するピペット固定部と、
    前記ピペット固定部の内部に形成され、前記通気孔と接続して前記シリンジの内部に連通する空気吐出孔と、
    前記ボディー部から前記シリンジの長手方向に垂直な方向に突出して形成され、前記シリンジの上部フレンジーを覆う形態で前記シリンジに固定されるシリンジ固定アーム部と、
    前記ピペット固定部に結合し、下方に行くにつれて内径が減少する中空のテーパー形状を有し、前記シリンジの排出口に下段部が位置するピペットと
    を備える、
    サスペンション維持装置。
  2. 前記ボディー部の側面に凹んだ形で形成され、前記シリンジの円周方向に延長するリング結合溝と、
    前記リング結合溝に結合する環状の密封リングと
    をさらに備え、
    前記密封リングの外周面は前記シリンジの内周面に弾性加圧された状態で密着する、
    請求項１に記載のサスペンション維持装置。
  3. 前記空気吐出孔は前記シリンジの長手方向に垂直な方向に延長して形成され、前記空気吐出孔から吐出される空気が前記シリンジの内側壁に向けて噴出するように構成された、
    請求項１に記載のサスペンション維持装置。
  4. 前記シリンジ固定アーム部は、
    前記ボディー部から前記シリンジの長手方向に垂直な方向に対称に突出して形成され、前記シリンジの前記上部フレンジーの上面に接触する支持アームと、
    前記シリンジの前記上部フレンジーの下面に接触し、前記支持アームに着脱可能に結合するアームカバーと
    を含む、
    請求項１に記載のサスペンション維持装置。
  5. 前記アームカバーは前記シリンジの前記上部フレンジーに掛かって前記シリンジ固定アーム部が前記シリンジから分離されることを防止する離脱防止ストッパーを含む、
    請求項４に記載のサスペンション維持装置。
  6. 前記ピペットは上段部が前記ピペット固定部に結合され、前記ピペット固定部によって密閉されることで、前記ピペットの上部を介して前記ピペットの内部に空気が注入されるように構成された、
    請求項１に記載のサスペンション維持装置。
  7. 前記通気孔の上部に空気圧供給用ホースが結合するように構成されたホース結合部材をさらに備える、
    請求項１に記載のサスペンション維持装置。
  8. 請求項１ないし請求項７の何れか一項に記載されたサスペンション維持装置を備える、
    シリンジ。
  9. 請求項１ないし請求項７の何れか一項に記載されたサスペンション維持装置が装着され、排出口が生体物質を噴射するノズルに接続されるシリンジと、
    前記サスペンション維持装置に予め設定された空気圧を供給するための空気圧供給装置と
    を備える、
    バイオ３Ｄプリンター。
  10. 前記空気圧供給装置は、
    高圧の空気を供給するためのエアーコンプレッサーと、
    一方が前記サスペンション維持装置に接続され、他方が前記エアーコンプレッサーに接続され、前記エアーコンプレッサーから供給された高圧の空気を予め設定された空気圧に変換して前記サスペンション維持装置に供給するための電空レギュレータと
    を含む、
    請求項９に記載のバイオ３Ｄプリンター。
  11. 前記空気圧供給装置は精密ポンプを含む、
    請求項９に記載のバイオ３Ｄプリンター。
  12. 前記電空レギュレータと前記エアーコンプレッサーとの間に設けられ、前記エアーコンプレッサーから供給される高圧の空気の中に含まれた水蒸気を除去するためのエアードライヤーをさらに備える、
    請求項１０に記載のバイオ３Ｄプリンター。
  13. 前記シリンジ内部に収容された前記生体物質が前記シリンジの下方に排出されない間に前記サスペンション維持装置に予め設定された最小圧力と最大圧力で空気圧が周期的に加えられるように前記電空レギュレータを制御する制御部をさらに備える、
    請求項１０に記載のバイオ３Ｄプリンター。
  14. 前記シリンジ内部に収容された前記生体物質が前記シリンジの下方に排出されない間に前記サスペンション維持装置に予め設定された最小圧力と最大圧力で空気圧が周期的に加えられるように前記精密ポンプを制御する制御部をさらに備える、
    請求項１１に記載のバイオ３Ｄプリンター。
  15. 前記最小圧力は大気圧またはそれ以上の圧力で、
    前記最大圧力は大気圧より所定の圧力だけ高く、前記最小圧力より高い、
    請求項１３または請求項１４に記載のバイオ３Ｄプリンター。
  16. シリンジに着脱可能に結合するボディー部、前記ボディー部内部に前記シリンジの長手方向に形成された通気孔、前記ボディー部の下方に延長して形成され、下方に行くにつれて外径が減少するテーパー形状を有するピペット固定部と、前記ピペット固定部内部に形成され、前記通気孔と接続し、前記シリンジの内部に連通する空気吐出孔と、前記ボディー部から前記シリンジの長手方向に垂直な方向に突出して形成され、前記シリンジの上部フレンジーを覆う形態で前記シリンジに固定されるシリンジ固定アーム部と、前記ピペット固定部に結合され、下方に行くにつれて内径が減少する中空のテーパー形状を有し、前記シリンジの排出口に下段部が位置するピペットを含むサスペンション維持装置と、前記サスペンション維持装置が装着され、排出口が生体物質を噴射するノズルに接続されるシリンジと、高圧の空気を供給するためのエアーコンプレッサーと、一方が前記サスペンション維持装置に接続され、他方が前記エアーコンプレッサーに接続され、前記エアーコンプレッサーから供給された高圧の空気を予め設定された空気圧に変換して前記サスペンション維持装置に供給するための電空レギュレータを備えるバイオ３Ｄプリンターで、前記電空レギュレータを制御して前記シリンジ内部に収容された生体物質のサスペンション状態を維持する方法であって、
    前記生体物質を収容するシリンジに結合された前記サスペンション維持装置に予め設定された最小圧力を加える工程と、
    前記サスペンション維持装置に前記最小圧力より高い最大圧力まで漸進的に空気圧を増加させる工程と、
    前記最大圧力から前記最小圧力まで漸進的に前記空気圧を減少させる工程と、
    前記空気圧を増加させる工程と前記空気圧を減少させる工程を所定の周期で繰り返す工程と
    を備える、
    シリンジ内生体物質のサスペンション維持方法。
  17. 前記最小圧力は大気圧またはそれ以上の圧力で、
    前記最大圧力は大気圧より所定の圧力だけ高く、前記最小圧力より高い、
    請求項１６に記載のシリンジ内生体物質のサスペンション維持方法。
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